基于模糊PI控制的推进电机调速研究硕士学位论文.doc

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1、分类号 密级 U D C 硕士学位论文基于模糊PI控制的推进电机调速研究论文答辩日期 学位授予日期 答辩委员会主席 评阅人 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringResearch on Propulsion Speed-regulated SystemBased on Fuzzy-PI ControllerCandidate:Ma LeiMajor:Power Electronics and Electric DriveSupervi

2、sor:Prof. Lin HuaHuazhong University of Science and TechnologyWuhan, 430074, P. R. ChinaApril, 2006学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学

3、校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权XXXX大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日摘 要常规PI控制算法是工业控制领域中应用最广的一种算法，该算法简单，适应性强，具有一定的鲁棒性，能够满足一般生产过程的要求。但它的控制质量还存在一些问题，如在某一状态下整定为最优的一组PI参数在另一种状态下不一定是最好的，对非线性特性负载控制效果不是很理想。本文引入模糊PI控制器并将其应用到交流推进电机

4、调速系统中去，期望改善调速系统的动态和稳态性能。本文以交交变频同步电机调速系统为研究对象，对其所带非线性负载螺旋桨进行了研究，并进行分段线性化处理，建立了基于常规PI控制算法的调速系统的数学模型，为系统的仿真研究及性能改善奠定了基础。本文确定了模糊PI控制为本课题的控制策略，确立了模糊PI调节器的控制规则，并在此基础上建立了基于模糊PI控制器的推进电机调速系统数学模型。通过对系统进行仿真实验，在螺旋桨启动、反转性能，系统突加、突减负载抗干扰性能以及对系统参数灵敏度等方面与常规PI控制器进行了系统的比较。仿真结果表明，模糊PI控制器具有常规PI控制器所无法比拟的优越性。利用数字信号处理器（DSP

5、）实现了调速系统的模糊PI控制器，并进行了软件编程和调试，取得了和仿真相一致的结果，验证了控制方案的优越性，这对进一步研究模糊PI控制器在其他领域的应用具有重要意义。关键词：同步电动机；模糊PI控制器；推进系统；调速系统；螺旋桨AbstractThe general PI control method is widely applied in the field of industrial process. The method is simple, adaptable and it can meet with the demands of the general industrial con

6、trol process. But it has some problem in control characteristics, such as the parameter of PI is the best in one status but not good in another status and the control characteristics are not perfect to the object which is nonlinear. In this paper the fuzzy-PI control method is introduced to the syst

7、em of electrical propulsion to improve the dynamic and steady characteristics.This paper studies the AC/AC variable frequency converter speed-regulated system of synchronous motor and the nonlinear objectpropeller. Establish the mathematic models on the base of piece-wise linearization of propeller.

8、That provides the foundation for the simulation and improving the quality.In this paper the fuzzy-PI control strategy is proposed, and the rules of the fuzzy-PI controller are established. Basing on this the mathematic models of propulsion system is established. Some comparisons are made about the p

9、ropellers characteristics of start-up, crash reversal, anti-interference and the sensitivity to the PI parameter through a series of simulation. The simulation results show that the fuzzy-PI controller is much more advanced than the traditional PI controller.DSP has been employed to help realize fuz

10、zy PI controllers of speed regulating system and at the same time, software programming and testing have been conducted. All this is of great importance to further study the application of fuzzy PI controllers in other fields. Keywords：synchronous motor；fuzzy-PI controller；propulsion system；speed re

11、gulating system；propeller目 录摘 要IAbstractII1 绪论1.1 课题的来源、目的和意义(1)1.2 研究现状(3)1.3 本文研究的主要内容(6)2 推进电机调速系统建模与仿真2.1 推进电机调速系统结构及原理(7)2.2 推进电机调速系统模型(17)2.3 螺旋桨负载特性(21)2.4 常规PI控制性能分析(27)2.5 本章小结(33)3 模糊PI控制器研究3.1 模糊控制简介(35)3.2 模糊控制器的结构(36)3.3 模糊控制器的设计(41)3.4 模糊PI控制器(48)3.5 推进系统中模糊PI控制的设计(53)3.6 本章小结(55)4 基于模

