滑?？刂朴来磐诫姍C調速系統(tǒng)

1、<p>　　天津職業(yè)技術師范大學</p><p>　　Tianjin University of Technology and Education</p><p><b>　　畢 業(yè) 設 計</b></p><p>　　專 業(yè)： 自動化 </p><p>　　班級學號：

2、自0902-11 </p><p>　　學生姓名： 林建平 </p><p>　　指導教師： 韓春曉 教授 </p><p><b>　　二〇壹叁年六月</b></p><p>　　天津職業(yè)技術師范大學本科生畢業(yè)設計</p><p>　　滑?？刂朴来磐诫妱訖C調速系

3、統(tǒng)</p><p>　　Sliding Mode Control for PMSM Drive System </p><p>　　專業(yè)班級：自0902</p><p><b>　　學生姓名：林建平</b></p><p>　　指導教師：韓春曉 教授</p><p>　　學 院：自動化學院&

4、lt;/p><p><b>　　2013年 6月</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　對于轉子直流勵磁的同步電動機，若采用永磁體取代其轉子直流繞組則相應的同步電動機就成為永磁同步電動機。而永磁同步電動機具有結構簡單，體積小、重量輕、損耗小、效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點，主要用于要求響應快速

5、、調速范圍寬、定位準確的高性能伺服傳動系統(tǒng)和直流電機的更新替代電機。由于永磁同步電動機對內部振動很敏感，所以引入了滑模變結構控制控制策略（SMC）以提高系統(tǒng)的魯棒性。本文給出了一種變參數(shù)SMC方法，對SMC控制器進行設計并對其仿真和實驗研究，該方案設計的SMC控制器表達式和PI控制一樣簡單，結果證明所設計的SMC控制器能有效的提高系統(tǒng)的魯棒性和動態(tài)性。</p><p>　　關鍵詞：PI控制；永磁同步電動機；SMC

6、控制；魯棒性</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　For synchronous motor rotor DC excitation, synchronous motor with permanent magnet rotor if replaced the DC winding corresponding becomes the

7、 permanent magnet synchronous motor. The permanent magnet synchronous motor has the advantages of simple structure, small volume, light weight, low loss, high efficiency, high power factor, advantages, mainly for fast re

8、sponse, wide speed range, accurate positioning and high performance servo drive system and DC substitute motor. Permanent magnet synchronou</p><p>　　Key Words：PI control, Permanent magnet synchronous ,Slidin

9、g mode control, Robustness</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　1.1永磁同步電動機的發(fā)展概況和發(fā)展前景…………………………………….1</p><p>　　1.2永磁同步電機控制系統(tǒng)的發(fā)展

10、歷程1</p><p>　　1.3滑?？刂朴来磐诫妱訖C的概述2</p><p>　　2永磁同步電動機的數(shù)學模型和工作原理4</p><p>　　2.1永磁同步電動機穩(wěn)態(tài)方程4</p><p>　　2.2永磁同步電動機的雙反應理論5</p><p>　　2.3永磁同步電動機的等效電路6</p>

11、<p>　　2.4永磁同步電動機的損耗和效率7</p><p>　　2.5永磁同步電動機的數(shù)學模型8</p><p>　　3控制器的設計11</p><p>　　3.1滑模變結構控制的基本定義11</p><p>　　3.2滑模變結構控制系統(tǒng)的原理和設計方法12</p><p>　　3.3滑模變結

12、構控制的特點13</p><p>　　3.4 SMC控制器的設計14</p><p>　　3.5穩(wěn)定性分析15</p><p>　　3.6 SMC控制器與PI控制器的比較……...............................................................16</p><p>　　4仿真和實驗

13、研究18</p><p><b>　　結 論21</b></p><p><b>　　參考文獻22</b></p><p><b>　　致 謝24</b></p><p><b>　　1 引 言</b></p><p

14、>　　1.1永磁同步電動機的發(fā)展概況和發(fā)展前景</p><p>　　近年來，隨著電力電子技術的新型電機控制理論和稀土永磁材料，永磁同步電機的快速普及和應用的快速發(fā)展。與傳統(tǒng)的電勵磁同步電動機相比，永磁同步電機，特別是稀土永磁同步電機損耗少，效率高，節(jié)能效果明顯。用永久磁鐵激磁的永磁同步電機的，電機的結構比較簡單，降低加工和裝配的成本，并且消除了需要容易出錯的集電環(huán)和電刷的電動機的操作，提高了可靠性，因為需要

15、電流的勵磁損耗，提高電機的效率和功率密度，所以它是在最近幾年的研究，越來越被廣泛應用在各個領域的電動機。在能源節(jié)約和環(huán)境保護日益受到重視，他們的研究是非常必要的。</p><p>　　所述交流電動機的速度控制系統(tǒng)的數(shù)學模型是一個高層次，多變量，非線性，強耦合系統(tǒng)的主要組成部分的一個，通過一系列的假設和坐標變換，我們得到一個相對簡單的數(shù)學模型，交流變頻調速系統(tǒng)數(shù)學模型，但模型不能準確反映速度控制系統(tǒng)的暫態(tài)過程，使傳

