永磁同步电机的自适应模糊滑模控制研究
永磁同步电机的自适应模糊滑模控制研究[20191215170214]
摘 要
永磁同步电机 (PMSM) 具有紧凑的结构、较高转矩和质量比、较高转矩和惯量比、以及低转子损耗等优良特性，因而广泛应用在对快速性、精确性要求较高的领域。矢量方法主要是利用解耦使PMSM的数学模型转变成直流的电机来控制，但是这种控制方法性能对被控对象的模型具有较高的依赖性，由于PMSM调速系统有较好的时变，以及非线性、较强耦合这些特征，受外部负载扰动和参数变化影响较大,在实际的PMSM矢量控制中无法达到较高性能。需要进一步研究控制方法，以获得较高的控制精度，提高系统的鲁棒性。
自适应模糊滑模这种智能控制方法结合了滑模以及自适应模糊两种控制的优点，克服了各自的缺点，使用滑模能较好地解决不精确的模型以及扰动带来的一系列影响，自适应模糊控制可产生滑模态除去前者控制引起的抖振.以提高系统的鲁棒性，本项目主要研究自适应模糊滑模控制及其在永磁同步电机系统中的应用，目标是较显著地提升在电机系统内部参数变化及外界负载扰动下系统的鲁棒性能。利用李亚普诺夫函数进行控制器设计，采用Matlab/Simulink软件对自适应模糊滑模控制在实际永磁同步电机id=0模型上进行仿真，实验最终结果说明采用的这种控制方法改善了PMSM的动态特性，同时使系统具有较的的鲁棒性，提高了系统的稳定性能。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:永磁同步电机；自适应模糊滑模；李雅普诺夫；simulink仿真
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1永磁同步电机 1
1.1.1国内外永磁同步电机发展历史概述 1
1.1.2永磁同步电机的特点与分类 2
1.1.3永磁同步电机控制策略 2
1.1.4永磁同步电机控制问题 3
1.2电机调速发展概述 4
1.3本文的研究意义及主要工作 5
1.3.1本文的研究意义 5
1.3.2本文的主要内容 6
第2章 永磁同步电机的数学模型 8
2.1 永磁同步电机数学模型的建立 8
2.1.1 永磁同步电机的结构 8
2.1.2 轴系分析和矢量转换 9
2.1.3 永磁同步电机的数学模型建立 12
2.2永磁同步电机的矢量控制方法 15
2.3本章小结 16
第3章 自适应模糊滑模控制 17
3.1 滑模控制 17
3.1.1滑模控制思想 17
3.1.2 滑模变结构控制的基本原理 17
3.2 模糊控制 22
3.2.1模糊控制原理 22
3.3 模糊滑模控制 25
3.3.1 模糊滑模控制的基本原理 25
3.4 自适应模糊滑模控制 26
3.4.1 自适应模糊滑模控制概述 26
3.4.2 基于Lyapunov稳定性理论的自适应模糊滑模控制 26
第4章 永磁同步电机的自适应模糊滑模控制 28
4.1控制系统设计 28
4.1.1系统描述 28
4.1.2 自适应模糊滑模切换函数设计 29
4.1.3 控制器的设计 30
4.1.4 稳定性分析 31
4.2 系统的Matlab/Simulink仿真 33
4.2.1矢量PI控制 33
4.2.2自适应模糊滑模控制 34
4.3 本章小结 39
第5章 总结与展望 40
5.1总结 40
5.2未来工作的展望 40
参考文献 42
致 谢 45
附录 外文翻译 46
附录 中文翻译 57
第1章 绪论
本章介绍了永磁同步电机的起源、发展、应用，以及电机的调速发展历史，从而引出了针对永磁同步电机的控制问题，总结了本文的研究意义及工作内容。
1.1永磁同步电机
