基于嵌入式系統(tǒng)的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)綜述

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述題目: 基于嵌入式系統(tǒng)的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 基于嵌入式系統(tǒng)的永磁同步伺服電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：本文首先介紹了同步電機(jī)的概述，發(fā)展現(xiàn)狀，工作原理和伺服系統(tǒng)的模型。然后介紹了矢量控制的基本思想和基本原理。本文重點(diǎn)分析了變結(jié)構(gòu)滑?？刂葡到y(tǒng)，包括滑模面的研究，以及趨近律的設(shè)計(jì)。最后簡(jiǎn)單提了下永磁同步電機(jī)的發(fā)展前景。關(guān)鍵字：同步電機(jī)，矢量控制，滑?？刂疲兘Y(jié)構(gòu)。1 永磁同步電機(jī)簡(jiǎn)介1.1 永磁同步伺服電機(jī)概述同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是由定子電流交變頻率和極對(duì)數(shù)決定的1。在電勵(lì)磁的同步電動(dòng)機(jī)中，允許電動(dòng)機(jī)在任何功率因數(shù)下工作。自控式調(diào)頻方法從根本上解決了振蕩、失步問(wèn)題。因此，

2、同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣闊，在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域里占有相當(dāng)大的比重。隨著電機(jī)制造與控制技術(shù)的飛速發(fā)展，加之大規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體功率器件和微處理器技術(shù)的進(jìn)步，伺服技術(shù)作為自動(dòng)化的基礎(chǔ)技術(shù)，有了革命性的進(jìn)步。再加上永磁鐵的加入，使得電機(jī)的效率更高，體積更小，永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)是用永磁體取代繞線式同步電機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁繞組，從而省去了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)和電刷。因此永磁伺服電機(jī)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。20世紀(jì)80年代以來(lái)，具有高磁能積（br1t,hc80ka/m）、價(jià)格低廉的釹鐵硼（ndfeb）永磁材料的出現(xiàn)，使永磁同步電動(dòng)機(jī)得到了很大的發(fā)展，世界各國(guó)（ 以德國(guó)和日本為首）掀起了一股研制和生產(chǎn)永磁同

3、步電動(dòng)機(jī)及其伺服控制器的熱潮,尤其在數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人等小功率的應(yīng)用場(chǎng)合，永磁同步伺服電機(jī)是主要發(fā)展趨勢(shì)。 1.2永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀最早對(duì)永磁同步電機(jī)的研究主要集中在固定頻率供電的永磁同步電機(jī)運(yùn)行特性方面，尤其是對(duì)穩(wěn)態(tài)特性和直接起動(dòng)性能方面的研究。從80年代開(kāi)始，國(guó)外開(kāi)始對(duì)逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究。逆變器供電的永磁同步電機(jī)與直接起動(dòng)的永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同，但在大多數(shù)情況下無(wú)阻尼繞組。無(wú)阻尼繞組可以防止永磁材料溫度上升，使電機(jī)力矩慣量比上升，電機(jī)脈動(dòng)力矩降低等優(yōu)點(diǎn)。在逆變器供電情況下，永磁同步電機(jī)的原有特性將會(huì)受到影響，其穩(wěn)態(tài)特性和暫態(tài)特性與恒定頻率下的永磁同

4、步電機(jī)相比有不同的特點(diǎn)。gi乙slemon等人針對(duì)調(diào)速系統(tǒng)快速動(dòng)態(tài)性能和高效率的要求，提出了現(xiàn)代永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出了高效率、高力矩慣量比、高能量密度的永磁同步電動(dòng)機(jī)，使永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)性能得到了提高。dnuanin等研制了一種永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)，采用16位單片機(jī)8097作為控制器，實(shí)現(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的全數(shù)字控制。永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制器大多采用比例積分(n)控制。n控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能良好，對(duì)被控制對(duì)象參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點(diǎn)。自適應(yīng)控制技術(shù)能夠改善控制對(duì)象和運(yùn)行條件發(fā)生變化時(shí)控制系統(tǒng)的性能。nmatsui，jh1ang等人將自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用于永磁同