16、統(tǒng)的線性調節(jié)規(guī)律的交流驅動系統(tǒng)有一定的局限性。大多數(shù)傳統(tǒng)的永磁同步電機控制器采用PI調節(jié)器，PI控制算法是簡單的，能夠在一定范圍內，以滿足控制要求，但需要精確的數(shù)學模型。外部干擾和內部擾動的不確定性在實際應用中，傳統(tǒng)的PI控制器難以滿足高性能控制的要求，它是難以得到滿意與州長性能的定位，系統(tǒng)的魯棒性不理想?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展，永磁同步電機的高性能控制器實現(xiàn)提供了可能性，但該控制方法的復雜性限制了它的廣泛應用。</p>&l

17、t;p>　　1.2永磁同步電機控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程</p><p>　　永磁同步電機控制技術的不斷發(fā)展，控制技術應用的逐漸成熟，如SVPWM SVM-DTC，DTC，MRAS方法在實踐中應用。然而，在實際應用中，各種控制策略存在一些缺點，如低速特性是不理想的，過度依賴電機參數(shù)，等等，因此，研究存在的問題，在控制策略有很大的意義。</p><p>　　在1971年，德國學者交流電機矢量控

18、制的新思路，新理論和新技術，它出現(xiàn)交流電機控制技術，具有非常重要的意義。因為向量變換的AC構成一個面向外地的閉環(huán)控制系統(tǒng)，與直流系統(tǒng)的控制性能。然后，電力電子技術，微電子技術，計算機技術和永磁材料科學，矢量控制技術，快速的應用程序開發(fā)和推廣。機電能量轉換，電機統(tǒng)一理論的發(fā)展空間矢量矢量控制理論的基礎上，首次應用三相異步電動機，并很快擴展到三相永磁同步電動機。由于三相感應電動機正在運行時，熱量將導致在轉子的轉子參數(shù)的變化，同時觀察在轉子的

19、轉子磁場的依賴關系中的參數(shù)，從而使磁場的轉子，使控制的實際效果是很難實現(xiàn)的理論結果的分析，這是矢量控制方法的不足之處，是難以精確地觀察到。永磁同步電機轉子的永久磁鐵固定的參數(shù)，被廣泛應用于永磁同步電機矢量控制的低功耗和高精度的場合。隨后，在1985年，由德國魯爾大學教授首次提出了直接轉矩控制理論，然后擴展到磁電式轉速范圍。相比，矢量控制技術，矢量控制三相異步電機直接轉矩控制特性易受電機參數(shù)變化的影響，在很大程度上解決這個問題。直接轉矩控

20、制的誕生，一個新的控制自己的思想，簡明的系統(tǒng)結構，優(yōu)良的靜態(tài)和動態(tài)性能的普遍關注，并</p><p>　　20世紀90年代，隨著微電子技術和計算機控制技術的發(fā)展，高速，高集成度，低成本的微處理器被釋放和商業(yè)化，全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)。計算機控制使電機的轉速性能已大大提高，可以實現(xiàn)復雜的矢量控制和直接轉矩控制，大大簡化了硬件，降低成本，并提高了控制精度，但也有保護顯示，故障監(jiān)測，自診斷，自我調試和自復位功能。此外，改

21、變控制策略，這一修正案，容易控制參數(shù)和模型，從而大大提高了系統(tǒng)的靈活性，可靠性和實用性。近年來，國家的最先進的數(shù)控交流伺服系統(tǒng)，有幾家公司已經推出了專門用于電機控制芯片?？梢钥焖偻瓿上到y(tǒng)的速度環(huán)，電流環(huán)和位置環(huán)精度快速調整和復雜的矢量控制，以確保算法，用于電機控制，矢量控制，直接轉矩控制，神經網絡控制高速，高精度完成。非線性解耦控制，人工神經網絡自適應控制，模型參考自適應控制，觀察控制和狀態(tài)觀測器，線性二次積分控制和模糊智能控制等新的控

22、制策略不斷涌現(xiàn)，更廣闊的前景。因此，高性能的數(shù)字信號處理器，數(shù)字式交流永磁伺服智能控制系統(tǒng)，交流伺服系統(tǒng)是一個重要的發(fā)展方向。</p><p>　　1.3?？刂朴来磐诫妱訖C的概述</p><p>　　滑模變結構控制在20世紀50年代，前蘇聯(lián)學者Utkin和Emelyanov變結構控制的概念，研究對象：二階線性系統(tǒng)。在20世紀60年代，研究對象：高階線性單輸入單輸出系統(tǒng)。專注于高階非線性系

