重复控制在永磁电机低速控制系统中的设计

1、重复控制在永磁电机低速控制系统中的设计摘要：随着电力电子技术、微电子技术、电机控制理论以及稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电机（P M S M ）得以迅速使用。除了具有一般同步电机的工作特性以外，永磁同步电机还具有效率高、结构简单、转动惯量小、维修性好等特点。因此，广泛应用于柔韧性制造系统、工业机器人、办公自动化、数控机床以及航空航天等领域。由于永磁同步电机是一个非线性、多变量、强藕荷的系统，采用传统的 P I D 控制方法很容易受电机参数变化和负载扰动等不确定因素的影响。为了提高控制系统的动态和静态特性，可以采用新型控制理论和智能控制理论代替 PID 控制，比如滑模控制、神经网络控制、模糊控制等。本文将分析重复控制用于永磁电机低速控制系统中的设计。 关键词:重复控制；永磁电机；低速控制系统；设计原理Abstract:with the rapid development of power electronic technology, microelectronics technology, motor control theory and rare earth permanent ma

2、gnet materials, the permanent magnet synchronous motor (P M S M) can be used quickly. In addition to the general characteristics of synchronous motor, permanent magnet synchronous motor has the advantages of high efficiency, simple structure, small inertia, good maintainability and so on. Therefore, it is widely used in flexible manufacturing systems, industrial robots, office automation, CNC machine tools and aerospace, etc. Because of the permanent magnet synchronous motor is a nonlinear syste

3、m, multivariable, strong coupling, using the traditional P I D control method is easily affected by motor parameter variations and load disturbances and other uncertain factors. In order to improve the dynamic and static characteristics of the control system, the new control theory and intelligent control theory can be used instead of PID control, such as sliding mode control, neural network control, fuzzy control and so on. In this paper, the repetitive control is used to design the low speed c

4、ontrol system of permanent magnet motor. Key words: repetitive control; permanent magnet motor; low speed control system; design principle 目 录摘要I关键词IAbstract:I一、 绪 论1（一）课题研究的背景及意义1（二）永磁同步电机控制系统的国内外研究现状1二、 重复控制系统2（二）重复控制发展现状2（二）重复控制研究3三、 永磁同步电机低速控制系统4四、 重复控制在永磁电机低速控制系统中的设计5（一）重复控制方法是通过内部模型作为基础而运行5（二）仿真波形分析6结 论7参考文献8致 谢9一、 绪 论 （一）课题研究的背景及意义一个国家的综合实力如何，可以通过观察其国家的航空航天事业的水平来确定。在人类的发展历程上，人们不断研制出各种航天器进行太空探索活动。初期时，类似于导弹，火箭，或各种航天器的飞行器，其研发制造过程中，需要进行多次试飞以确定研制过程中所涉及的大量技术参数。多种航天器在试飞的过程中若采用实物进行试验，需要大量的人力及财力的支

5、持，且试验时具有一定的安全隐患。目前计算机技术快速发展，计算机仿真技术在航空航天领域得到大范围应用。利用计算机仿真，在给出特定技术参数的基础上，通过计算机技术模仿实物的实验，避免了实验所带来的危险性，而更为重要的是仿真在保证实验数据真实性的基础上，与实物试飞相比具有极大的经济优势。在仿真测试中，借助于计算机的精细控制结合转台测试设备，可模拟各种航天器或其它飞行器在真实试飞时的环境，进而对给定参数下的技术参数进行分析实验。模拟仿真可以在实验环境下，在可操控条件下，将传统的具有一定危险性的实物试飞用可多次反复的模拟仿真来替代，对飞行器的相关技术参数多次实验，以改善其性能指标，最终使得所设计的飞行器有更合理的技术参数。（二）永磁同步电机控制系统的国内外研究现状在材料学（永磁材料）的快速发展的同时，各国PMSM（永磁同步电机）的研究日益受到研究人员青睐，同时也增多了PMSM的伺服控制方式。十九世纪二十年代世界上诞生了首个永磁体电机，当时天然的铁矿石被充作永磁体电机的永磁体，由于这个原因使得永磁体电机体积异常的大，为应用所转运带来不便。电励磁电机的出现逐步淘汰了最初的使用天然磁铁的永磁体电机。而

6、如今铁氧体或铝镍钴等永磁体材料的发现使得磁性能有了较大程度的提升。二十世纪六十至八十年代人们发现了更适合做永磁体的稀土钴和钕铁硼材料。相比于稀土钴，钕铁硼材料因为其磁密度高、剩磁性能强、成本较低的特点，更多的应用于永磁体电机中。永磁同步电机，去除了电励磁绕组和电刷等环节，采用永磁体来励磁，简化了同步电机结构，同时使得电机的功率因数等技术参数得以明显提升。同时，由于永磁同步电机定子电流减小及电能消耗明显下降，转子在电机正常运行时其电阻损耗相当小。除上述诸多优势外，永磁同步电机还具有体积小，维护成本低，运转效率高，转动扭矩大，机械特性强度大、易于散热等特点。根据永磁体转子在安装时的差异，可以将永磁体同步电机分为插入式，内装式或者是面装式。二、 重复控制系统 （二）重复控制发展现状重复控制原理是基于内模理论应用的基础上逐渐演变发展而形成的。内模原理概念首次由Francis B. A和Wonham W. M应用于他们共同撰写的多变量线性调节器模型原理中。在内模原理中给出了一条永磁体电机方面很具有指导性的理念，即当外部信号的动力学模型已经构建且包含于控制器中时，可以很大程度的提升控制系统的控制精

