永磁同步电机混沌分析与控制策略研究
近年来，由于永磁同步电动机被广泛应用在一些技术要求高，操作难度大的领域，展现出了重多优点，这引起了人们对永磁同步电机的重视，加大了对其的研究力度。永磁同步电机是一种结合多变量和强耦合性的非线性系统，在适当的参数选择和外部输入下，会呈现出很复杂的混沌行为。这种显著的混沌特性使得永磁同步电机在工作时效率低下，受到严重的影响，因此要克服这一问题。本文首先建立了永磁同步电机的数学模型，在模型的基础上分析了永磁同步电机的非线性动力学，然后分别设计了线性反馈控制器和神经网络控制器，最后通过仿真来验证控制系统的有效性。结果表明设计能够有效的控制永磁同步电机稳定，这对永磁同步电机混沌研究有巨大的借鉴意义。关键词 永磁同步电机，混沌分析，控制策略，仿真模拟
目 录
1 绪论 1
1.1 国内外研究现状 1
1.2 本课题研究的意义 2
2 永磁同步电机的概述 3
2.1 永磁同步电机简介 3
2.2 永磁同步电机特点 3
2.3 永磁同步电机中的混沌现象 4
3 永磁同步电机混沌控制方法 10
3.1 线性反馈法 10
3.2 自适应模糊控制 14
3.3 神经网络控制 29
4 总结 33
5 致谢 34
6 参考文献 35
1 绪论
1.1 国内外研究现状
据研究，永磁同步电机作为非线性系统，会因为外界因素的影响如不稳定参数或外部输入等表现非常复杂的混沌行为。这种混沌现象导致电机产生不确定性的后果，脱离控制范围。为了使永磁同步电机中的混沌现象得到控制，发挥更好的性能，更多的科研人员去探究混沌现象，解决混沌问题。如利用分岔理论分析了气隙均匀永磁同步电机的动力学特征，又比如研究了永磁同步电机的Poincare映射，Lyapunov指数及容量维等数值特征。
永磁同步电机工作效率高，在众多领域运用中表现突出，但其本身作为一种典型的非线性系统，会形成混沌现象对电机的安全和稳定造成影响。随着人们的重视和电机混沌研究的不断深入，新型的控制方法越来越多。如今对永磁同步电机的控制主要 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
分成两大派别，一种是有反馈即闭环控制方法，如Ott,Grebogi和Yorke提出了参数扰动方法(OGY)。另一种是非反馈即开环控制方法，如传递和转移控制及周期激振力方法等[1]，文献[1]在反馈控制原理的基础上利用小波技术应用进行电机控制，文献[2]提出了神经网络控制方法。相对于传统控制方法，模糊控制的优点很多，比如它对精确对象数学模型需求低，能够运用大量控制理论经验和知识，鲁棒性好等等。这使得利用模糊控制来控制参数扰动的电机能够获得更好的稳定效果。由于永磁同步电机的广泛运用，因此对其性能，安全等要求也不断的提高，这对控制永磁同步电机混沌行为来说是一种新的挑战。Lee[3]等人在输出反馈技术的基础上研究了不确定时变时滞模糊系统的鲁棒稳定性。智能控制比如神经网络控制，一个拥有比拟人脑功能与结构的非线性系统，其自适应能力与控制鲁棒性非常好，因而在控制永磁同步电机混沌行为的问题上能够被广泛的应用。Hua[46]等人加入观测器，采用自适应控制方法，对时滞不确定性系统进行研究并取得了成效。Wang[7]等人在状态反馈技术的基础上研究了时滞不确定性模糊系统的鲁棒稳定性。Hu[8]等人根据自适应神经网络方法研究不确定时滞系统的鲁棒稳定性。