12、糊PI控制的推进系统性能研究4.1 模糊PI控制器仿真模型(56)4.2 系统性能仿真研究(57)4.3 实验系统及实验结果(60)4.4 本章小结(64)5 全文总结(65)致 谢(67)参考文献(68)附录 攻读硕士学位期间发表的论文(73)1 绪论1.1 课题的来源、目的和意义在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术起着非常重要的作用。从上世纪40年代发展起来的经典控制理论经过不懈的努力在许多领域取得了辉煌的成就。自动控制技术通常是指，利用自动控制装置来代替人类驾驭机器、设备或控制生产的过程。六十年代初期，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机技术的应用，自动控制理论跨入了一个新阶段现

13、代控制理论。它主要研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优控制问题，采用的方法是以状态为基础的时域法。目前工业过程中广泛采用PID算法，其原因如下2 ：（1） 由于具有一个积分环节，故对阶跃输入的误差为零；（2） 具有典型传递函数的系统很容易被PID控制器所控制；（3） 基于第二条原因，工业上只用变PID的系数就可以对不同的系统进行控制；（4） 对具有典型传递函数的系统，一个简单的闭环实验就能给我们提供很好的信息来进行调整；（5） 调整的时候只需要对有限的几个参数进行修改。然而，古典控制理论、现代控制理论（包括自适应控制理论与随机最优控制理论）均是以被控对象的精确数学模型为基础的。而在实

14、际工业过程中，由于被控对象本身固有的时变性、强耦合以及内部动力学特性的不确定性，其精确的数学模型很难建立，甚至无法建立，这就为上述控制理论的实际应用带来了困难。目前，工业过程中广泛采用的PID控制算法对具有非线性、大时滞、时变、强耦合等特性的被控对象，控制效果并不理想。在交流推进系统中，传统的速度控制器采用的是PI控制算法。虽然PI控制的优点是控制滞后系统的鲁棒性能好，但是没有微分环节，就没有预测功能，控制过程比较慢。另外根据电机转矩公式可知，当负载为非线性时变、强耦合时，如系统的负载为螺旋桨，则PI控制很难满足系统高性能要求。因此，需要对系统算法进行改进或者采用更为先进的控制算法。针对PID

15、控制器的缺点，国内外很多专家学者对其进行了改进。主要有以下几种：1 最优控制最优控制是现代控制理论的核心。所谓最优控制系统，就是在一定的具体条件下，在完成所要求的具体任务时，系统的某些性能指标具有最优值。例如，对于导弹控制系统来说，要求脱靶量最小，就要根据脱靶量这一性能指标来设计导弹控制系统。设计最优控制时，性能指标是衡量系统在任意容许控制作用下性能好坏的尺度，其内容与形式取决于最优问题所要完成的任务。但现代控制都是以系统的精确的数学模型为基础，因此在一些领域的应用也受到了限制。2内模控制（IMC）方法内模控制是由Garcia和Morari引进。内模控制器由控制器和滤波器两部分组成，两者对系统

16、的作用相对独立，前者影响系统的响应性能，后者影响系统的鲁棒性。其设计简单、跟踪性能好、鲁棒性强，能消除不可预测干扰的影响。其通用结构如图1.1 7：图1.1 内模控制结构图其中P为被控对象，M为模型，C为内模控制器，F为滤波器。内模控制有一下三个性质：（1）当模型精确时，对象和模型同时稳定就意味着闭环系统稳定；（2）当闭环系统稳定时，控制器取为模型逆，则不论有无外界干扰d,都可以实现理想控制yr；（3）当闭环系统稳定时，只要模型和控制器稳态增益乘积为1，则系统对于阶跃输入和阶跃干扰均不存在输出静差。这三条性质不但适用于线性内模控制，也能推广于非线性内模控制。内模控制是基于模型逆的控制方法，因此

