本文是一篇电力论文，笔者认为传统的永磁同步电机控制系统对于突加负载及给定转速发生变化等情况，有着转速变化响应慢，超调量大等缺点，而且对于逆变器的死区效应，电机电流波形会发生畸变，使永磁同步电机控制系统的控制性能降低。
第1章绪论
1.1课题研究背景
在如今的工业生产中，电机的作用愈发不可忽视，在我们日常的生产生活中都无处不在。如何控制电机，使其发挥更好的性能是一个重要的问题，电机的运行效果有些时候直接决定生产结果的好坏，因此各式各样的控制方法与控制策略应运而生。特别是在当今时代背景下，电机的应用场景也不断增多，在机器人、医疗、航天等领域的应用也越来越多，在很多场合下，对电机的性能和精度要求非常高，提出更好的控制策略成为一个亟待解决的问题。
不同的电动机由于其基本原理和结构上的不同，通常应用于不同的场合。在从前，因为交流电机结构复杂，所以一般采用直流电机进行调速。近年来永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor)在工业工程尤其是伺服系统中被广泛使用。通常PMSM控制系统采用配备转速电流双闭环的PI控制。但是对于电机转速环来说，传统的PID控制方法难以同时满足超调量与快速性的需求，而且由于固定的PI参数，当面对外界干扰时，控制效果也不好，因此采用更好的控制方法应用于控制系统转速环中是一个重要的问题[1]。目前，国内外很多学者对于PMSM的控制问题展开了深入的研究，提出了各式各样的控制方法。其中，自抗扰控制在非线性PID的基础之上发展而来。该方法既不依赖于被控对象的模型，又能解决传统PI控制的种种问题，收获到了很好的效果[2]。
对于控制系统的电流环来说，由于逆变器的死区特性，导致必须留有一定的死区时间，仅仅依靠PID控制无法解决死区效应带来的电流波形畸变的问题[3]，因此，提出一种控制方法对死区效应带来的电流畸变进行补偿也是一个重要的问题。
1.2永磁同步电机控制系统研究现状
矢量控制于上世纪70年代被提出后得到了广泛的应用，其基本思想是以坐标变换为基础，采集转子磁通位置，控制定子的电压电流。首先对坐标进行派克变换，将三相坐标系下的定子电流转化为d-q坐标系，d轴和q轴电流分别用来产生磁通和转矩。通过参考直流电机的控制思想，即直流电机输入的电流量会转化为转矩，以此为基础，将励磁和转矩分量解耦，这样就可以实现对二者分别控制。
直接转矩控制诞生于19世纪80年代，最初在交流异步机控制系统中得以应用。由定子电压和磁链的关系可以推定，当输入的电压矢量不同时，磁链也会发生相应的变化，而磁链角的变化量会影响转矩角的增量。通过空间电压矢量调制的方法，输入不同的电压矢量，以这种方法去控制电机。由于在直接转矩中不存在坐标变换问题，其结构简单，具备较强的鲁棒性，但因为永磁体的磁场的原因，采用直接转矩方法控制PMSM需要采取反电压矢量进行辅助，但这样做会引起其他一系列问题，所以在PMSM进行直接转矩控制有待于进一步研究[4]。
简单实用的控制方法逐渐不能满足人们的需求，因此高性能的控制系统的研究受到了越来越多的学者的青睐。目前，许多适用于现代的高精度高稳定性的智能控制方法被大量应用于矢量控制中用以提高控制系统的控制性能。
第2章控制系统设计及死区补偿方法
2.1永磁同步电机数学模型
PMSM根据电机转子结构的不同大体可以分为两类：表贴式和贴片式。其中，表贴式电机转子为隐极结构，本文所提及的PMSM均为隐极机。
PMSM控制系统内部电磁联系非常密切，为了简化模型，将其视为理想电机，并做出以下假设[27-29]：
（1）忽略铁芯的饱和；（2）不计磁滞损耗和涡流损耗；（3）电机电流波形为三相对称正弦波；（4）忽略转子上阻尼绕组。
2.1.1三相静止坐标系下永磁同步电机的数学模型
PMSM物理模型如图2-1所示。
2.2永磁同步电机双闭环调速系统
矢量控制的思想参考了直流电机控制中电枢电流和励磁电流相互独立的优点，并在此基础之上发展而来。矢量控制也被称为磁场定向控制(Field Oriented Control,FOC)，通过使定子和转子磁场正交，达到产生更大转矩的目的。矢量控制自诞生以来，由于其优异的控制性能和稳定性，得到了国内外学者的青睐，因此PMSM控制系统得到了极大的发展，并在此基础上发展出了许多性能优异的现代控制方法[36]。