5、步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自適應(yīng)控制技術(shù)能夠使調(diào)速系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)保持良好的性能。通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化進(jìn)行在線辨識(shí)，并運(yùn)用辨識(shí)的參數(shù)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制，也能夠提高控制系統(tǒng)的魯棒性。bkbose等人一直致力于人工智能技術(shù)在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用，并取得了很好的研究成果。與此同時(shí)，國(guó)外一些著名的公司，如日本的fanuc、安川、富士通、松下，美國(guó)的ab公司、科爾摩根公司，德國(guó)的西門子公司，法國(guó)的bbc公司、韓國(guó)三星公司等不斷推出交流伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。隨著dsp技術(shù)的飛速發(fā)展，永磁同步伺服系統(tǒng)的數(shù)字化正在快速地進(jìn)行著。天津大學(xué)、華中科技大學(xué)、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)等研究了單片機(jī)或dsp構(gòu)成的全數(shù)字

6、交流伺服系統(tǒng)，采用預(yù)測(cè)控制和空間矢量控制技術(shù)，改善電流控制性能和系統(tǒng)響應(yīng)精度，并開(kāi)發(fā)了數(shù)字伺服系統(tǒng)。數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用，不僅使系統(tǒng)獲得高精度、高可靠性，還為新型控制理論和方法的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。1.2 永磁同步電機(jī)工作原理當(dāng)永磁同步電機(jī)通入由三相逆變器經(jīng)脈寬調(diào)制獲得的正弦交流電源后，電機(jī)的定子繞組會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它與轉(zhuǎn)子永磁體磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相作用，產(chǎn)生一個(gè)與定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向一致的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩克服了轉(zhuǎn)子本身的慣量和由永磁體磁鋼所產(chǎn)生的阻尼轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)就開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，并且不斷加速，直至定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子永磁體磁鋼一起同步運(yùn)行。為了獲得最大轉(zhuǎn)矩，輸入到三相繞組的正弦波電壓必,須使得定

7、子磁通和轉(zhuǎn)子磁通的夾角接近90。為此，必須通過(guò)合適的電子控制來(lái)使得電機(jī)能夠正常運(yùn)行，而其中最重要的是獲得轉(zhuǎn)子的位置，轉(zhuǎn)子的位置可以通過(guò)位置傳感器來(lái)獲得，也可以通過(guò)無(wú)傳感器控制算法計(jì)算來(lái)獲得。1.3 永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 圖1 永磁同步伺服系統(tǒng)其基本工作原理是通過(guò)轉(zhuǎn)子位置傳感器獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)和定子電流傳感器獲得的三相電流值后，送人到主控單元，控制器通過(guò)某種控制算法，并與系統(tǒng)給定信號(hào)進(jìn)行比較，從而得到逆變器的六路pwm信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的自同步運(yùn)行。 通過(guò)對(duì)伺服系統(tǒng)第分析，可以用matlab進(jìn)行仿真2-3，并進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)仿真第結(jié)果，可以方便

8、得修改系統(tǒng)參數(shù)，或者認(rèn)為第加入不同擾動(dòng)因素來(lái)考察不同實(shí)驗(yàn)條件下電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)，靜態(tài)性能，或者模擬相同的實(shí)驗(yàn)條件，比較不同控制策略的優(yōu)劣，為分析和設(shè)計(jì)交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)提供了有效地手段和工具，也為實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了新的思路。2 永磁同步電機(jī)矢量控制矢量控制的基本思想4-5是在普通的三相交流電動(dòng)機(jī)上設(shè)法模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律。按磁場(chǎng)定向坐標(biāo)，將電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量 ，并使兩分量互相垂直，彼此獨(dú)立，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。從原理和特性上就和直流電動(dòng)機(jī)相似了。矢量控制的目的是為了改善轉(zhuǎn)矩控制性能而最終仍然是對(duì)定子電流的控

9、制。由于在定子側(cè)的各物理量，如電壓、電流、電動(dòng)勢(shì)、磁動(dòng)勢(shì)都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)和控制都不容易。因此需要借助于坐標(biāo)變換，使各物理量從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，這時(shí)各空間矢量就都變成了直流量。電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量id和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量iq， 如圖2所示，這樣轉(zhuǎn)矩和被控量定子電流之間的關(guān)系就一目了然。 圖2. 轉(zhuǎn)矩和被控量定子電流之間的關(guān)系永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)由四部分組成：1位置、速度檢測(cè)模塊；2速度環(huán)，電流環(huán)pi控制器；3坐標(biāo)變換模塊；4svpwm模塊和逆變模塊?？刂七^(guò)程為：速度給定信號(hào)指令與檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子速度相比較，經(jīng)速度控制器的調(diào)節(jié)，輸