17、模型的建立是内模控制设计的前提。因此对一些非线性的，模型比较复杂的系统，内模控制的应用同样受到了一定的限制。内模控制最早在化工领域得到成功应用，后又推广到伺服系统的控制，陈伟庆等针对某伺服系统，采用双口控制实现了高阶无静差伺服跟踪3；Harmefors等提出的交流电机电流内模控制方案能较好的处理控制量饱和问题4 ；Ge等对多变量的开关磁阻电机进行内模控制5。Ho等提出的基于内模控制的PID控制器参数整定方法在联结槽的控制中取得成功，并有商业化的软件产品6。总的来说，非线性内模控制应用实例较少，主要还停留在仿真研究阶段，还不能很好的从理论上保证系统的稳定性和鲁棒性，不能很好的解决诸如饱和、时滞、

18、齿隙等典型非线性环节所带来的不利影响。3模糊控制1965年，美国加州大学著名控制理论专家LA扎德教授德开创性论文“Fuzzy sets”的发表，标志着以“Fuzzy”命名的数学模糊数学的诞生。1968年扎德首次发表了“模糊算法”，1973年又发表了语言与模糊逻辑相结合的系统建立方法。1974年伦敦大学Mamdani博士首次尝试利用模糊逻辑，成功地开发了世界上第一台模糊控制的蒸汽引擎。至今，模糊控制技术已经应用到相当广泛的领域中。模糊控制作为一门新兴的控制算法，具有较强的鲁棒性，并且具有动态响应好、上升时间快、超调小，尤其是被控对象模型很难建立或系统具有大时滞、时变、强耦合等特性时，它的优越性更

19、为突出。模糊控制虽已经被广泛应用于多种控制领域，但对大型推进调速系统的模糊控制的研究尚不多见。但模糊控制本身又存在一个固有的特点，即稳态性能较差。故针对这一情况设计，将模糊控制和PI控制相结合，设计一个自校正模糊PI控制器。并将其应用于推进调速系统中。1.2 研究现状九十年代以来，国外一些学者开始分析和研究模糊控制器的数学表达式，并与传统控制方法进行比较，从而认识模糊控制器的本质，分析模糊控制器各设计参数对控制性能的影响，形成了“模糊控制器的结构分析”这一新的理论研究方向，并已取得了一些很有价值的研究成果。这一新的研究方向是1989年由美国伯明翰Kemp Carraway心脏研究所的HYing

20、，WSiler和阿拉巴马大学数学系的JJBuckley共同开创的。文7对于二输入、单输出的模糊控制器，当隶属函数为三角形均匀分布全交迭，控制规则为线性，并且控制规则数很少时，在线性解模糊条件下导出了模糊控制器的解析式，并分析了模糊算子与模糊控制器线性/非线性特性的关系。在此基础上，文8采用Zadeh的AND和Lukasiewicz的OR算子证明了具有最简单线性控制规则的二维模糊控制器其输出可等同于一个非线性PI控制器，在线性对象和非线性对象上的仿真结果表明了模糊控制器同PI控制器的内在联系和区别。Buckley在文9中用标准格式总结了以前的成果，并将其推广到控制规则不限的一般情况10，以及多变

21、量控制器11。1993年HYing对分析结构和极限结构进行了综合研究，并证明了采用线性控制规则和非线性解模糊算法的模糊控制器结构是全局性的多值继电器与局部的非线性PI控制器的和，当控制规则无穷多时，局部控制将消失而全局控制将成为PI控制器12，这一成果开创了该领域研究的新局面。此后，他在文13中将以上结果推广到了非线性控制规则和任意推理方法的更一般情况，在文14中研究了不同的蕴涵算子对模糊控制器结构的影响，在文15中得到了采用Zadeh AND推理、输入模糊集为梯形的模糊控制器的分析结构，在文16中提出了稳定的模糊控制器的设计方法，在文17中指出了基于简单线性规则T-S模型的模糊控制器是一种非

22、线性变增量PID控制器。最近，其他学者也发表了一些有意义的成果。Li在文18中指出具有线性规则库的三维模糊控制器与线性PID控制器有相似之处，并且将传统的具有线性规则库的模糊控制器看作是一种模糊线性控制器（a fuzzy linear controller）。通过引入“模糊传递函数”的概念，该文给出了相应于PID调节器的模糊比例系数、模糊积分系数和模糊微分系数，同时针对PI型模糊控制器、PD型模糊控制器和PID型模糊控制器，借助“模糊传递函数”给出了模糊比例系数、模糊积分系数和模糊微分系数与线性PID控制器参数之间的关系。文19将结构分析方法推广到具有线性规则的三维模糊控制器上，得到了三维模糊