永磁同步电机控制的一个基本逻辑是由电流控制磁场，磁场控制电磁力，电磁力控制转矩，转矩控制转速，如图2-4所示。
但是由于永磁同步电机定子三相电流与磁场和转矩的关系不明显，无法形成明显的控制关系，因此通过坐标变换进行解耦，将三相电流解耦成d-q轴电流，使d轴磁链恒定。
首先通过传感器和编码器采集电机电流、转速和转子角度，将三相电流变为d-q轴电流，将对系统给定的转速与电机实际的转速相减后送入转速控制器，将输出值作与q轴实际电流作差；令d轴电流为0，并与实际d轴电流做差。将这两个差送入电流控制器，得到d-q轴电压并变换为α-β轴电压，送入SVPWM中进行调制。d轴电流给定值通常设置为0，这是因为d轴电流控制产生磁通，当其为0时，电机电流直接产生电磁转矩。
第3章模糊分数阶自抗扰控制器设计.........................21
3.1控制系统整体方案设计...............................21
3.2自抗扰控制思想与转速控制器设计..............................22
第4章系统仿真研究..............................36
4.1带有死区补偿的永磁同步电机调速系统仿真模型搭建........................36
4.2模糊分数阶自抗扰控制仿真分析.....................................39
第5章基于原型控制器的实验研究与分析..........................53
5.1系统设计方案..................................53
5.2快速原型控制器与代码自动生成技术.....................54
第5章基于原型控制器的实验研究与分析
5.1系统设计方案
本文设计了带有死区补偿的模糊分数阶自抗扰控制平台，主要包括SP2000快速原型控制器、上位机软件、不可控整流电路、逆变器电路、逆变器驱动电路、PMSM以及各种信号采集电路组成。其整体系统框图如图5-1所示。
本实验中所用的主控芯片为DSP数字信号处理器，其具体型号为TMS320F28335。DSP28335比其上一代具有更好的控制性能，有着高达150MHz的计算速度，18路PWM输出端口，12位16输出的ADC接口。所用电机型号为130ST-M10015，额定转矩10N·m，额定功率1.5kW，额定电压220V，额定电流6A。上位机软件采用的是与快速原型控制器配套的组态监控软件YXSPACE。
结论
传统的永磁同步电机控制系统对于突加负载及给定转速发生变化等情况，有着转速变化响应慢，超调量大等缺点，而且对于逆变器的死区效应，电机电流波形会发生畸变，使永磁同步电机控制系统的控制性能降低。基于上述问题，本文提出了一种模糊分数阶自抗扰控制方法和一种基于自适应格型滤波器的死区补偿方法，实验对电机控制系统控制性能的优化。本文所做的工作如下：
(1)分析了永磁同步电机的基本原理。对永磁同步电机的模型和运行原理进入了深入的分析，建立了PMSM控制系统在几类坐标系下的数学模型，分析了SVPWM脉宽调制技术及PMSM调速系统的基本原理。
(2)提出了模糊分数阶自抗扰控制方法和带有自适应滤波器的死区补偿方法。对自抗扰控制方法进行深入分析，并基于此设计了二阶自抗扰转速控制器。并在此基础之上，引入了分数阶PID和模糊控制方法，将其与自抗扰控制方法结合，提出了模糊分数阶自抗扰控制方法，并详细分析了其基本原理。分析了死区产生的原因及其带来的影响，提出了一种死区补偿方法，对原理进行了详细的分析与推导。
(3)仿真验证了模糊分数阶自抗扰控制方法和带有自适应滤波器的死区补偿方法的可行性。搭建了PMSM控制系统的仿真模型，并在此基础上，加入了模糊分数阶自抗扰控制器和死区补偿模块，分析在各种工况下的电机转速响应波形，以及死区补偿前后的电流波形，仿真结果表明，模糊分数阶自抗扰控制器和死区补偿模块能提高电机的转速响应速度，降低转速超调量，降低电流波形的THD值。
(4)实验验证了本文所提理论的可行性。基于SP2000快速原型控制器设计了代码自动生成模型，设计了所需的相关硬件电路，构成了本文的硬件平台。基于此对本文所提理论进行验证，实验结果表明，本文所提的控制系统能够优化电机的转速响应效果，提高电机电流波形的正弦度。
参考文献（略）