10、出i指令信號(hào)(電流控制器得給定信號(hào))。同時(shí)，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后，定子反饋的三相電流變?yōu)閕d ，iq ，通過(guò)電流控制器使：id=0，iq 與給定的iq相比較后，經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器的輸出為d，q軸的電壓，經(jīng)park逆變換后為、電壓。通過(guò)svpwm模塊輸出六路pwm驅(qū)動(dòng)igbt產(chǎn)生可變頻率和幅值的三相正弦電流輸入電機(jī)定子。3 變結(jié)構(gòu)滑模控制系統(tǒng)3.1變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)概述在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，魯棒性是人們?nèi)找嬷匾暤囊粋€(gè)指標(biāo)。所謂魯棒性, 是指控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型中所包含的不確定性的允許程度。對(duì)大多數(shù)實(shí)際系統(tǒng)來(lái)說(shuō), 由于非線性的影響, 數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化程度和模型的某些物理性質(zhì)的不確定性, 使得人們不可能獲得所希望的十分

11、精確的模型, 因此, 魯棒性就成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)的一個(gè)重要條件?；谧兘Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)理論的滑模控制, 有實(shí)現(xiàn)魯棒控制的方法和條件。因?yàn)樽兘Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)是一個(gè)參數(shù)切換型的反饋控制系統(tǒng), 它與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的最大區(qū)別就在于系統(tǒng)是在所選定的狀態(tài)空間的超平面的兩側(cè), 在瞬變過(guò)程中以跳躍的方式有目的地改變控制的結(jié)構(gòu), 從而產(chǎn)生滑模動(dòng)作, 到達(dá)原點(diǎn)。由于滑模運(yùn)動(dòng)被約束在超平面內(nèi), 因此系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)對(duì)模型參數(shù)的變化、非線性和外擾噪聲是不敏感的, 可以有很強(qiáng)的魯棒性, 同時(shí)還帶來(lái)了系統(tǒng)的響應(yīng)快、物理上實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。因此，滑模變結(jié)構(gòu)獲得了廣泛的應(yīng)用，比如導(dǎo)彈控制6，電動(dòng)舵機(jī)控制7，機(jī)器人控制810，無(wú)人機(jī)11等。變結(jié)構(gòu)滑?？刂?/p>

12、的設(shè)計(jì), 可以歸納為三個(gè)基本問(wèn)題：（1）正確選擇滑模超平面；（2）尋求滑模運(yùn)動(dòng)的存在條件和達(dá)到條件；（3）分析滑模運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對(duì)于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)12-13, 變結(jié)構(gòu)控制已取得了很大的進(jìn)展。而隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用, 21 世紀(jì)的控制系統(tǒng)大多數(shù)已經(jīng)使用離散系統(tǒng)了。因此, 對(duì)離散系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制研究已經(jīng)成為滑模變結(jié)構(gòu)控制的一個(gè)重要方向，并具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)于離散系統(tǒng),其滑模變結(jié)構(gòu)控制不能像連續(xù)系統(tǒng)那樣產(chǎn)生理想的滑動(dòng)模態(tài), 而只能產(chǎn)生準(zhǔn)滑?？刂?4。因此連續(xù)滑?？刂频幕５竭_(dá)條件無(wú)法適用于離散系統(tǒng)。3.2 滑模面研究滑模變結(jié)構(gòu)控制通常要求具有理想的滑動(dòng)模態(tài)、良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和較高的

13、魯棒性, 這些性能可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)幕Ｃ鎭?lái)實(shí)現(xiàn)。(1)線性滑模面15線性滑模面的滑模控制將系統(tǒng)的滑模運(yùn)動(dòng)分成趨近和滑模兩個(gè)階段。系統(tǒng)從任意初始狀態(tài)趨向切換面, 直至到達(dá)切換面叫作趨近階段。而系統(tǒng)在滑模面上的運(yùn)行過(guò)程稱為滑模階段。系統(tǒng)到達(dá)滑模階段后, 跟蹤誤差漸進(jìn)地收斂到零。線性滑模面適用于速度和精度要求不是非常高的非線性系統(tǒng), 例如一些簡(jiǎn)單的電機(jī)伺服控制性系統(tǒng)。(2)非線性滑模面為了使控制系統(tǒng)獲得更好的性能, 出現(xiàn)了各種非線性滑模面。終端滑?？刂?由于終端滑模控制器可以加速平衡點(diǎn)附近的收斂速度16，所以在控制精度要求高的場(chǎng)合非常有用，比如機(jī)器人17的控制。積分滑?？刂?積分滑模控制18就是在