23、控制器的一般解析输出表达式，证明了具有一般线性推理规则的三维模糊控制器可等同于一个全局多层次关系式和一个局部非线性PID控制器。文20，21基于正态分布隶属函数，分别导出了一个以为模糊控制器和二维模糊控制器的解析表达式，并证明了其渐进结果，因而从另一个角度揭示了模糊控制器的实质。文22推导出多维模糊控制器的输出可表示为其多维输入的线性参数函数，由此建立了模糊控制同常规PID控制策略间的内在等价性。文23认为常规PID是一种特殊结构的模糊控制。文24认为自适应控制的非线性、复杂性和稳定性要求限制了应用，文章提出了一个三维模糊控制器来取代自适应控制。张恩勤等比较了T-S模糊控制器与PID控制器25

24、。模糊控制器的结构分析方法多样，在其一步步由浅入深、由局部到全面的发展过程中，人们对模糊控制器实质的认识也越来越深刻。上述学者在理论上对两种控制方式进行了深入的比较，通过这些比较可以看到模糊控制和传统控制有着密不可分得联系。他们中的多数学者认为模糊控制对于传统控制是有益的补充。缺乏系统化设计方法被认为是模糊控制理论中仍然有待解决的主要问题之一26-29 。目前的模糊控制器设计方法基本上如同一种“模糊艺术（fuzzy art）”。设计过程中的结构选取、算法确定、参数调整等主要是基于设计者的经验和偏好，同时还要依赖大量的计算机模拟试验。“视差法（trial and error）”仍然是模糊控制器设

25、计过程中的主要方法或手段。在控制性能优化设计方面，Simoes等提出了用二相方法优化模糊控制结构30；胡包钢等基于保守性准则（GPP）探讨了比例因子的非线性特性31；曹月东等在保证系统稳定的情况下用遗传算法求得了优化的鲁棒控制器32。在稳定性分析方面，Wang应用Lyapunov方法28；YSDing等借鉴小增益理论方法33；JXXu等依据圆判据准则34；Xu等根据增益裕量与相位裕量35。可以认为，这些传统的设计方法是“基于性能评价”的理论方法。同时，各方法之间缺少横向的系统化比较。“如何合理地选择模糊控制器设计参数”已经成为许多学者致力的研究内容。以模糊推理方法（fuzzy reasonin

26、g scheme）研究为例，Mizumoto于1988年对十二种不同的模糊推理方法进行了系统的比较研究37，推断出合理的推理方法。比较结果是以一阶带延时被控对象的响应性能为根据。然而，Mizumoto的数值式（numerically-based）方法给出的结论是有局限性的，它将随被控对象而发生改变。为克服这一缺点，Ying采用了分析解方法12，基于简单地讨论首先可以去除其中不合理的八种方法，然后对剩余的四种方法进行控制量形式的比较研究。这种分析解方法得到的设计准则结论将更具有广义意义。还有相当多的学者正在将模糊控制与其他控制方法结合起来形成新的研究方法，目的在于使模糊控制在实际应用中产生更好的

27、效果。近年来，以Zadeh为首倡导的“软计算”试图将模糊控制理论与其他传统的控制及新兴理论融为一体，取得了很好的效果。很多学者在这方面做了研究。采用模糊推理，对控制器PID参数进行自整订，是克服系统不确定性、提高控制器性能、增强系统鲁棒性的重要手段。将寻优的思想应用于模糊控制，可解决模糊规则的优化问题。将模糊控制应用于非线性滑动模态控制中，利用模糊控制器本身所具有的“语言变量”性能，采用“不精确推理”方式，替代滑动模态控制中的非连续部分，模糊滑动模态控制律不仅可以大大减小状态轨迹的震荡，同时增加了控制系统的鲁棒性。在基本模糊控制器中加入性能测量和控制量校正环节实现对论语、或隶属函数、或量化因子

