高速永磁同步电机智能控制技术的仿真

第２８卷第８期文章编号：１００６—９３４８（２０１Ｉ）０８～０１７０—０３计算机仿真２０１１年８月高速永磁同步电机智能控制技术的仿真史延东，刘海清，宁飞，李靖（西北工业大学自动化学院。陕西西安７１０１２９）摘要：电机在高速运行的情况下，电机在调速过程中会出现超调及转速波动大等现象，特性与常规电机有很大的不同。针对系统稳定特性和实时响应特性应有较好的控制，传统的电机用的是ＰＩ控制，往往无法满足高性能控制的要求，为了克服了传统ＰＩ控制的一些缺点，并优化高速电机的性能，以高速永磁同步电机为研究对象，提出了采用滑模变结构控制和白适应模糊控制相结合的控制策略对高速电机的调速系统进行设计。方法结构简单。具有快速的动态响应和较高稳态精度。通过仿真试验，系统对负载和转动惯量的变化具有很强的鲁棒性，比传统的ＰＩ控制超调小，改善了稳定运行的性能，为设计提供了依据。关键词：高速电机；滑模变结构；矢最控制；模糊控制中圈分类号：ＴＰ２７３．４文献标识码：ＡＣｏｍｐｕｔｅｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒＨｉｇｈＳｐｅｅｄＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒＳＨＩＹａｎ—ｄｏｎｇ，ＵＵＨａｉ—ｑｉｎｇ，ＮＩＮＧＦｅｉ，ＬＩＪｉｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎＳｈａｎｘｉ７１０１２９，Ｃｈｉｎａ）ｉｓｖｅｒｙＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆｍｏｔｏｒｓａ弛ｑｕｉｔｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｏｍｔｈｅｃｏｍｍｏｎｍｏｔｏｒｗｈｅｎｔｈｅｓｐｅｅｄＰＩｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｔｈｅｓｐｅｅｄｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｏｔｏｒ．Ｔｈｅｇｅｓｈｉｓｈ．ａｄｊｕｓｔａｂｌｅｓｐｅｅｄｏｆｍｏｔｏｒｍｉｇｈｔｈａｓｔｈｅｄｉｓａｄｖａｎｔａ－ｏｆｏｖｅｒ—ｓｈｏｏｔ，ｕｎｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄＳＯｏｎ，ｗｈｉｃｈｃａｎｎｏｔｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｏｆｈＪｉｓｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ＴｏｏｖｅｒｃｏｍｅＳｏｍｅｄｅ－ａｓｆｅｃｔｓｏｆＰＩｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｍｏｔｏｒｓ，ｔａｋｉｎｇｔｈｅｈｉｓｈｓｐｅｅｄｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｍａｃｈｉｎｅｓｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅｆｕｚｚｙｓｌｉｄｉｎｇｖａｒｉａｂｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｉｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＰＭＳＭｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｉｓｓｉｍｐｌｅ，ｉｔａｌｓｏｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｓｔａｔｅａｎｐａｐｅｒ．Ｒｅｍｅｔｈｏｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｍｏｔｏｒａｎｄｈａｓｎｏｔｏｎｌｙｆａｓｔｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｂｕｔａｌｓｏｈｉｓｈｓｔｅａｄｙ—ｃａｎａｃｃｕｒａｎｃｙ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｒｏｔａｔｅｓｐｅｅｄｃｏｒｒｅｃｔｌｙ，ａｎｄｈａｓｓｔｒｏｎｇｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓｔｏｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｌｏａｄａｎｄｒｏｔａｔｉｏｎａｌｉｎｅｒｔｉａ．Ｔｈｅｏｖｅｒ—ｓｈｏｏｔｏｆｔｈｅＰＩｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄｔｈｅｆｌｕｃｔｕａ－ｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒｉｓｓｍａｌｌ．ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ＨｉＩｇ｝ｌｓｐｅｅｄｍｏｔｏｒ；Ｓｌｉｄｉｎｇｖａｒｉａｂｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；Ｖｅｃｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌ；Ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌ高科技领域获得广泛的应用，其最大特点是不依赖被控对象１引言国外对高速电机及相关技术的研究比较早，已经取得了很多的研究成果，而国内对高速电机的研究还不是很多，基本上限于功率较小的发电机或电动机。由于高速电机的高功率默读和高速，高频运行的特点，涉计到电力电子、电磁、计算机控制等多学科的前沿技术，因此随着军工和民用对高速电机的需求增加，高速电机已成为国内外研究的热点之一【ｌ】。模糊控制在近年来研究非常热，并在航空，航天，电力等收稿口期：２０１０一傩一１４修回日期：２０１０一０８－２３·－——１７０·－－——的精确数学模型，却能克服非线性因素影响，并且具有很强的鲁棒性旧Ｊ。滑模变结构控制已经形成比较完整的理论体系，广泛应用各种工业控制对象中。电机本来就是一个非线性系统，而滑模变结构控制是对非线性不确定系统的一种有效的综合方法，可以有效解决控制系统中的动态特性和有界扰动的问题ＨＪ。本文采用模糊控制和滑模变结构控制的智能控制方法，该方法结合了两种控制的优点，克服了传统ＰＩ控制出现的超调大，稳定精度不够等问题，对负载和转动惯量具有很强的鲁棒性，提高ｒ转速的稳定精度。万方数据２高速永磁同步电机数学模型由于高速永磁同步电动机具有多变量，非线性，强耦合等特点，因此为了对高速水磁同步电机进行有效的分析和控制，需要建立简便可行的高速永磁同步电机数学模型”１。由￡ｎ则”得嚣ｋ一％叫＝知．竹ｉ。一ｎ］（４）＝一∞争一３只：通常采用在转子坐标系下肘电机数学模型进行研究，转子坐标系ｄ轴位于转子磁链轴线卜，ｑ轴逆时针超前ｄ轴９０度空Ｊ刈电角度，该坐标系和转子一起在空间卜以转子角速度旋转．对于永磁同步电机，ｄ轴式转子磁极的轴线，如图１所示。丁了竹～滑模控制系统的运动由两部分组成”１：第一部分是系统在连续控制“＋（＊），ｓ（ｘ））０或ｕ一（ｚ），ｓ（ｚ）＜０时的趋近活动，其运动轨迹在切换平面以外或者部分穿过切换面；第二部分是系统在切换面附近并且沿切换面ｓ（ｚ）＝０的滑模运动。