永磁同步电机的非线性系统本身具有独特的性质，比如敏感性高，参数需要结合实际情况等。在大量研究下，关于如何有效控制永磁同步电机混沌的问题得到了喜人的成果。如文献[9]将永磁同步电机的数学模型通过平滑性线性化后构造了前馈反馈控制器，并通过实验得到了稳定所要的因素。文献[10]提出了最小实际扭矩方法，该控制策略是先通过计算来得到一种最有效的控制方案。文献[11]从观测速度的角度思 考从而想出了一种模糊神经网络控制法；文献[12]观测到永磁同步电机在高频状态下会出现的动态分歧的现象，通过观察动态分歧设计了非线性鲁棒参数控制器模型，提出了对非线性动力现象控制的方法。文献[1315]尝试了串级滑模变结构控制、神经网络、模糊控制等方法。Baik[1617]等人将滑模技术用于永磁同步电机。文献[18]提出了采用纳入轨道和强迫迁徙方法控制永磁同步电机中的混沌，但由于它的控制目标不允许是系统已经确立的轨道，并且要施加控制状态的条件是轨道处于吸引域中，所以该控制策略只能证明其理论上的有效性，但在很难在现实中进行实验。
在对永磁同步电机非线性动力学行为不断研究的背景下，出现了很多控制方法，但每种方法都具有或多或少的缺陷。尤其是在实际控制永磁同步电机的过程中，伴随实际误差和参数波动等，缺点就体现的更加明显。随着永磁同步电机在工业上得到广泛运用，在提高了自身价值的同时也提高了要求，这使得永磁同步电机混沌控制需要进一步完善与发展。
1.2 本课题研究的意义
永磁同步电机构造上更加简单，能耗小，这使得生产成本小并且永磁同步电机运行效率高，在工业上的应用十分广泛。同直流电机相比，永磁同步电机针对换向器和电刷的缺点做出了改进。与异步电动机比较，由于不存在无功励磁电流，因此永磁同步电机的执行效率更高，同样使得永磁同步电机消耗的能量更少，性价比更高。同等情况下，永磁同步电机能够完成更高要求的工业任务。但是，永磁同步电机的非线性动力学行为[1923]依然十分明显，表现在很多不规则的行为上，比如转速的间歇振荡、运行时产生的电磁噪音不规则等等。正因为永磁同步电机缺点还很多，还需要进一步完善，其开发空间大，是未来发展的主流并且在市场上拥有强大的竞争力，使得研究永磁同步电机的热度持续增高。本文对永磁同步电机非线性动力现象的研究满足了工业的需求，对永磁同步电机的研究有一定的借鉴作用。
2 永磁同步电机的概述
2.1 永磁同步电机简介
永磁体是永磁同步电机的重要组成部分，永磁体励磁能够产生一个同步旋转的磁场。在该旋转磁场中，三相定子绕组在磁场力的作用下产生电枢反应并感应三相对称电流，这样便将转子电能转换成动能，永磁同步电机起到发电的作用；此外，当定子侧边进入电流时，由于在空间位置上每个定子角度相差为120，所以在三相定子电流形成的旋转磁场中，受电磁力影响的转子能够产生电能，此时永磁同步电机能够产生电能。
目 录
1 绪论 1
1.1 国内外研究现状 1
1.2 本课题研究的意义 2
2 永磁同步电机的概述 3
2.1 永磁同步电机简介 3
2.2 永磁同步电机特点 3
2.3 永磁同步电机中的混沌现象 4
3 永磁同步电机混沌控制方法 10
3.1 线性反馈法 10
3.2 自适应模糊控制 14
3.3 神经网络控制 29
4 总结 33
5 致谢 34
6 参考文献 35
1 绪论
1.1 国内外研究现状
据研究，永磁同步电机作为非线性系统，会因为外界因素的影响如不稳定参数或外部输入等表现非常复杂的混沌行为。这种混沌现象导致电机产生不确定性的后果，脱离控制范围。为了使永磁同步电机中的混沌现象得到控制，发挥更好的性能，更多的科研人员去探究混沌现象，解决混沌问题。如利用分岔理论分析了气隙均匀永磁同步电机的动力学特征，又比如研究了永磁同步电机的Poincare映射，Lyapunov指数及容量维等数值特征。
永磁同步电机工作效率高，在众多领域运用中表现突出，但其本身作为一种典型的非线性系统，会形成混沌现象对电机的安全和稳定造成影响。随着人们的重视和电机混沌研究的不断深入，新型的控制方法越来越多。如今对永磁同步电机的控制主要 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