28、和比例因子、或控制规则进行在线修正，不断改善系统性能，这就构成了自组织模糊控制器；如果对过程参数不确定的系统，能够通过观测过程用输入和输出信息来改善系统得控制性能，那么这种模糊控制器就称为参数自适应模糊控制器。模糊控制器与PID控制器的结合得到了广泛的关注和应用。人们已研究了基本Mamdani模糊控制器的各种扩展设计及其结构分析，证明了模糊PID19 37 38 、模糊P+ID39、模糊PD+I40、串行模糊PI+PD41、并行模糊PI+PD42和模糊（PI+D）43 控制器都是非线性PID控制器，并推导出其非线性增益的明晰表达式。模糊控制器与线性PID控制器相联系得解析结构，一方面揭示了模糊

29、控制器在非线性、时变和纯滞后等系统的应用中比现行PID控制器优越的机理，同时也提供了根据它们之间的增益关系来解析设计模糊控制系统并确保其稳定性的一种方法。1.3本文研究的主要内容本文主要对以下内容进行了研究：（1）对交交变频同步电机调速系统及其非线性负载螺旋桨的特性进行研究，并建立起其数学模型；（2）对模糊控制器的基本原理及其结构进行深入的研究，并在此基础上，针对系统中的速度调节器研究设计一种模糊PI控制器替代原来的速度调节器，实现模糊PI控制器在推进调速系统中的应用；（3）将基于模糊PI控制器的系统与基于常规PI控制器的系统分别进行仿真分析，并进行比较，体现模糊PI控制器的优越性；（4）给出

30、算法，并编程实现DSP控制，将模糊PI控制器应用到交交变频同步电机调速系统中，获得较为理想的实验结果。2 推进电机调速系统建模与仿真交流推进电机调速系统的数学模型是分析系统性能、设计控制规律的基础。采用气隙磁链定向控制的交交变频同步电机调速系统，为了获得优良的控制性能和运行性能，对转速采取了闭环控制。针对推进系统所带的非线性负载螺旋桨，本章对其特性进行研究。在此基础上建立推进电机调速系统的数学模型，进行仿真分析。2.1推进电机调速系统结构及原理2.1.1 同步电动机的控制原理通常的变频调速系统的控制量是交流电机的定子电压幅值和频率（电压控制型）或电流幅值和频率（电流控制型），它们都是标量，故称

31、为标量控制系统。在标量控制系统中，只能按电动机稳态运行规律进行控制，不能控制任意两个磁通势矢量的大小和相对位置，转矩控制性能差。欲改善转矩控制性能，必须对定子电压或电流实施矢量控制，既控制大小，又控制方向。交流电机的所有矢量（磁通势、磁链、电压、电流等）都在空间以同步转速旋转，它们在定子坐标系（静止系）上的各分量都是交流量。借助坐标变换，将电机矢量分解到旋转坐标系中，使他们都变成静止矢量，在坐标系上的各分量都是直流量。可以很方便地从统一转矩公式出发，找到转矩和被控矢量各分量之间的关系，实时地算出转矩所需的被控矢量各分量的值44。按照基准旋转坐标系的取法不同，矢量控制系统分为按转子位置定向的矢量

32、控制系统和按气隙磁场定向控制系统。而气隙磁场定向的矢量控制系统易于维持磁链恒定，使电动机运行经济合理，因此对于交交变频同步电机系统而言较为适合。为了便于分析同步电动机气隙磁场定向控制原理，忽略以下一些次要因素：（1） 凸极同步电动机、轴磁路的不对称；（2） 转子阻尼绕组的影响；（3） 磁化曲线的非线性等。同步电动机的矢量图如图2.1所示图中 内功率因数角； 外功率因数角； 负载角； 转子位置角； 磁链位置角； 气隙合成磁链矢量； 、定子端电压和定子电动势矢量； 、定子、转子和气隙合成磁动势矢量； 、定子、转子和气隙磁化电流矢量。图2.1 同步电机矢量图所有空间矢量都在空间以同步角速度旋转，它们