1.1.1国内外永磁同步电机发展历史概述
70年代之前，交流电动机被广泛使用在不调速和调速要求不高的生产机械上来进行电机拖动，并且其中异步电动机占绝大部分，少数为同步电动机。因为直流电机有优良的调速性能并且控制方式非常的简单，同时也含有很好起动以及制动的性能，很方便地在比较大的范围之内进行平滑地调速这些优点，所以在其广泛应用在市场存在的各种各样的伺服系统中。虽然有这么多优点，但因为它的结构很复杂，不易简单分析，生产使用成本较高，同时在实际操作中电机无法较好地对电刷和机械换向器的维护,可靠性较差，造成了直流电机的应用领域较为狭窄。和直流电机比起来，交流电机具备简单结构，坚固性较好，运行起来十分可靠,方便工人进行维修，因而，人们开始大量地研究交流调速技术，德国研究者者Blaschke在20世纪80年代年首次指出在交流的电机上实施基于矢量的控制，不考虑实际因素，可使电机对转矩进行优良控制。根据电机的转子产生磁场的定向继而形成矢量的控制系统，在分别进行良好地处理交流电机的磁链和电流基础上，还能成功对定子中的电流的励磁以及转矩的分量进行解耦；这样三相的交流电机就被近似成了直流电机，可以非常方便地进行控制。同时期，伴随着一些能控制导通和关断的快速电子器件的出现，如：大功率晶体管 (GTR)、功率场效应管(P -MOSFET)等，为该时期异步交流电机的大功率化、智能化发展创造了条件。
这几年来，日益进步的交流变频技术为同步电机的电源中存在的问题以及其起动困难、调速困难这些问题提供了解决条件，同步电机因此更广泛地应用于一下高要求的智能系统中，如机器人和数控机床等。其优越性也显著提升.,20世纪80年代以后，随着领域技术的不断进步，交流系统的数字化逐渐可利用高速单片数字信号处理器、专用集成电路芯片得以实现。同时，为了较好地提高交流电机的控制性能，逐渐在交流电机中使用了矢量控制、自适应控制及输入输出解耦控制等一些智能高效的控制算法。随着新方法的不断加入，为永磁同步电机的控制发展提供了更好的契机[1]。
1.1.2永磁同步电机的特点与分类
PMSM拥有较多品种，根据转子中永磁体各异的形状，有两种：一,表面式永磁同步电动机；另一类：内置式永磁同步电动机；定子中绕组产生的感应电势有正弦波形和梯形波；但是电流的换向时产生的转矩波纹无法被梯形永磁同步电机去除，使得驱动性能较差。方波电流永磁电动机的转矩脉动普遍高于正弦波永磁电动机。因此通常选用永磁同步电动机来进行控制。同时期，许多的创新技术、技术含量高的产业中主要采用较高的性能其中含稀土的电机。其联合电子以及微电子控制技术后，为创造优异的机电智能产品提供了条件，如家用电器、计算机等[1][4]。
永磁同步电机有以下几个特点[2]：
(1)没有转子铜损和铁损，摩擦损失、无收集器和刷，工作效率高；；
(2)较硬的机械特性，较好地承受因负载变化产生的转矩扰动；
(3)永磁体用在转子上，没有励磁，所以电机能在很低转速下同步运转，具有较宽的调速范围。
永磁同步电机的不足主要体现在[3]：
(1)转子励磁很难实现灵活控制；
(2)长期运行时定子绕组电枢反应可致使永磁体的退磁；
(3)永磁体产生的磁场的变化是由环境温度的变化而影响的；
(4)在同样容量情况下，同步电机比异步电动机贵。
1.1.3永磁同步电机控制策略
交流的伺服的系统中使用的控制方法一般是3类：
(1)传统的控制策略。比如PID反馈控制、解耦控制等这几类。PID控制算法由于配置几乎最优，广泛应用在交流伺服电机驱动系统中，同时也可以结合其它新型控制，实现了很多新的有效的控制策略。
(2)现代控制策略。如滑模变结构控制、自适应控制等。被控对象参数、非线性因素影响、外界干扰等这些不确定因素需在现代控制策略中考虑。
