第一章 绪论
1.1本课题的研究意义及目的
1.1.1本课题的研究意义
永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor）是指采用永磁磁 铁为转子的同步电动机。永磁同步电机具有结构简单，体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率因数高等优点，在工农业生产中，有大量的生产机械要求连续的以大致不变的速度运行，例如风机、泵、压缩机、普通车床等。这类机械设备大量采用普通三相感应电动机驱动，但感应电动机的效率和功率因数较低，能源浪费厉害。随着社会对节能的重视和国家对高效电机和永磁电机的推广力度的加大，这些节能潜力大的设备都有被永磁电机和普通高效电机代替的需求。而这些机械采用永磁电机则可获得比普通电机高得多的效率和功率因数。
在某些场合，负载率低，若采用普通电机，轻载时功率因数和效率低，经济运行范围窄，
造成大量的电能浪费。若采用永磁电机，部分设备可适当的降低电机容量，可以实现高效、高功率因数和宽广的经济运行范围，节约大量的电能。
在一些生产机械中，要求多台电动机同步运行。普通电机的转速和电源频率之间没有严格的固定关系，随着负载的变化而变化，即使是同一厂家生产相同规格的感应电动机，其转速也有一定的差别，难以保证多台电动机以相同的转速运行。永磁同步电动机的转速与电源频率之间有严格的固定关系，只要多台电动机的供电电源频率和电动机极对数相同，就可以方便的实现同步运行。这在某些纺织设备上已得到很好的推广。既节约了能源，又能很方便的实现电动机同步运行。这对于国家提出的节能减排政策和国家社会主义现代化建设具有最要意义。
1.1.2 课题目的
本课题以永磁同步电机为被控对象，设计了两种控制器，即传统的线性PI控制器和自适应的模糊控制策略。永磁同步电动机的矢量控制可以获得很高的性能，该系统中控制器的设计对系统的性能起主要作用。线性PI控制器的主要组成部分为比例—积分环节，积分控制器的输出与输入偏差对时间的积分成正比。这里的“积分”指的是“积累”的意思。积分控制 器的输出不仅与输入偏差的大小有关，而且还与偏差存在的时间有关。只要偏差存在，输出就会不断累积（输出值越来越大或越来越小），一直到偏差为零，累积才会停止。所以，积分控制可以消除余差。积分控制规律又称无差控制规律。在串联校正时，PI控制器相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于s左半平面的开环零点。位于原点的极点可以提高系统的型别，以消除或减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能；
而增加的负实零点则用来减小系统的阻尼程度，缓和PI控制器极点对系统稳定性及动态性能产生的不利影响。只要积分时间常数足够大，PI控制器对系统稳定性的不利影响可大为减弱，在控制工程中，PI控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。
永磁同步电机本身的参数(如电机的转子电流和拖动负载的参数）可能在某些应用场合会随工作情况而变化;同时，交流电机本身实质上是一个非线性的被控对象。控制对象的参数变化与非线性特性，使得线性的常参数的PID调节器常常顾此失彼，为了使永磁同步电机能够在更恶劣的环境下运行，本课题又在完成课题任务的基础上增加了模糊控制。
模糊控制具有如下优点：
(1)使用语言方法, 可不需要过程的精确数学模型;
(2)鲁棒性强, 适于解决过程控制中的非线性、强耦合时变、滞后等问题;
(3)有较强的容错能力。具有适应受控对象动力学特征变化、环境特征变化和动行条件变化的能力;
(4)操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系, 这些模糊条件语句容易加到过程的控制环节上。
同步电机的特点是其转速与电源频率保持严格的同步关系，只要电源频率不变，同步电动机的转速就保持不变，与负载大小无关。此外，通过改变励磁电流就可以调节同步电机的功率因数，若使其工作在容性状态下向电网输送超前无功，则可改善电网的功率因数。但是，同步电机也存在启动困难和重载时失步的缺点，这一问题在很大程度上限制了它的应用领域。
由于电力电子技术的迅速发展，各种容量和形式的变频电源、整流装置的研制成功以及计算机技术、控制理论的发展，使同步电机调速系统的发展呈现了崭新的局面。变频装置作为同步电动机的软启动设备解决了同步电动机启动困难的问题；以微处理器为核心的转速和频率的闭环控制，又解决了同步电动机的失步问题。这两个问题的解决从根本上改变了同步电动机在调速系统这一领域的地位。