分成两大派别，一种是有反馈即闭环控制方法，如Ott,Grebogi和Yorke提出了参数扰动方法(OGY)。另一种是非反馈即开环控制方法，如传递和转移控制及周期激振力方法等[1]，文献[1]在反馈控制原理的基础上利用小波技术应用进行电机控制，文献[2]提出了神经网络控制方法。相对于传统控制方法，模糊控制的优点很多，比如它对精确对象数学模型需求低，能够运用大量控制理论经验和知识，鲁棒性好等等。这使得利用模糊控制来控制参数扰动的电机能够获得更好的稳定效果。由于永磁同步电机的广泛运用，因此对其性能，安全等要求也不断的提高，这对控制永磁同步电机混沌行为来说是一种新的挑战。Lee[3]等人在输出反馈技术的基础上研究了不确定时变时滞模糊系统的鲁棒稳定性。智能控制比如神经网络控制，一个拥有比拟人脑功能与结构的非线性系统，其自适应能力与控制鲁棒性非常好，因而在控制永磁同步电机混沌行为的问题上能够被广泛的应用。Hua[46]等人加入观测器，采用自适应控制方法，对时滞不确定性系统进行研究并取得了成效。Wang[7]等人在状态反馈技术的基础上研究了时滞不确定性模糊系统的鲁棒稳定性。Hu[8]等人根据自适应神经网络方法研究不确定时滞系统的鲁棒稳定性。
永磁同步电机的非线性系统本身具有独特的性质，比如敏感性高，参数需要结合实际情况等。在大量研究下，关于如何有效控制永磁同步电机混沌的问题得到了喜人的成果。如文献[9]将永磁同步电机的数学模型通过平滑性线性化后构造了前馈反馈控制器，并通过实验得到了稳定所要的因素。文献[10]提出了最小实际扭矩方法，该控制策略是先通过计算来得到一种最有效的控制方案。文献[11]从观测速度的角度思 考从而想出了一种模糊神经网络控制法；文献[12]观测到永磁同步电机在高频状态下会出现的动态分歧的现象，通过观察动态分歧设计了非线性鲁棒参数控制器模型，提出了对非线性动力现象控制的方法。文献[1315]尝试了串级滑模变结构控制、神经网络、模糊控制等方法。Baik[1617]等人将滑模技术用于永磁同步电机。文献[18]提出了采用纳入轨道和强迫迁徙方法控制永磁同步电机中的混沌，但由于它的控制目标不允许是系统已经确立的轨道，并且要施加控制状态的条件是轨道处于吸引域中，所以该控制策略只能证明其理论上的有效性，但在很难在现实中进行实验。
在对永磁同步电机非线性动力学行为不断研究的背景下，出现了很多控制方法，但每种方法都具有或多或少的缺陷。尤其是在实际控制永磁同步电机的过程中，伴随实际误差和参数波动等，缺点就体现的更加明显。随着永磁同步电机在工业上得到广泛运用，在提高了自身价值的同时也提高了要求，这使得永磁同步电机混沌控制需要进一步完善与发展。
1.2 本课题研究的意义
永磁同步电机构造上更加简单，能耗小，这使得生产成本小并且永磁同步电机运行效率高，在工业上的应用十分广泛。同直流电机相比，永磁同步电机针对换向器和电刷的缺点做出了改进。与异步电动机比较，由于不存在无功励磁电流，因此永磁同步电机的执行效率更高，同样使得永磁同步电机消耗的能量更少，性价比更高。同等情况下，永磁同步电机能够完成更高要求的工业任务。但是，永磁同步电机的非线性动力学行为[1923]依然十分明显，表现在很多不规则的行为上，比如转速的间歇振荡、运行时产生的电磁噪音不规则等等。正因为永磁同步电机缺点还很多，还需要进一步完善，其开发空间大，是未来发展的主流并且在市场上拥有强大的竞争力，使得研究永磁同步电机的热度持续增高。本文对永磁同步电机非线性动力现象的研究满足了工业的需求，对永磁同步电机的研究有一定的借鉴作用。
2 永磁同步电机的概述
2.1 永磁同步电机简介
永磁体是永磁同步电机的重要组成部分，永磁体励磁能够产生一个同步旋转的磁场。在该旋转磁场中，三相定子绕组在磁场力的作用下产生电枢反应并感应三相对称电流，这样便将转子电能转换成动能，永磁同步电机起到发电的作用；此外，当定子侧边进入电流时，由于在空间位置上每个定子角度相差为120，所以在三相定子电流形成的旋转磁场中，受电磁力影响的转子能够产生电能，此时永磁同步电机能够产生电能。
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