(3)智能控制策略。如神经网络控制等。因其对对象数学模型有零依赖以及不受各种不确定性因素干扰等优势，所以有较强的鲁棒性和稳定性[5]。
1.1.4永磁同步电机控制问题
因为电机有着较大的转矩惯量比和较高的气隙磁密和其他优点，在对精度要求高的容量不大的交流系统中扮演更加重要的角色。永磁同步电机由于其变量较多、较强耦合度等一些特点，使得为使电机有较好鲁棒性和稳定性的控制策略逐渐孕育而生，但这些策略主要根据线性设计模型得到无法保证其较好的鲁棒性。
为获得更好的控制效果，一些学者开始对永磁同步电机在速度环和位置环方向控制进行研究，从而逐渐发现滑模变控制能良好地处理时变和外界干扰因素，并且实现方式简单，逐渐运用到交流传动中，并有多项较好的研究成果[9][10],但是当系统的结构参数不确定时，很难直接获得等效控制律。N.Yang等人研究了基于最优控制来实现结构非线性振动控制，而最优控制需要精确的数学模型[11][12]，对于结构非线性这是很难做到的。Bani等研究者通过神经网络来控制基于非线性的结构的振动[13]，但它的不足的地方在于对初值的确定很随机，无法使专家的经验知识得到充分应用。F.Casciati等人研究出基于模糊控制算法的结构非线性控制[14]，但传统模糊控制无法达到自适应性，并且较依赖设计者根据对结构的动力特性有很全面的了解建立的模糊控制规则。上述问题由Wang J[15]和Akbarzadeh[16]通过研究得到了解决，他们提出基于控制系统的状态变量为输入，然后采用利用自适应的模糊系统来逼近两阶的系统，由此产生的等效的控制律的思想，但该方法用到三阶的系统，会使模糊的规则数成倍增加而无法较好实施控制，本文基于以切换函数及其变化率为输入变量[17][18][19]来设计自适应模糊系统，在控制方法设计中，由于抖振问题的存在，滑模控制无法广泛运用在领域中，为了改进其性能，很多学者提出了各种改进方法[20][21][22]。文献[22]通过自适应模糊滑模控制算法完成对来自于欠驱动平面机械手的位置输出进行较好控制，该研究表明，此算法有较强的鲁棒性和有效性。文献[23]其算法中的饱和函数 来替换了理想的滑模态符号函数 ]，加入线性化反馈方法来设计滑模的控制器，成功提高了系统鲁棒性。文献[24]将自适应模糊滑模控制用在速度频繁大幅度变化的场合中，并与使用了粒子群优化算法的PI控制器进行比较，证明了自适应模糊滑模方法能保证系统的稳定性。
1.2电机调速发展概述
二战末，人们提出了针对电机进行调速这一方法，当时主要用电机来驱动发电机，其调输出电压值主要是操作发电机中的励磁值来完成，所以可调节被驱动的电机的转速。
人们在晶闸管的出现后，通过利用晶闸管的导通时间来控制电压从而发明了可控整流技术。可控制晶体管导通和关断的全控型功率管（GTO，GTR）等的出现，使得开关频率得到了提高，首先很大的提高调速系统响应速度，同时解决了在低速情况下的电流断续问题。
与此同时，研究者又提出了变频技术，使得交流电机的调速成为可能，早期的电流型变频器可通过晶闸管实现。可是此变频器由于较大的电流变形，产生高谐波等缺点，所以无法得到更多的应用。全控型晶体管因其可以实现较好地调节正弦波的脉宽，而使变频器可更精确地近似于正弦波的电压。90年代后期，计算机的微型化和运算速度的提高，使高速计算成为现实，首先开创了基于空间矢量技术把电机的有效电压提高了15%的成果，后来又在此基础上，接连实现了矢量控制和直接转矩控制。因交流变频调速技术拥有明显节能效果以及广泛的使用用范围，而使运用在PMSM上的自适应模糊控制的研究被认为是一种最有前途交流调速方式，也是电气传动发展的主流方向的代表。