为了改善运动品质，在广义滑模的条件下，采用等速趋近率的控制模式．其形式如下：ｊ＝一８ｓｇｎ（ｓ），ｓ＞０（５）该趋近律非常简单．而且容易实现。由式（３）．式（４），式（５）得ｉｑ２蒜Ｊ㈦：“８９ｎ（ｏ）ｄ‘，，，其优点是在远离切换面时，运动点趋向切换面的速度大，具有快速的动态响应的特点，在切换面附近时其速度基本为图ｌ永磁同步电机转于ｏｄｑ坐标系位置零，有很好的防抖振效果。滑模控制的系统稳定条件”ｏ是：在转子坐标系下，假设磁路不饱和，不考虑谐波的影响．永磁同步电机的定子电压方程为：ｌｉｍｓｉ＜０对于等速趋近律ｓｌ＝一ｓｅｓｇｎ（ｓ），当ｓ＞０，ｓｉ＜０；当ｓ（０，ｓｉ＜０所以满足滑模控制系统稳定性条件。当系统在高速运动状态在空问的任意位置时，能在有限的时间内，达到切换面并沿切换面运动，即保证了系统的可达性。４‰：警一州，帆‘‰２—ｉ一山ｒ峨＋＾ｏｒ警Ⅵ钆＋Ｒ，ｉｑ磁链方程：≯ｄ＝Ｌａｉｄ＋机自适应模糊控制器的设计自适应模糊控制算法公式”１为ｆｋｐ＝ｋｐ＋Ａｋｐ儿＝Ｌｑｉ＿电磁转矩方程：ｔ．＝÷ｐ。（机ｉ，一儿ｉ。）式，ｔｌｉｋ。：＆．＋Ａ＆．ｔ，ｋ：是整定好的ＰＩ参数。自适应模糊控制器的输人为Ｅ和ＥＣ，输出为△＾。和△＾．。（１）：寻ｐ。［竹ｉ。＋（ｏ—Ｌｑ）ｊ。～］令￡。＝‘则Ｌ＝可３．ｔＯｚｉ，论域模糊嗣集均为：｛ＮＭ．ＮＳ，ＺＥ．丹，ＰＭ｝（２）Ｅ的论域为：｛一５，一４，一３，一２，一１，０，１，２，３，４，５）ＥＣ的论域为：ｆ一１，０，１）其中，“：电压；ｉ：电流；廿：磁链；Ｌ：转子坐标系上的等效电枢电感；尺，：定子绕组的电阻；以：水磁体产生的磁链Ｊ：转动惯Ａｋｖ的论域为：｛０，１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０）△＾．的论域为：ｆｏ，１）最；ｎ：转子机械角速度；Ｒｎ：阻力系数；乙：输出电磁转矩；Ｌ：负载转矩；几：极对数。Ｅ．ＥＣ．△々。和△％．的隶属函数如图２一罔５所示。３滑模观测器的设计设状态变量ｆｘ２得５‘２∞一山则设计切换函数。：“．＋２０１Ｌ０２２一∞｝．魔｜田２ｉ＝ｃｉｌ＋；２＝“２＋ｉ２（３）Ｅ的隶一函数１７１一万方数据Ｅ，ＥＣ和△Ｅ。，△＾。服从高斯分布，当偏差Ｅ较大时，能够提高系统的快速响应速度，肖ＥＣ减小时，提高系统阻尼特性，减小响应过程的超调。舣锯辑个隶属度赋值表和各参数模糊控制模型．矗出修正参数△＾。，Ａ＾．可以得到ｋ。和ｋ．。通过修正的尸，控制器参数ｋ。和☆．可以保证电机在不同的运行状态下都能具有良好的动、静态性能，具有一定的鲁棒性，能够满足一般的生产过程的要求。ＥＣ的隶属茧数图３５仿真研究永碰同步电机数学模型经过坐标变换后…ｉｉ。之间存在着耦合。如果要获得永磁同步电机良好的动态和静态性能，就必须解决Ｌｄ，ｉ。电流的解耦问题”ｏ。由式（１）可知，如果拄制ｉ。＝ｏ．则电磁转矩７■＝—知。札ｉ。，就町以是通过单独调节ｉ。实现转矩的线性化控制，完成ｉ。，ｉ。解耦。采用ｉ。＝０策略的永磁同步电机矢最控制系统的原理图４△ｋ。的隶属函数图”３如图６所示。囤ｓＡｋ。的隶属函数图６高速来磁同步电机矢量控制系统以下给出模糊Ａｋ，，Ａｋ。的规则表。寰１Ａｋ。的模糊规则表根据上述分析研究可构建基于滑模变结构和模糊控制的速度换调节器模型如图７所求。｝图７速度调节器仿真框图对于速度调节器的模型，没置切换阈值为‘，当Ｉ“『＞Ｌ时，采用自适应模糊Ｐ，控制；当“ｒ＜Ｌ时，采用滑模变结构控制。仿真过程中自适应模糊控制切换到滑模变结构挡制要选择适当的阈值．如果阈值太大，系统的切换得才：到及时响应，太小系统有可能出现振荡，从而达不到控制的目的，因此阈值的确定要根据具体的对象和控制要求来确定。仿真时间００６ｓ，给定电机１３０００转／分．观察电机的启动过程，转速波形如图８所示。（下转第３４１页）万方数据２竹畦田．球１日“．段进叭磁流壁液离台器Ｊｊ’＃特性的研究。