7、度，进而为实现给定信号的无静止跟踪提供依据。一九八一年两学者Inoye T（日本） 与 Iwai S（日本）在内模原理基础上在抑制谐波时采用了重复控制的方式，提升了电机的伺服控制精度，以此为基础他们进一步提出改良应用于加速器的励磁电源精度的方法，并确定了可重复控制的理论。一九八五年，Hara S在电机伺服控制中将重复控制方式应用于多输入条件模式下，并在此条件下分析研究对多输入系统稳定。之后，他与Yamamoto Y 在信号输入端使用周期性信号并研究系统稳定性能。紧随其后，研发人员在电机伺服系统中，将输入信号端由连续信号向离散型信号转变，并在离散数字伺服系统中应用重复控制理论。此时引出了新的问题，即在数字控制系统时，采样周期与输入信号周期往往不同步且有时并不具备倍数关系，由此使伺服系统有较差的鲁棒性。G.pipeleers, B等人利用高阶无穷小的方式研发高阶可重复控制器，将输入信号周期与采样周期不确定性的敏感程度降低，在一定程度上使伺服系统急鲁棒性有所改善。在步进电机，无刷电机，直流电机或者永磁同步电机的控制系统中，都应用了重复控制技术。其中，将该技术引入到步进电机控制的是孙耀杰，这一

8、方式使五相电机电磁转矩脉动过强的问题得以一定程度的缓解。此外，无刷直流电机转速及平稳性能经苏宝库的努力而得以解决；邹继武在永磁同步电机中应用重复控制技术，为由于负载转矩周期性波动产生电机转速波动起到了抑制作用。（二）重复控制研究重复控制技术作为一项已经比较成熟的技术，得到了广泛的应用，特别是在控制系统中，起到了很好的效果，它对于整个系统的控制也十分关键。重复控制技术的运行平稳，也可以达到较为精确的控制。本章先对此技术的运行原理进行阐述，介绍了重复控制系统的构成，同时分析整个系统的运行情况。内部模型，是一种数学模型，它起着将外部信号引入封闭系统中的作用，它是整个重复控制系统的中心。为保证系统运行的精度、提升控制系统跟踪信号的性能或是有效地防止外界信号干扰，就需要在整个系统中进安装带有外界信号的数学模型，这就是内部模型的诞生的原因。同时，如系统稳定运行，没有产生偏差，这时如果系统中带有内部模型，它就可以稳定保证系统向外输出信号，直到控制的作用。特别是在整个系统运行中如果没有出现任何误差的前提下，使用内部模型就可以重复输出有效的控制信号。依据内部模型的运行原则，如果进入系统中的信号类型为阶跃

9、式，需要将对应的数学模型1/S配置到控制系统中的控制器内，来最终达到无偏差的对信号的跟踪。一样的道理，如果进入系统中的信号类型为特定频率的正弦式，就需要在控制器内配置为相同频率的正统信号模型/(s2+2)，来最终达到无偏差的对信号的跟踪。但是， 这只是理论上可以实现，实际情况是控制系统中经常需要多频率的信号输入，如果实现整个系统的无偏差信号跟踪效果，就须对每个外部信号配置一个内部模型，不仅没有意义，也难以达成。三、 永磁同步电机低速控制系统永磁同步电机在低速运转时，整个系统正常，与原系统没有进行变参数的设置相比，整个高速系统有了比较优良的精度控制表现，实验结果也令人满意国。但是电机控制是一个比较复杂的话题，不应当将注意力只集中在电机本身，任何一个环节出现误差，均会影响到电机的调速性能，同时其它环节出现的误差如果与电机本身没有明确的区分，也不利于对于电机的控制，这就也是理论模型与实际运行时的差异所在，所以很有必要控制产生误差的原因，并应用合理的补偿措施。 从永磁同步电机本身的理论特性来讲，对于它的控制就涉及到许多方面，实际运行中，也需要对系统的电压、电子元件、系统运行的检测进行控制，这无疑会增加电机控制系统的复杂性，其它的因素造成的误差使得理论模型与实际运行相去甚远。所以就需要对这些外部因素进行分析、控制，并对电机运行进行的误差曝气，将理论模型最大程度地贴近实际系统，实现对电机进行较好的控制。尤其是在电机以较低速度运转时，它的电压等技术参数会低于电机在额定转速状态下的技术参数值，所以为达到更加稳定的控制性能，就有必要对这些因素进行误差补偿。对于如何控制电机的转速，第一步就是需要计算得出需要多长时间来控制电机的转速。第一个因素就是PWM周期，它是电机进行速度控制的基础，同时将逆变器的频率等其它技术因素考虑在内，得出PWM的周期和频率，也就是PWM频率为。同时，电流环产生的电压也与PWM波密切相关，为提升电流环的

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