33、位于空间任意位置。坐标系为旋转坐标系，以气隙磁链方向为轴，该轴以同步角速度旋转。在坐标系上，把定子、转子电流矢量分解得： （2-1） （2-2）定子电流矢量和转子励磁电流矢量合成得磁化电流矢量，由矢量图： （2-3） （2-4）由磁化电流矢量产生合成磁动势和磁链，其在定子绕组所产生的电动势比磁链超前。由电机的统一转矩公式： （2-5） 式中 比例系数； 定子、合成磁势夹角； 、定子、合成磁势。 可推出同步电动机转矩公式： （2-6）式中 比例系数。如果能在负载变化时，施加控制，使和恒定，则 （2-7）这样同步电动机的转矩控制就可以像直流电动机那样，控制定子电流的转矩分量就可以控制其转矩。气隙合

34、成磁场在轴上，由式（2-4）可知，气隙磁链与磁化电流成正比，而磁化电流又由和决定，因此，协调控制同步电动机转子电流的磁化分量和定子电流磁化分量，就能保持气隙合成磁链的恒定。另外，同步电动机的功率因数也可以通过定子电流的磁化分量加以控制。上述过程的关键是准确检测气隙磁链的空间位置。检测方法有电压模型法和电流模型法两种45。电压模型法：利用测取的定子三相电压实际值、直接计算电动机磁链矢量的模和位置角，其步骤如下：（1）利用3/2变换将、三个量变换为坐标系中的、两个分量；（2）利用关系，在坐标系中计算和； （2-8）（3）利用矢量分析器（VA），在坐标系中计算磁链的模和位置角。 （2-9）电流模型：

35、利用定子电流磁化分量的给定值和转矩电流分量的给定值、磁化电流的期望值，计算出期望的负载角，然后，与所测得的转子位置角相加，计算期望的磁链位置角，这样就可以近似地辨识出气隙磁链的空间位置，并计算出转子励磁电流的给定值。 （2-10） （2-11） （2-12）上述各式中上标带“*”的量为该量的给定值或期望值。计算步骤如下：（1）利用式（2-11）计算、 ； （2）利用式（2-12）计算期望的负载角； （3）计算磁链位置角的期望值：。2.1.2 系统的结构及各单元模型同步电动机的矢量控制变频调速系统采用了和直流电动机调速系统相仿的双闭环结构形式。该系统主回路由电流控制型三相交-交变频器、同步电动机

36、、转子位置检测器、电流电压检测单元及转子励磁装置等组成；控制回路由功率设定单元、速度调节单元、转子励磁控制单元、初始定位单元、混合式磁链模型（电流模型、电压模型）、磁链调节单元及坐标变换单元等。调速系统框图如图2.2所示。下面对各单元模型进行介绍。2.1.2.1 同步电动机在二相同步旋转坐标下的电动机方程： 气隙磁链方程： （2-13）定子电压方程： （2-14）电磁转矩方程： 2.1.2.2 功率因数设定当、和较小时， （2-15）又有： （2-16）图2.2 交交变频同步电机矢量控制调速系统框图由以上两式得： （2-17）又由矢量图2.1可知： （2-18）将式（2-17）代入上式，可得：

37、 （2-19）式（2-19）即为在给定功率因数的情况下2.1.2.3 速度控制单元速度调节器的输出为定子电流转矩分量。速度控制部分由给定限幅环节、速度自适应调节器、动态转矩补偿环节和电流限幅环节等部分组成。（1） 给定限幅：用于限定给定的正、反向最高转速；（2） 速度自适应调节器：一般采用PI调节器，输入为速度给定和实际速度反馈的反差，输出为定子电流的转矩分量。速度环的开环放大倍数和气隙磁链成正比。当电动机高于基速运行时，电动机弱磁，其等效积分时间常数增大，速度环的开放放大倍数减小。为补偿电动机弱磁后开环放大倍数降低，调节器比例部分被除以磁链，随减小，比例加大，保证总开环放大倍数不变。其调节模