23、統(tǒng)線性切換功能限制和不受限制的二次開??關功能的控制下。 1977年：發(fā)表評論Utkin紙變結構控制，變結構控制系統(tǒng)VSC和滑模控制SMC。從那時起，來自不同國家的學者開始研究多維滑模變結構控制系統(tǒng)的規(guī)范空間擴展到更普遍的狀態(tài)空間。中國學者首次提出了高兵元氏達到法律的概念，首次提出的概念分層的自由?；？刂葡到y(tǒng)的參數(shù)攝動和外部干擾的不變性量來控制高頻抖的價格。近年來，研究人員嘗試SMC應用于各類電機位置伺服系統(tǒng)，研究表明，它可以有效地提

24、高隨時間變化的非線性摩擦和負載，從而提高系統(tǒng)的魯棒性，一些學者已經開始探索永磁同步電機SMC技術，調速系統(tǒng)為永磁同步電機位置傳感器速度控制系統(tǒng)，提高精度的速度觀察員。 SMC永磁同步電機直接轉矩控制和相關的實驗證明，SMC可以改善直接轉矩控制電流磁通和轉矩脈動。 ü罷工與S＆形式趨近律，接近自然法則，以滿足的s＆<0的穩(wěn)定性條件得到控制量u的接近法，以滿足工程變更參數(shù)</p><p>　　從實用的

25、角度來看，基于矢量控制的永磁同步電機調速控制系統(tǒng)的特點，SMC控制器設計的一個簡單實現(xiàn)。首先選擇第一滑動面，狀態(tài)反饋的SMC控制模式，選擇，然后積分器輸出控制過濾器，SMC控制器和PI控制的最終設計表達就是這么簡單。該方法適用于矢量控制的永磁同步電動機的控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的PI控制系統(tǒng)的研究和比較，在相同條件下。理論，仿真和實驗結果表明，SMC控制器的設計可以大大提高系統(tǒng)的魯棒性，快速，有效地提高電機的永磁同步電機的數(shù)學模型的動態(tài)和靜態(tài)特

26、性和工作原理</p><p>　　2 永磁同步電動機的數(shù)學模型和工作原理</p><p>　　2.1永磁同步電動機穩(wěn)態(tài)方程</p><p>　　電動機穩(wěn)定運行于同步轉速時，根據雙反應及理論可寫出永磁同步電動機的電壓方程。 </p><p>　　= （2-1）</p><p

27、>　　式中 ——永磁氣隙基波磁場所產生的每相空載反電動勢有效值；</p><p>　　——外施相電壓有效值；</p><p>　　——定子相電流有效值；</p><p>　　——定子繞組相電阻；</p><p>　　、 ——直交軸電樞反應電抗；</p><p><b>　　——定子漏抗；</

28、b></p><p>　　——直軸同步電抗，； （2-2） </p><p>　　——交軸同步電抗，； （2-3）</p><p>　　、 ——直、交軸電樞電流</p><p><b>　?。?-4）</b&g

29、t;</p><p>　　——與間的夾角，稱為內功率角，超前時為正。永磁同步電動機的電壓方程，可以得出在不同的穩(wěn)定狀態(tài)下運行的幾個典型的向量圖，如圖2所示，為氣隙合成基波磁場所產生的電動勢，稱為氣隙合成電動勢；為氣隙合成基波磁場直軸分量所產生的電動勢，稱為直軸內電動勢；為超前的角度，即</p><p>　　功率角，也稱為轉矩角；為電壓超前定子相電流的角度，即功率因數(shù)角。圖2.1 a）、b）

30、、c）中的電流 均超前于空載反電動勢,直軸電樞反應均為去磁性質，導致電動機直軸內電動勢小于空載反電動勢。圖2e）中電流 滯后于，此時直軸電樞反應為增磁性質，導致電動機直軸內電動勢大于空載反電動勢。</p><p>　　a） b） c）</p><p><b>　　e）</b></p&g

31、t;<p>　　圖2-1 永磁同步電動機的幾種典型向量圖</p><p>　　圖2-1 d）所示的是直軸增、去磁臨界狀態(tài)（與同相）下的相量圖，由此可列出如下電壓方程:</p><p><b>　　（2-5）</b></p><p>　　從而可以求得直軸增、去磁臨界狀態(tài)時的空載反電動勢：</p><p>&l

32、t;b>　?。?-6）</b></p><p>　　2.2 永磁同步電動機的雙反應理論</p><p>　　在各種的永磁同步電動機的磁路結構，在另外的外表面的凸轉子磁路結構，由于永磁材料和鐵磁材料的磁導率的差異過大，從而導致在非對稱磁路，所以他們在電性能上是所有凸極轉子[4]。因此，沿電樞（轉子）的每單位面積相同，如圖2.2所示的圓周氣隙磁導的點。因為這些更改轉子磁極的軸

33、線，和周期的電氣角為180°的空間是對稱的，因此，高次諧波被忽略，直軸的坐標原點時極，磁導率的表達可近似為： </p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　式中 ——

34、磁導的平均值；</p><p>　　——磁導的二次諧波幅值；</p><p>　　——為沿電樞表面的電角度。</p><p>　　圖2-2 凸極永磁同步電動機轉子磁導空間分布</p><p>　　使用雙反應理論分析方法擺脫與磁動勢作用位置的磁導率的變化而變化的現(xiàn)象，從而使永磁同步電動機微分方程中的電感（電感和磁導成正比）不再是轉子位置的函數(shù)，