摘 要
永磁同步电机 (PMSM) 具有紧凑的结构、较高转矩和质量比、较高转矩和惯量比、以及低转子损耗等优良特性，因而广泛应用在对快速性、精确性要求较高的领域。矢量方法主要是利用解耦使PMSM的数学模型转变成直流的电机来控制，但是这种控制方法性能对被控对象的模型具有较高的依赖性，由于PMSM调速系统有较好的时变，以及非线性、较强耦合这些特征，受外部负载扰动和参数变化影响较大,在实际的PMSM矢量控制中无法达到较高性能。需要进一步研究控制方法，以获得较高的控制精度，提高系统的鲁棒性。
自适应模糊滑模这种智能控制方法结合了滑模以及自适应模糊两种控制的优点，克服了各自的缺点，使用滑模能较好地解决不精确的模型以及扰动带来的一系列影响，自适应模糊控制可产生滑模态除去前者控制引起的抖振.以提高系统的鲁棒性，本项目主要研究自适应模糊滑模控制及其在永磁同步电机系统中的应用，目标是较显著地提升在电机系统内部参数变化及外界负载扰动下系统的鲁棒性能。利用李亚普诺夫函数进行控制器设计，采用Matlab/Simulink软件对自适应模糊滑模控制在实际永磁同步电机id=0模型上进行仿真，实验最终结果说明采用的这种控制方法改善了PMSM的动态特性，同时使系统具有较的的鲁棒性，提高了系统的稳定性能。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:永磁同步电机；自适应模糊滑模；李雅普诺夫；simulink仿真
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1永磁同步电机 1
1.1.1国内外永磁同步电机发展历史概述 1
1.1.2永磁同步电机的特点与分类 2
1.1.3永磁同步电机控制策略 2
1.1.4永磁同步电机控制问题 3
1.2电机调速发展概述 4
1.3本文的研究意义及主要工作 5
1.3.1本文的研究意义 5
1.3.2本文的主要内容 6
第2章 永磁同步电机的数学模型 8
2.1 永磁同步电机数学模型的建立 8
2.1.1 永磁同步电机的结构 8
2.1.2 轴系分析和矢量转换 9
2.1.3 永磁同步电机的数学模型建立 12
2.2永磁同步电机的矢量控制方法 15
2.3本章小结 16
第3章 自适应模糊滑模控制 17
3.1 滑模控制 17
3.1.1滑模控制思想 17
3.1.2 滑模变结构控制的基本原理 17
3.2 模糊控制 22
3.2.1模糊控制原理 22
3.3 模糊滑模控制 25
3.3.1 模糊滑模控制的基本原理 25
3.4 自适应模糊滑模控制 26
3.4.1 自适应模糊滑模控制概述 26
3.4.2 基于Lyapunov稳定性理论的自适应模糊滑模控制 26
第4章 永磁同步电机的自适应模糊滑模控制 28
4.1控制系统设计 28
4.1.1系统描述 28
4.1.2 自适应模糊滑模切换函数设计 29
4.1.3 控制器的设计 30
4.1.4 稳定性分析 31
4.2 系统的Matlab/Simulink仿真 33
4.2.1矢量PI控制 33
4.2.2自适应模糊滑模控制 34
4.3 本章小结 39
第5章 总结与展望 40
5.1总结 40
5.2未来工作的展望 40
参考文献 42
致 谢 45
附录 外文翻译 46
附录 中文翻译 57
第1章 绪论
本章介绍了永磁同步电机的起源、发展、应用，以及电机的调速发展历史，从而引出了针对永磁同步电机的控制问题，总结了本文的研究意义及工作内容。
1.1永磁同步电机
1.1.1国内外永磁同步电机发展历史概述