38、型： （2-20）式中 比例系数，与成反比； 积分时间常数。（3） 定子电流转矩分量的限幅：用于限制最大定子电流转矩分量。 （2-21）2.1.2.4 电压给定（前馈补偿）电压给定（前馈补偿）是同步电动机坐标系上的定子电压方程的逆运算。根据坐标系上的定子电压方程式（2-14），由速度调节器输出的定子电流转矩分量及功率因数设定单元输出，可以得到稳态时轴系的定子电压方程： （2-22）获得、后，把他们分别与直流调节器输出、相叠加，经坐标到ABC的坐标变换，就可以得到前馈补偿量、，送至三个交流电控制回路中的电压调节器。这样，交流电路控制回路中电动势的影响被抵消，与磁链和角速度的耦合被解开。2.1.2

39、.5 电流调节器由式（2-22）可以得到稳态下的定子电压，为了消除定子电流的静差及加快定子电流调节过程，引入直流调节器及交流调节器。（1）直流调节器：为一积分环节；对速度调节器输出、功率因数设定输出与电动机实际定子电流、的差进行积分，输出、分别与电压给定输出量叠加，其模型： （2-23）式中 ； 直流电流调节器积分时间常数。（2）交流电流调节器：为一比例环节，加速了定子电流的调节过程。 将、经坐标到ABC的坐标变换后得到、，与实际定子电流、相减得到偏差、，对偏差放大后输出、，与电压给定单元输出经矢量变换后的值相叠加，得到定子电压期望值。其模型： （2-24）式中 放大系数。2.1.2.6 磁链

40、调节器当同步电动机转速（额定转速）时，要求磁链恒定，恒转矩调速；当时，要求电动机电压恒定，磁链随转速升高而减小（与转速成反比例），恒功率调速。磁链调节器由两部分组成：（1）比例调节部分：输出定子电流磁化分量增量，送至定子磁化电流调节系统输入端，与功率因数设定单元输出叠加，产生定子电流磁化分量，通过改变来调节气隙磁链或保持定子电压不变。这种调节回路响应快，但是会降低电动机的功率因数，只在动态是起作用，稳态时=0。（2）比例积分调节部分：输出，送至励磁电流调节系统磁化电流输入端，与电流模型输出的励磁电流分量叠加，产生励磁电流磁化分量，通过改变来磁链或保持定子电压不变。由于励磁回路电磁时间常数大，故

41、响应慢，但由于积分调节作用可以消除误差。2.1.2.7 混合式磁链模型同步电动机的电压模型和电流模型在矢量控制中的作用是一致的，用来观测同步电动机气隙磁链的大小和空间位置。电流模型有三个任务：（1）气隙磁链给定值经反磁化曲线函数发生器，得到了对应于气隙磁化电流的磁链给定值，它和期望值相比较，经PI调节器输出信号。由式（2-11）、坐标变换得、，求出、，经矢量分析求出，实现闭环。（2）励磁电流调节器给定值的计算：由给定值、，根据式（2-11）可计算出励磁电流的给定值。（3）计算气隙磁链的期望值。由电动机矢量图可得： （2-25）和来自转子位置检测器的角相加得到磁链位置角，则气隙磁链在上的分量：

42、（2-26）电压模型是根据定子电流、电压的实际测量值经3/2变换后得到、，计算出气隙磁链的幅值和位置角。当电动机转速很低时，由于定子电动势小，电阻压降影响增大，导致所测量误差必然加大，因此电压模型不够准确。而电流模型的优点是通过电流求磁链，不受电动机转速的影响，因而通常采用混合式磁链模型。混合式磁链模型是综合电压、电流模型的优点，让两种模型配合使用。当电动机转速较低时（），由于电压模型误差大，系统采用电流模型计算气隙磁链；当电动机转速较高时（），利用电压模型较准确。2.1.2.8 励磁电流调节器励磁电流调节器与直流电动机励磁调节器相同，实现励磁电流的闭环控制。励磁电流的跟随性对于系统能否正常运行有较大的关系。跟随性不好就会导致系统动态性能指标差，不仅响应慢甚至使系统无法正常工作。电流模型输出的励磁电流给定值与实际测量的励磁电路相减，所得偏差经PI调节后输出，送入励磁控制主回路，完成对励磁电流的闭环调节。其模型： （2-27）2.1.2.9 变频器变频器通常被看作一个小惯性环节，