35、為常系數(shù)線性微分方程的永磁同步電機的數(shù)學模型的建立奠定了基礎。在轉子磁場定向的轉子巧合，直軸，d軸和轉子交叉軸和q軸的定向軸恰好重合，如此建立的永磁同步電機的數(shù)學模型是很簡單的。</p><p>　　2.3永磁同步電動機的等效電路</p><p>　　如圖2.3所示，直軸或d 軸與永磁磁極的磁鏈矢量的軸線重合，這樣交軸將與合成反電動勢矢量的軸線重合。反電動勢的幅值可簡單表示為：</p

36、><p>　　圖2-3 d軸與轉子磁鏈方向重合的同步旋轉坐</p><p>　　標系中電動機的基本矢量關系：</p><p><b>　　（2-8）</b></p><p>　　三相正弦激勵電流也可表示為一個瞬時電流矢量，它由d 軸與q 軸上的標量及組成，定子供電電壓矢量也用類似的方法表示。對直軸和交軸可求得等效電路，如圖

37、2-4所示：</p><p>　　a）電動機的d軸等效電路 b）電動機的q軸等效電路</p><p>　　圖2-4 同步旋轉坐標系中永磁同步電動機d-q 軸等效電路</p><p>　　（2-9） </p><p>　　2.4 永磁同步電動機的損耗和效率</p><p&

38、gt;　　永磁同步電動機穩(wěn)態(tài)運行時的損耗包括以下四項：</p><p>　　(1)定子繞組電阻損耗</p><p>　　電阻損耗可由下面公式計算：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　　(2)鐵心損耗</b></p><p>　　永久磁

39、鐵同步電動機的電動機使用的硅鋼板的材料的鐵損，也可與電動機的工作溫度中的大小變化，負載的變化。這是因為電機的溫度和負載的變化導致的工作點的變化的永久磁鐵電動機中，定子齒的磁通密度，磁軛部也發(fā)生變化，從而影響了電機的鐵損。工作中，溫度越高，更大的負載，定子齒，較小的磁通密度的磁軛部，較小的鐵損的電機。</p><p><b>　　(3)機械損耗</b></p><p>

40、　　永磁同步電動機的機械損失及其他電機，軸承，潤滑油，冷卻風扇和電動機組件的質量，機械損失可以計算根據測量值或參考其它電機的機械損失。</p><p><b>　　(4)雜散損耗</b></p><p>　　永磁同步電機的雜散損耗，沒有一個準確的計算公式一般是根據實際情況和經驗。隨著負載的增加，電機的電流值增加，大致正比于電流平方的雜散損耗。當最后的電子電流，電機的雜

41、散損耗（W），可以近似計算：</p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　式中 ——電動機的額定相電流(A)；</p><p>　　——電動機輸出額定功率時的雜散損耗(W)。</p><p>　　永磁同步電動機的功率流程如圖2.5(a)所示：</p><p>　　a)永

42、磁同步電動機 (b)異步電動機</p><p>　　圖2-5 PMSM與IM功率流程圖</p><p>　　永磁同步電動機一般將極弧系數(shù)設計得較大，因此在相同的或電壓時，相同，較小，鐵損耗比異步電動機小[5]。</p><p>　　2.5永磁同步電動機的數(shù)學模型</p><p>　　當永久

43、磁鐵同步電動機的定子通入三相交流電，三相電流在定子繞組中的電阻電壓降。的旋轉所產生的三相交流的磁場的電樞和創(chuàng)建，一方面，切割定子繞組和定子繞組中產生的感應電動勢的電樞的磁力;另一方面，電磁力拖動旋轉的轉子的同步轉速。電樞電流將產生只有一個與定子繞組相交鏈繞組的漏磁通的定子，在定子繞組中感應漏極產生的電動勢。此外，所述轉子的永久磁鐵所產生的磁場的同步速度的切割定子繞組。導致無負載電動勢。為了便于分析，建立的數(shù)學模型，假設以下參數(shù)：①忽略電

44、動機鐵心的飽和 ②沒有考慮到在電機的渦流和磁滯損耗，③定子和轉子磁動勢產生的磁場沿著圓的字段根據在定子內的正弦分布，即忽略所有的磁場的空間諧波;④各相繞組對稱，即各相繞組的匝數(shù)，取得了多項研究。 ⑤滑?？刂频挠来胖本€同步電機的固定邊界層滑?？刂萍夹g求取控制量（U）MSAT功能[6] H∞魯棒控制和滑模控制相結合，以提高永磁直線同步電機，等效控制律的魯棒性罷工一個U [7] SMC參數(shù)具有相同性，相互間相對位移軸相同的電角度。</p