Ｊ。矿ＩＩｌ机械，２００５，３３（１１）８０—８２６结束语磁流变液离合器垃一种新刷的离台器，』｜『ｍ仍处丁＿｝ｌｌ！沧研究阶段，迁没札投入实川小义门－分析磁流变敞及ＪＣ所Ⅵ传力｜｜｛ｌ式曲Ｊ点硎｛Ｊ：，缱、Ｚｒ…艘俐磁流变液离合器ｆ０递力锢！幔Ｊ魁，世讣ｊ’适几ｉｉ小Ｊ鲤｝７ｔ乍他川似１川㈣槐’鼬磁流坐液离俞器。Ｊｆ坫卜饮糊控制．４：Ｓｊｍｕｌｉｎｋ环境内仿ｒＬｒ汽１一起步¨寸磁漉变液离合｛｝｛｝接｛÷的过样，绱粜我ｌＪＪｊ磁流变液离合器完＿Ｊ｝＝能够满足小制ｆ’ｔ午传动系统的，ＰＩ－能要求“１然整个仿真是４３。郭崇＆．特贤芳ⅡｌＩ胜＿［１＝磁ｆｌ；（坐被离ｆｒ器的订限厄｝｝析［ＪＪ机球’ｏ液ｍ．２００９．３７（７）：９３９８畅诞荣．ｔｐ咎嘶，Ｉ】田嘲简式磁流变制动器的删沧设汁々分析［Ｊｊ机电Ｉ．Ｂ墩术．２００５，３４（１０）：ｔ５—１８５Ｊｚｘ¨．ＰｌｏｍｍｏｕＡｄａｐｔｉｖｅｔｈｒｏｌｄｅｃｏｎｔｒｏｌｎ”ｓｐｅｅｄｔｒａｃｋｉｎｇ【Ｊ］ＶｅｈｉｃｌｅＳｙｓｔｅｍＤｖｎａｒｎｉＩ－Ｈ．１９９４．２３ｆ４）：２９３—３０５［作者简介］蒋科军ｆ１９７８一），Ｗ（议旗），ｊＩＩ＝苏卅阳人．井螂．土处于拍二一定简化条件下的．实№ｉ情况婴比州沦研究复杂，距离实Ｊ｛｛还有一定岿漓，参考文献：［１．潘仃治，中Ｉｉ良．扬绍挎磁流业｝ｆ｜【风埔离合群的吐汁。ｏ试验研究【ＪＪｆ７‘乍Ｉ。程，２０（１５．２７（２）１９５Ｌ９９Ａ厶参考文献：［１Ｊ豆研究＾Ⅲ为汽１底艟控制技术刘成哗（１９６６一）．粥（汉族），汀掉盐城＾．博ｈ剐教授．研究＾Ⅲ为汽乍现ｆ℃设计理论勺山法上接第１７２页手¨单纯的使』玎模糊榨制啊Ｉ比，能够提离转述精度，有效延长电机的使川拜命．试验表明将州种拄制方法卡丌结合应川到电机的调速系统－ｐ，提高ｒ系统迂』皿外邸小确定性ｒ扰的能力，减小ｒ趟ｉ｜爿，歧薄ｒ动态特性。下风翔商逑电机的改计特点驶棚咒技术研究ｌＪＪ沈ｍｆ．业＾学学撤，２００６２５８—２６４［２．图８转速馥形图喷ｊ、耀．曾斜刚丛Ｊ‘模糊挡制的卣流电机稠建系统ＭＡＴＬＡＢ仿真ｌＪｌ电机ｉＵ器技求，２００２２—５［３。事忠ｆ！：ｆＪ，张堪杰州步电机删速系统【Ｍ］北求：机械丁、ｍ山系统Ｊ＾动矗１戴７ｒ，＝ＩＮ．ｍ，“｛系统运｛ｒ纠００４ｓ时，增加负载转奸ｉ’Ｌ＝５Ｎ－ｍ，仿＾波形耍¨Ｈ９所示．版钆．】９９８４ｌ李展，乍颖晖，Ｆ秸牡Ｊ滑模脱测器的永磁ｆ｜ｉ｜步电机灭址控制ｆＪＪ微计算机作ｉ息．２００８．（１１一Ｉ）：５５—５６５。汪海波．削波，打斯琛水磁同步电机调速系统的滑模控制『ＪＩＵｊ：技术’＃撤，２００９７ｌ７７６］弥永向．胡建辉，郜继斌，姚郁高速永磁同步电动机令数宁化欠Ｉ＃挖制研究［Ｊｊ微ｆ乜机，２００７．（４０—７）：７—９７ｊ曹先从．束建光．脚任远肇Ｆ模糊冲经州络的求磁同步电机矢精控制系统［ＪＪ中『目ｆＵ机『一程学撤．２００６１３７—１４１［作者简介］图９负载转矩波形囤史延东（】９６１一）．爿（汉族），陕西盯崔人．驯教授，从图８和图９可以石…，、＿电机片｛动和突加负戴叫，浚系统能够快速的训市，转述波形Ｊｉｆｆ嗣ｆｆ：常小，具柏＂ＩＦ常虾的动态ｒｆ拥ｌ诉棒什。６Ｃ：＿－研究巾导帅．ｊ．要研究领域为人工钾能．航守电源变换技术、现代电山ＩＵ严技术，电。Ｌ铡试技术刘海清（１９８３一），＊（汝旗），【ＩＩ尔烟台人，硕ｔ研究乍，丰蟹研究领域：模式“：别１Ｊ钾能系统宁飞（１９７０一）．男（汉族）．陕阿西安＾讲帅，Ｌ婴从‘Ｈ现代ｆＵ力结论小义提ｊ｜｛ｒ将晰模坐结构栉！制神Ｊｎ迅膻模糊拄制相结ｌｕｆ技术，牲制删沧与膻川＾ｍ肿研充李靖（１９８４一），见（救旌）．陕阿市鹏人坝Ｌ研究牛，｝：嘤研究领域：ｌｕ力ｆｕ广‘ｊｔｕ，』ｆ●动台的控制策略肮川到ｆ晦述水磁川步电机州速系统的』Ｊ法，泼身法｜ｌＪＪ时吸收九Ｗ种＾法的优点，１ｊ传统的渐榄变结杜Ｊ控制３４】一万方数据高速永磁同步电机智能控制技术的仿真