小功率的永磁同步电机，由于变频电源供电，从而组成了新一代的交流伺服系统。在机器人和数控机床等领域也越来越显示出它的优越性。因而永磁同步电机的控制系统也逐步成为该领域的研究热点。
1.2.1 永磁同步电机的发展概述
永磁同步电机是交流驱动系统以永磁同步电机为驱动电机的设备，它以永磁体替代电励磁电机的励磁绕组。永磁同步电机出现于20世纪50年代，它的运行原理与普通电激磁同步电机相同，但以永磁体激磁替代激磁绕组激磁使得电机结构简单。永磁同步电机省略了普通同步电机所特有的集电环和电刷，提高了电机运行的可靠性。由永磁体激磁，无须激磁电流，因而提高了电机的效率和功率因数。20世纪60到80年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁的
相继问世，把永磁同步电机的发展推入了一个新的历史时代。尤其是近年来高耐热性、高磁性能钕铁硼永磁体的成功开发以及电力电子元件的进一步发展和改进，稀土永磁同步电机的研究开发在国内外又进入了一个新的时期，在理论研究和应用领域都将产生质的飞跃。它与电力电子技术和微电子控制技术相结合，可以制造出许多新型的、性能优异的机电一体化产品和装备，代表了21世纪电机发展方向。目前，永磁同步电机朝着高效节能、机电一体化、高性能、专用电机和轻型化方向发展。
1.2.2 电机调速系统
电气传动系统是由控制部分、功率部分和电动机三大要素组成的一个有机整体。各部分可以相互组合而构成多种电气传动系统。虽然调速系统在电流形式分为直流调速和交流调速两类，但在交流调速系统中，异步电动机调速系统和同步电动机调速系统已发展为两类主要的调速系统。目前已形成直流电动机、异步电动机和永磁同步电动机三大类的调速系统。异步电动机调速系统包括转差功率消耗型、转差功率馈送型和转差功率不变型；而同步电机转差恒等于零即无转差功率，所以只有无转差不变型的变压变频调速系统。
直流电动机具有调速优良，数学模型简单，转矩易于控制的优点。其换向器与电刷的位置
保证了电枢电流与励磁电流的解耦。也正是由于这个特点使得直流电动机存在着不可避免的缺陷：机械换向器和电刷造价偏高；维护困难；使用环境受限；寿命短；在容量发展上受限制。直到1960年，晶闸管研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代。随着电力电子技术的发展，使得采用半导体开关器件的交流调速系统得以实现。交流电动机的调速系统不但调速性能可以与直流电动机调速系统相媲美，而且和直流电动机相比还具有结构简单、坚固耐用、体积小、转动惯量小、价格低廉、重量轻、动态响应好、维护费用低，可靠性高的优点。
新型电力电子技术器件和脉宽调制（PWM）技术等科学技术的发展推动了永磁同步电机的广泛应用。现代的电力电子变换装置中，PWM变压变频技术是主要使用的变换器控制技术，常用的PWM控制技术有：基于正弦波对三角波脉宽调制SPWM控制；基于消除指定次数谐波的HEPWM控制；基于电流环跟踪的CHPWM控制；电压空间矢量控制SVPWM控制。在以上的4种PWM变换器中，前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标的，第3种以输出正弦波电流为控制目标，第4种则以被控电机的算法简单，因此目前应用最广。
永磁同步电机有以下几种控制方式：
(1)控制。定子电流中只有交流分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体空间矢量正交，电机的输出转矩与定子电流成正比。其性能类似于直流电机，控制系统简单，转矩性能好，可以获得很宽的调速范围，适用于高性能的数控机床和机器人等场合。电机运行功率因数低，电机和逆变器不能够充分利用。
(2)控制。控制交直轴电流分量，保持永磁同步电机的功率因数为1，的条件下，电机的电磁转矩随电流的增加呈现先增加后减小的趋势。这种方法可以充分利用逆变器的容量，不足之处在于输出的电磁转矩小。
(3)最大转矩/电流比控制，也成为单位电流输出最大转矩控制（最优转矩控制）。它是凸极永磁同步电机用的较多一种电流控制策略。当输出转矩一定时，逆变器的输出电流最小，可以减小电机的铜耗。
永磁同步电机本身具有非线性、强耦合和时变性，加上系统运行时还会受到不同程度的干扰，使得常规的控制策略很难满足高性能永磁同步电机伺服系统的控制要求。随着控制理论的不断发展，特别是智能控制的不断发展和成熟，如基于人工智能的专家系统（ExpertSystem）；基于模糊集合理论（FuzzyLogic）的模糊控制；基于人工神经网络（
Artificia1NeuraNetwork）的神经控制等，使控制系统在模型和参数变化时保护良好的控制性能，大大提高了调速系统的性能。
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