45、><p>　　相當于磁場的角度來看，該模型的三相永久磁鐵同步電動機的電壓在三相繞組的兩相繞組上的電壓方程簡化方程可以看出，輸出的電磁轉矩和電流，以及與它相關的是必要的，以控制電機的輸出轉矩控制，頻率，幅度和相位，從而使所述電動機控制還是很方便的。為了便于在d-q坐標系中的數(shù)學模型轉化為控制。</p><p>　　如上面所描述的一樣，使用的旋轉體，以建立旋轉磁場。兩個DC繞組被放置在所述旋轉體和

46、成直流源，讓所述旋轉體旋轉的圓形旋轉磁場可以得到的特性的旋轉磁場的旋轉磁場的特性是相同的，它可用于永磁同步電動機的轉子的d-q坐標系，我們認為這后者的效率。由于旋轉磁場的等效， - 坐標電機的數(shù)學模型可以進一步轉換成電機的數(shù)學模型下的旋轉坐標系（d-q）。即有：</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　(N2、N4為對應繞組匝數(shù))<

47、/p><p>　　圖2-6 PMSM d-q坐標系</p><p>　　按照建立d-q坐標系，如圖2-6，d-q軸的旋轉角頻率為，d軸與軸的初始位置角為，選取d軸與轉子主磁通方向一致，即，由式(2-13)和式(2-11)，可得到d-q坐標系下永磁同步電機的數(shù)學模型：</p><p><b>　　(2-13)</b></p><

48、p>　　其中：、、、為d-q坐標系下定子電壓、電流；</p><p>　　、為-坐標系下定子等效電感。</p><p>　　將式(2-13)轉化為電流形式：</p><p><b>　　(2-14)</b></p><p><b>　　磁鏈方程：</b></p><p>

49、;<b>　　(2-15)</b></p><p><b>　　轉矩方程：</b></p><p><b>　　(2-16)</b></p><p><b>　　運動方程：</b></p><p><b>　　(2-17)</b>&l

50、t;/p><p>　　其中：為電機負載轉矩；</p><p><b>　　為電機阻尼系數(shù)；</b></p><p><b>　　為電機轉動慣量。</b></p><p><b>　　其他方程：</b></p><p><b>　　(2-18)<

51、;/b></p><p><b>　　(2-19)</b></p><p>　　由式(2-14)可知，在d-q坐標下對永磁同步電機的控制只需對、進行控制即可，這大大簡化了控制方法，而永磁體的磁鏈幅值恒定不變，采用時的控制方案，控制最為簡單，此時由式(2-16)知電機的電磁轉矩只與有關，即控制的大小即可實現(xiàn)對轉矩的控制。另外，對于永磁同步電機，和通常相差不大，因此

52、可以近似認為。</p><p><b>　　3 控制器的設計</b></p><p>　　3.1滑模變結構控制的基本定義</p><p>　　變結構控制VSC是一類特殊的非線性控制方法，在上世紀五十年代由蘇聯(lián)人Ukin首先提出。變結構控制系統(tǒng)主要包括切換模態(tài)變結構控制、沿退化軌跡運動模態(tài)變結構控制和滑模變結構控制。其中，前兩種構造變結構控制系統(tǒng)

53、僅適用于具體的二階系統(tǒng)中，這就限制了其發(fā)展。只有滑模變結構控制理論得到了廣泛的發(fā)展和應用，它與常規(guī)控制策略的根本區(qū)別在于控制會呈現(xiàn)出不連續(xù)性，又被稱作是系統(tǒng)“結構”隨時間變化的開關特性。</p><p>　　滑?？刂?sliding mode control, SMC)也叫變結構控制，本質上是一類特殊的非線性控制，且非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性。這種控制策略與其他控制的不同之處在于系統(tǒng)的“結構”并不固定，而是可以在

54、動態(tài)過程中，根據系統(tǒng)當前的狀態(tài)（如偏差及其各階導數(shù)等）有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預定“滑動模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運動。由于滑動模態(tài)可以進行設計且與對象參數(shù)及擾動無關，這就使得滑模控制具有快速響應、對應參數(shù)變化及擾動不靈敏、無需系統(tǒng)在線辨識、物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。</p><p>　　滑模變結構控制的定義如下：</p><p><b>　　在如下的狀態(tài)空間中</b><

55、/p><p>　　有一個切換面（又稱超曲面）它將狀態(tài)空間分成上下兩部分。系統(tǒng)的狀態(tài)在到達切換面附近時，其運動會有以下三種情況：</p><p>　?、?穿越切換面上的一點（點A）</p><p>　?、?從切換面上的一點離開（點B）</p><p>　　③ 從切換面的兩邊趨向于一點（點C）</p><p>　　通常情

56、況下，將切換面上的這三種點稱為常點，起點和止點，其中前兩種點不會產生滑動模態(tài)。而止點對系統(tǒng)的性質而言是有著特殊含義的，因為若是在切換面上某一區(qū)域內所有的點都是止點，并且該系統(tǒng)只有原點是平衡點那么一旦有運動點趨近這個區(qū)域，就被吸引在該區(qū)域上運動，并且沿著切換面向平衡點運動。那么，就稱沿切換面s(x)=0的運動為滑模運動或稱滑動模態(tài)。所有止點的區(qū)域為滑動模態(tài)區(qū)。</p><p><b>　　圖3-1<