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

史延东， 刘海清， 宁飞， 李靖， SHI Yan-dong， LIU Hai-qing， NING Fei， LI Jing西北工业大学自动化学院,陕西西安,710129计算机仿真

Computer Simulation2011,28(8)2次

1.王凤翔 高述电机的设计特点及相关技术研究 2006

2.贾东耀;曾智刚 基于模糊控制的直流电机调速系统MATLAB仿真[期刊论文]-电机电器技术 2002(5)3.李志明;张遇杰 同步电机调速系统 1998

4.李辰;李颖晖;王磊 基于滑模观测器的永磁同步电机矢量控制[期刊论文]-微计算机信息 2008(11-1)5.汪海波;周波;方斯琛 水磁同步电机调速系统的滑模控制 2009

6.徐永向;胡建辉;邹继斌;姚郁 高速永磁同步电动机全数字化矢量控制研究[期刊论文]-微电机 2007(40-7)7.曹先庆;朱建光;唐任远 基于模糊神经网络的永磁同步电机矢量控制系统[期刊论文]-中国电机工程学报 2006(1)

1.龚贤武.徐淑芬.张丽君.汪贵平 永磁同步电机模糊自适应补偿速度控制系统[期刊论文]-计算机仿真 2014(1)2.邹宇.向凤红.王剑平.张果.王刚 交流电机控制策略研究进展[期刊论文]-电机与控制应用 2013(3)

引用本文格式：史延东.刘海清.宁飞.李靖.SHI Yan-dong.LIU Hai-qing.NING Fei.LI Jing 高速永磁同步电机智能控制技术的仿真[期刊论文]-计算机仿真 2011(8)