70年代之前，交流电动机被广泛使用在不调速和调速要求不高的生产机械上来进行电机拖动，并且其中异步电动机占绝大部分，少数为同步电动机。因为直流电机有优良的调速性能并且控制方式非常的简单，同时也含有很好起动以及制动的性能，很方便地在比较大的范围之内进行平滑地调速这些优点，所以在其广泛应用在市场存在的各种各样的伺服系统中。虽然有这么多优点，但因为它的结构很复杂，不易简单分析，生产使用成本较高，同时在实际操作中电机无法较好地对电刷和机械换向器的维护,可靠性较差，造成了直流电机的应用领域较为狭窄。和直流电机比起来，交流电机具备简单结构，坚固性较好，运行起来十分可靠,方便工人进行维修，因而，人们开始大量地研究交流调速技术，德国研究者者Blaschke在20世纪80年代年首次指出在交流的电机上实施基于矢量的控制，不考虑实际因素，可使电机对转矩进行优良控制。根据电机的转子产生磁场的定向继而形成矢量的控制系统，在分别进行良好地处理交流电机的磁链和电流基础上，还能成功对定子中的电流的励磁以及转矩的分量进行解耦；这样三相的交流电机就被近似成了直流电机，可以非常方便地进行控制。同时期，伴随着一些能控制导通和关断的快速电子器件的出现，如：大功率晶体管 (GTR)、功率场效应管(P -MOSFET)等，为该时期异步交流电机的大功率化、智能化发展创造了条件。
这几年来，日益进步的交流变频技术为同步电机的电源中存在的问题以及其起动困难、调速困难这些问题提供了解决条件，同步电机因此更广泛地应用于一下高要求的智能系统中，如机器人和数控机床等。其优越性也显著提升.,20世纪80年代以后，随着领域技术的不断进步，交流系统的数字化逐渐可利用高速单片数字信号处理器、专用集成电路芯片得以实现。同时，为了较好地提高交流电机的控制性能，逐渐在交流电机中使用了矢量控制、自适应控制及输入输出解耦控制等一些智能高效的控制算法。随着新方法的不断加入，为永磁同步电机的控制发展提供了更好的契机[1]。
1.1.2永磁同步电机的特点与分类
PMSM拥有较多品种，根据转子中永磁体各异的形状，有两种：一,表面式永磁同步电动机；另一类：内置式永磁同步电动机；定子中绕组产生的感应电势有正弦波形和梯形波；但是电流的换向时产生的转矩波纹无法被梯形永磁同步电机去除，使得驱动性能较差。方波电流永磁电动机的转矩脉动普遍高于正弦波永磁电动机。因此通常选用永磁同步电动机来进行控制。同时期，许多的创新技术、技术含量高的产业中主要采用较高的性能其中含稀土的电机。其联合电子以及微电子控制技术后，为创造优异的机电智能产品提供了条件，如家用电器、计算机等[1][4]。
永磁同步电机有以下几个特点[2]：
(1)没有转子铜损和铁损，摩擦损失、无收集器和刷，工作效率高；；
(2)较硬的机械特性，较好地承受因负载变化产生的转矩扰动；
(3)永磁体用在转子上，没有励磁，所以电机能在很低转速下同步运转，具有较宽的调速范围。
永磁同步电机的不足主要体现在[3]：
(1)转子励磁很难实现灵活控制；
(2)长期运行时定子绕组电枢反应可致使永磁体的退磁；
(3)永磁体产生的磁场的变化是由环境温度的变化而影响的；
(4)在同样容量情况下，同步电机比异步电动机贵。
1.1.3永磁同步电机控制策略
交流的伺服的系统中使用的控制方法一般是3类：
(1)传统的控制策略。比如PID反馈控制、解耦控制等这几类。PID控制算法由于配置几乎最优，广泛应用在交流伺服电机驱动系统中，同时也可以结合其它新型控制，实现了很多新的有效的控制策略。
(2)现代控制策略。如滑模变结构控制、自适应控制等。被控对象参数、非线性因素影响、外界干扰等这些不确定因素需在现代控制策略中考虑。
(3)智能控制策略。如神经网络控制等。因其对对象数学模型有零依赖以及不受各种不确定性因素干扰等优势，所以有较强的鲁棒性和稳定性[5]。