57、/b></p><p>　　3.2 滑模變結構控制系統(tǒng)的原理和設計方法</p><p>　　滑模變結構控制的原理，是根據系統(tǒng)所期望的動態(tài)特性來設計系統(tǒng)的切換超平面，通過滑動模態(tài)控制器使系統(tǒng)狀態(tài)從超平面之外向切換超平面收束。系統(tǒng)一旦到達切換超平面，控制作用將保證系統(tǒng)沿切換超平面到達系統(tǒng)原點，這一沿切換超平面向原點滑動的過程稱為滑?？刂?。由于系統(tǒng)的特性和參數(shù)只取決于設計的切換超平面而與外

58、界干擾沒有關系，所以滑模變結構控制具有很強的魯棒性。超平面的設計方法有極點配置，特征向量配置設計法，最優(yōu)化設計方法等，所設計的切換超平面需滿足達到條件，即系統(tǒng)在滑模平面后將保持在該平面的條件?？刂破鞯脑O計有固定順序控制器設計、自由順序控制器設計和最終滑動控制器設計等設計方法。</p><p>　　圖3-2給出了滑模變結構系統(tǒng)的狀態(tài)的運動過程。沿著運動的方向，B至A這一階段為正常運動，對應的狀態(tài)全部位于切換面以為或

59、做了有限次的穿越。由A至O這一階段運動點已經完全位于切換面的滑動模態(tài)區(qū)域之內。</p><p>　　但是，上述兩段運動是相互獨立的，不可能一次性得到整個運動過程的控制規(guī)律。以下內容討論了兩段運動對應控制律的設計方法。</p><p>　?、?尋求具有以下變結構控制形式：</p><p>　　其中，使得切換函數(shù)以為的狀態(tài)能夠在有限時間內到達滑模面。這樣的運動稱為趨近

60、模態(tài)或趨近運動，如圖3-2所示。</p><p><b>　　圖3-2</b></p><p>　?、?確定切換函數(shù)向量</p><p>　　對切換函數(shù)向量而言，一般情況下其維數(shù)與控制的維數(shù)相等。在切換面上存在滑動模態(tài)區(qū)，當系統(tǒng)運動于滑模面上時，系統(tǒng)的階次降低，滑動運動會漸進穩(wěn)定，動態(tài)品質良好。</p><p>　　3

61、.3滑模變結構控制的特點</p><p>　　滑模變結構控制所具有的特點異于一般常規(guī)控制方法，這使得滑模變結構控制已被廣泛用于控制理論及實際工程。</p><p>　　簡單的說，滑模變結構控制的主要特點如下：</p><p>　　滑?？刂频奶攸c是能夠克服系統(tǒng)的不確定性, 對干擾和未建模動態(tài)具有很強的魯棒性, 尤其是對非線性系統(tǒng)的控制具有良好的控制效果。由于變結構控制

62、系統(tǒng)算法簡單 , 響應速度快 , 對外界噪聲干擾和參數(shù)攝動具有魯棒性，在機器人控制領域得到了廣泛的應用 , 也有學者將滑模變結構方法應用于空間機器人控制。變結構控制作為非線性控制的重要方法近年來得到了廣泛深入的研究 ,其中一個重要的研究分支是抑制切換振顫 ,這方面已取得了不小的進展，提出了等效控制、 切換控制與模糊控制的組合模糊調整控制方法,其中等效控制用來配置極點 ,切換控制用來保證不確定外擾存在下的到達過程 ,模糊調整控制則用來提高

63、控制性能并減少振顫.研究了一類非線性系統(tǒng)的模糊滑模變結構控制方法 ,設計了滑?？刂破骱?PI控制器的組合模糊邏輯控制器,充分發(fā)揮了各控制器的優(yōu)點.提出了基于有限時間機理的快速 Terminal 滑?？刂品椒ú⒔o出了與普通 Terminal 滑模控制性能的比較.設計了針對參數(shù)不確定與外干擾的非奇異 Teminal 滑?？刂品椒?,并提出了分等級控制結構以簡化控制器設計.上述這些方法在實際系統(tǒng)中雖然得到了有效應用，但無論是</p>

64、;<p>　　3.4 SMC 控制器的設計</p><p>　　SM C是基于控制平面的，其基本思路是，從任何角度的狀態(tài)軌跡控制作用引導滑動面，同時確?；瑒用娴倪\動是漸近穩(wěn)定的，也就是說，滑動的模態(tài)。</p><p><b>　　取系統(tǒng)的狀態(tài)變量為</b></p><p>　　式中 ?w＊——給定轉速</p>&

65、lt;p><b>　　? w——實際轉速</b></p><p>　　結合方程（2）、（3）得</p><p><b>　　(5)</b></p><p><b>　　令</b></p><p>　　可得系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式</p><p><