14、線性滑模面中增加狀態(tài)變量的積分項(xiàng), 由于滑模面中含狀態(tài)變量的積分, 因此可消弱抖振、減小穩(wěn)態(tài)誤差。時(shí)變滑?？刂?時(shí)變滑模面19可隨系統(tǒng)的狀態(tài)或時(shí)間改變而改變, 使系統(tǒng)始終運(yùn)行在滑模狀態(tài), 從而消除趨近階段、提高系統(tǒng)的魯棒性。連續(xù)二階滑模 連續(xù)二階滑模能夠很好地消除變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)中的抖振現(xiàn)象，有充分的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，因此在消除抖振研究中具有很好的前景以及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值20。3 滑模趨近律 在滑模存在的前提下，趨近律可以反應(yīng)出狀態(tài)是如何到達(dá)滑模面的，這種趨近律的一般形式為： （7）隨著f ( s) 的不同, 可以有各種形式的趨近律,常用的有等速趨近律、指數(shù)趨近律21、冪次趨近律22等，和一系列的改進(jìn)

15、方案2329?；Ｚ吔砂亚蠼饣Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制從求解不等式問(wèn)題化為求解代數(shù)方程問(wèn)題, 使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。通過(guò)選擇不同的趨近律可以得到不同的動(dòng)態(tài)品質(zhì)特性, 并且可以消弱甚至消除抖振，這對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。4 永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展前景30伺服系統(tǒng)在經(jīng)歷了步進(jìn)電機(jī)伺服和直流電機(jī)伺服發(fā)展階段之后。現(xiàn)在已進(jìn)入了交流伺服迅猛發(fā)展的時(shí)代。而對(duì)于伺服系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的功率范圍，稀土永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比為其它電力磁電機(jī)的兩倍左右，并且低速控制性能優(yōu)異。因此，永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的研究愈益受到人們的重視。同其它伺服系統(tǒng)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)在性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有其獨(dú)特之處。隨著電力電子技術(shù)、微電子

16、技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，已將電力電子器件、控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)等集為一體，為機(jī)電一體化開(kāi)辟了廣闊的前景。隨著功能強(qiáng)大的數(shù)字處理芯片(dsp)的出現(xiàn)，使運(yùn)算速度呈幾何級(jí)數(shù)上升，達(dá)到了伺服環(huán)路高速實(shí)時(shí)控制的要求。電力電子技術(shù)和現(xiàn)代交流電機(jī)控制理論的發(fā)展，永磁電機(jī)性價(jià)比的不斷提高，將包括電流環(huán)在內(nèi)的所有核心控制環(huán)節(jié)全部數(shù)字化的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)已成為伺服最有前景的發(fā)展方向。此外，各種現(xiàn)代控制技術(shù)，如自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、魯棒控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等已深入到傳統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，這都為伺服系統(tǒng)帶來(lái)巨大的發(fā)展?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，永磁同步電動(dòng)機(jī)己在從小到大，從一般控制驅(qū)動(dòng)到高精度的伺服驅(qū)動(dòng)，從人們?nèi)粘Ｉ?/p>

17、活到各種高精尖的科技領(lǐng)域作為最主要的驅(qū)動(dòng)電機(jī)出現(xiàn)，而且前景會(huì)越來(lái)越明顯。參考文獻(xiàn)1暨綿浩. 永磁同步電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)綜述和展望j. 微特電機(jī),2007,(03):49-52.2李三東，薛花，紀(jì)志成. 基于matlab永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真建模j.江南大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，3(02):115-121.3張樹(shù)團(tuán),李偉林,魯芳,張海鷹.永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速系統(tǒng)建模及仿真研究.船電技術(shù)應(yīng)用研究.2010,6(30):14-17,22.4鄧干銘. 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真j.龍巖學(xué)院學(xué)報(bào)，2010,28(05):28-31.5王興貴，孫宗宇，王言徐. 基于模糊控制的永磁同步直線電機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究j

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