1.1.4永磁同步电机控制问题
因为电机有着较大的转矩惯量比和较高的气隙磁密和其他优点，在对精度要求高的容量不大的交流系统中扮演更加重要的角色。永磁同步电机由于其变量较多、较强耦合度等一些特点，使得为使电机有较好鲁棒性和稳定性的控制策略逐渐孕育而生，但这些策略主要根据线性设计模型得到无法保证其较好的鲁棒性。
为获得更好的控制效果，一些学者开始对永磁同步电机在速度环和位置环方向控制进行研究，从而逐渐发现滑模变控制能良好地处理时变和外界干扰因素，并且实现方式简单，逐渐运用到交流传动中，并有多项较好的研究成果[9][10],但是当系统的结构参数不确定时，很难直接获得等效控制律。N.Yang等人研究了基于最优控制来实现结构非线性振动控制，而最优控制需要精确的数学模型[11][12]，对于结构非线性这是很难做到的。Bani等研究者通过神经网络来控制基于非线性的结构的振动[13]，但它的不足的地方在于对初值的确定很随机，无法使专家的经验知识得到充分应用。F.Casciati等人研究出基于模糊控制算法的结构非线性控制[14]，但传统模糊控制无法达到自适应性，并且较依赖设计者根据对结构的动力特性有很全面的了解建立的模糊控制规则。上述问题由Wang J[15]和Akbarzadeh[16]通过研究得到了解决，他们提出基于控制系统的状态变量为输入，然后采用利用自适应的模糊系统来逼近两阶的系统，由此产生的等效的控制律的思想，但该方法用到三阶的系统，会使模糊的规则数成倍增加而无法较好实施控制，本文基于以切换函数及其变化率为输入变量[17][18][19]来设计自适应模糊系统，在控制方法设计中，由于抖振问题的存在，滑模控制无法广泛运用在领域中，为了改进其性能，很多学者提出了各种改进方法[20][21][22]。文献[22]通过自适应模糊滑模控制算法完成对来自于欠驱动平面机械手的位置输出进行较好控制，该研究表明，此算法有较强的鲁棒性和有效性。文献[23]其算法中的饱和函数 来替换了理想的滑模态符号函数 ]，加入线性化反馈方法来设计滑模的控制器，成功提高了系统鲁棒性。文献[24]将自适应模糊滑模控制用在速度频繁大幅度变化的场合中，并与使用了粒子群优化算法的PI控制器进行比较，证明了自适应模糊滑模方法能保证系统的稳定性。
1.2电机调速发展概述
二战末，人们提出了针对电机进行调速这一方法，当时主要用电机来驱动发电机，其调输出电压值主要是操作发电机中的励磁值来完成，所以可调节被驱动的电机的转速。
人们在晶闸管的出现后，通过利用晶闸管的导通时间来控制电压从而发明了可控整流技术。可控制晶体管导通和关断的全控型功率管（GTO，GTR）等的出现，使得开关频率得到了提高，首先很大的提高调速系统响应速度，同时解决了在低速情况下的电流断续问题。
与此同时，研究者又提出了变频技术，使得交流电机的调速成为可能，早期的电流型变频器可通过晶闸管实现。可是此变频器由于较大的电流变形，产生高谐波等缺点，所以无法得到更多的应用。全控型晶体管因其可以实现较好地调节正弦波的脉宽，而使变频器可更精确地近似于正弦波的电压。90年代后期，计算机的微型化和运算速度的提高，使高速计算成为现实，首先开创了基于空间矢量技术把电机的有效电压提高了15%的成果，后来又在此基础上，接连实现了矢量控制和直接转矩控制。因交流变频调速技术拥有明显节能效果以及广泛的使用用范围，而使运用在PMSM上的自适应模糊控制的研究被认为是一种最有前途交流调速方式，也是电气传动发展的主流方向的代表。
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