66、;b>　　(6)</b></p><p>　　為了使系統(tǒng)無超調地達到穩(wěn)定，選擇一階滑模面</p><p><b>　　(7)</b></p><p><b>　　(8)</b></p><p>　　選擇所有的狀態(tài)變量反饋SMC控制模式，控制輸出形式和PD控制表達式類似</p&

67、gt;<p>　　由滑模運動的可達性條件 ＜0 ： </p><p><b>　　解得 </b></p><p><b>　　(9)</b></p><p>　　最后，通過一個積分器的控制輸出。一方面，由于非線性控制系統(tǒng)的抖振現(xiàn)象存在，積分濾波器的輸出可以削弱抖振。另一方面，輸出不可分割的一部分，以消除穩(wěn)

68、態(tài)誤差。</p><p>　　由上可獲得最終控制量 iq，其中φ1、φ2 按式（9）</p><p><b>　　取值</b></p><p><b>　　(10)</b></p><p><b>　　3.5 穩(wěn)定性分析</b></p><p>　　由于

69、到達階段和滑動模式中，運動階段的動態(tài)過程，一旦它們到達的階段的方法，并進入滑動模態(tài)，以確保穩(wěn)定的滑動模式中，運動階段，系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以得到保證。 </p><p>　　利用 Lyapunov 穩(wěn)定性理論分析。取 Lyapunov函數(shù) </p><p><b>　　(11)</b></p><p><b>　　對其求導得 </b&

70、gt;</p><p><b>　　(12)</b></p><p>　　由于 SMC 的可達性條件為 ＜0，故能保證V (x) ＜0，即能保證系統(tǒng)進入滑動模態(tài)。 </p><p>　　一旦進入滑模面（s=0），系統(tǒng)即進入滑?？刂茽顟B(tài)。結合系統(tǒng)狀態(tài)方程（6），得 SMC 下系統(tǒng)的運動微分方程</p><p><b

71、>　　(13)</b></p><p><b>　　解此方程得 </b></p><p><b>　　(14)</b></p><p>　　式中，C0 為常數(shù)。t→∞時，x1 沿指數(shù)趨于零，無過沖速度跟蹤，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。在這種情況下，系統(tǒng)的質量由參數(shù)c的開關接觸面是完全確定的，該系統(tǒng)的內容和參數(shù)，干擾，達

72、到穩(wěn)定的時間，只能與c相關聯(lián)，因此，有一個非常強大的和快速。</p><p>　　綜上所述，SM C下的控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)全局穩(wěn)定。</p><p>　　3.6 SMC控制器與PI控制器的比較 </p><p>　　采用 PI 控制時，iq 為</p><p><b>　　(15)</b></p><p

73、>　　結合系統(tǒng)狀態(tài)方程（5），可得 PI 控制的系統(tǒng)運動微分方程：</p><p><b>　　(16)</b></p><p>　　比較系統(tǒng)的運動微分方程（13），（16）可見，PI控制的永磁同步電機調速系統(tǒng)的二階系統(tǒng)，PI參數(shù)選擇合適的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的。 PI調整參數(shù)更加復雜。當系統(tǒng)工作在欠阻尼狀態(tài)，其速度超調的相平面的狀態(tài)軌跡螺旋往往起源穩(wěn)定。<

74、/p><p>　　SMC控制系統(tǒng)減少為一階系統(tǒng)。系統(tǒng)設計的穩(wěn)定性只依賴于參數(shù)c角選擇適當?shù)南到y(tǒng)可成倍實現(xiàn)穩(wěn)定的，它可以實現(xiàn)快速的由式（14）所示的，沒有過沖。可見，SMC參數(shù)整定，并簡化設計的穩(wěn)定性。</p><p>　　比較式（10），式（15）所示，兩個控制器中，表達式為極其相似?？梢姡琒MC控制沒有增加的復雜性，實施的控制器。不同的是，SM C是變結構控制，控制是φ1，φ2值的變化。 φ

75、1，φ2的變化由系統(tǒng)的狀態(tài)的滑動面。之前進入的滑動面，可被視為普通的PI控制一旦進入滑動表面，該系統(tǒng)是沿滑動面指數(shù)是穩(wěn)定的。通過上述滑動面，立即改變對系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的強制運動的滑動面。而來回奔波，這樣的系統(tǒng)是漸近對產地來源的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)是狀態(tài)在相平面上的軌跡總是在附近的滑線運動，滑模線設計。</p><p>　　如果有外部干擾ΔTL變動，即系統(tǒng)中的f參數(shù)，由式（8），（9），式（13）中，SMC控制參數(shù)選擇不改

76、變其性能的情況下，不會受到影響。由式（16）的PI控制的PI中的原始參數(shù)是可見的，系統(tǒng)性能將受到影響。如果電動機參數(shù)（如J河，?ψA的）改變時，即在系統(tǒng)參數(shù)中A，F(xiàn)的變化，由式（8），（9），式（13）是可見的，因為φ1，φ2被一定范圍內的值，所以只要參數(shù)改變φ2的值仍然滿足的值的范圍，最后軌跡的系統(tǒng)還沒有受到任何影響，其性能不受。使用PI控制，每個參數(shù)的變化會影響系統(tǒng)的性能?？梢?，SM C控制器動作干擾和參數(shù)圖片是不變的，更強大的比P

77、I。在SM控制器C是一個非線性的控制。當實際系統(tǒng)的實施，是無法實現(xiàn)的理想的開關特性。由于時間延遲，以及其他因素會影響空間滯后通常是困難，以確保該系統(tǒng)是完全沿滑線運動，但在附近的滑線運動，從而在不斷變化的控制，對SMC控制抖振現(xiàn)象的存在。抖增加功率機系統(tǒng)上的不利的磨損。但它共同存在，魯棒性設計的SMC控制器需要折中考慮。 PI控制器是一種線性控制，實現(xiàn)流暢的追蹤。</p><p>　　SMC控制器和PI控制器作為一

78、個簡單，易于實現(xiàn)，但它是更強大的PI控制器，快速，能夠更好地滿足高性能電機控制的要求。</p><p><b>　　4 仿真和實驗研究</b></p><p>　　SMC控制設計，以驗證算法的正確性，永磁同步電機調速系統(tǒng)的仿真和實驗研究。在圖4.1中所示的系統(tǒng)的控制方案。速度調節(jié)器SM C控制或PI控制可以使用。圖4-2是SMC控制和PI控制系統(tǒng)的狀態(tài)軌跡在相平面上。

79、可以看出，在SMC的控制下動作，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的滑模線S（x）= 0，和沿滑動線到達原點，即，系統(tǒng)的穩(wěn)定。 PI控制系統(tǒng)是漸進式螺旋線趨于原點穩(wěn)定。 </p><p>　　圖4-1 調速系統(tǒng)框圖</p><p>　　圖4-2 (a) SMC 相軌跡</p><p>　　圖4-2 (b)PI 相軌跡</p><p>　　圖4-3

80、是一波形突然加載速度0.04秒?？梢?，SMC的控制下變化的速度非常小，能很快恢復到一個給定的速度。傳統(tǒng)的PI控制速度波動明顯，速度誤差和穩(wěn)定，可見，普通PI控制負載的變化適應性差，SMC控制的自我調節(jié)能力比PI控制強。另外，SMC控制系統(tǒng)可以無超調的達到穩(wěn)定，但PI的控制下的系統(tǒng)有超調</p><p><b>　　。</b></p><p>　　圖4-3 (a) S

81、MC突加載轉速波形</p><p>　　圖4-3（b）PI 突加載轉速波形</p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　本文設計了一個簡單的SMC控制器采用矢量控制的永磁同步電機調速系統(tǒng)，其仿真和實驗。同時與傳統(tǒng)的PI控制系統(tǒng)理論，仿真和實驗比較。結果表明，SMC控制器的設計可以有效地提高永磁同步電機速度控制系統(tǒng)的性能，其

82、優(yōu)點是：</p><p>　?。?）算法簡單，易于軟件實現(xiàn)。它沒有增加的PI控制算法的復雜性，但它的參數(shù)整定PI參數(shù)調整更加輕松。</p><p>　?。?）實時性。 PI速度控制響應有明顯的超調，調整時間較長。 SMC控制，響應速度快，無超調。</p><p>　　（3）較強的魯棒性。 SMC控制系統(tǒng)的模型需求較低，就其內部參數(shù)攝動，外部干擾，測量誤差和測量噪聲等

83、擁有完全的自適應。 PI控制的參數(shù)變化和外部干擾更敏感。</p><p>　　綜上所述，本文設計的SMC控制器是一個有效的，可靠的控制器設計可以提高永磁同步電機調速系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能。</p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1] Yasser Abdel Rady Ibrahim Mohamed. Adapti

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93、lt;p><b>　　致 謝</b></p><p>　　我寫到這已經是文章的結尾了，我通暢的想法突然消失，打字鍵盤上的手指變得有些沉重，總結和回頭看，總是感慨萬千。把這個數(shù)十萬字的厚厚的一摞，我曾一度為論文擔心，無從下手，但如今卻能對自己微笑。歲月流逝，學生的職業(yè)生涯也將揮手告別。一路上的點滴片段，在這一刻的形象在我的心底回放，無論快樂，悲傷，收割或挫折，都將作為珍貴和溫暖藏在我的心

94、里。坐在課堂上的灌輸，冷凝水聽老師的話，縈繞在圖書館，癡讀文學書，從一門課程學習到論文的撰寫，有這個學習的機會，我有無法用語言表達的努力和珍惜，因為這樣或那樣的原因，對學業(yè)有絲毫的懈怠，千方百計，不辜負老師，朋友，家人的期望。</p><p>　　最后，我要感謝我的導師 - 韓春曉老師。教師的知識和教學的熱情，讓我覺得大學教師的教育事業(yè)奉獻了大量的研究資源和學術研究的機會。這些很難找到一個很好的機會讓我認真反思后