1.1 课题背景及意义
电机作为一种重要的机电能量转换装置，在国民经济、生活各领域中起着非常关键的作用，并消耗了大量的能量。随着环境问题的日益严重，电机及其控制系统的效率亟待提高。现代工业许多场合都需要电动机输出低转速和大转矩[1,2]，例如机床调速和进给系统、风电等新能源领域、传真通讯装置以及计测装置等。传统交流电机的转速一般在中高速范围内（几百至数千转/分钟），当需要低速运行时，大多电动机必须与机械变速机构配套使用，其中最常用的是变速器[3]。然而，减速器的使用会带来传动精度降低，系统尺寸增大、机械损耗增加等一系列问题[4]。电磁减速式永磁低速电动机无需减速机构可直接输出低速大力矩的特点可以有效解决上述问题，有利于节能和提高系统稳定性。随着现代永磁电机设计方法及其技术平台的发展，人们可以设计出特殊结构的永磁电机并使其能够达到一定的性能指标[5,6]，永磁低速同步电机（Permanent Magnet Low Speed SynchronousMotor，简称 PMLSSM，后文中使用时不再进行说明）就是其种的一种。永磁低速同步电动机是一种电磁减速式电动机，利用齿槽效应引起的气隙磁导变化工作，并通过配置定子和转子齿数为一定关系来达到减速目的[7]。这种电动机具有如下特点[8, 9]：能够直接输出大转矩、低转速；电机运转可靠且平稳；启制动性能优良且在动态过程中定子电流变化较小；有一定的剩余自锁转矩等。单相电机有结构简单、成本较低等优点，在家电、小功率机床等场合有广泛应用[10]。单相电机的定子中有两相绕组，本质上属于两相电机，一般由单相电源供电通过阻容裂相的方式运行。在对单相电机进行调速控制时，需通入相位相差90°的两相交流电流，以产生圆形旋转磁场使电机正常运行[11]。目前，伺服系统的研究主要集中在三相电机，两相电机尤其是两相 PMLSSM 的伺服控制系统研究还比较少，但两相电机的高性能变频调速的研究已经受到人们的广泛关注[12-15]。因此研究三/两相通用型电磁减速式永磁低速同步电机控制系统，具有非常重要的理论和实际意义。
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1.2 国内研究现状与发展动态
从上世纪 60 年代起，人们便开始研制不同原理和结构的电磁减速式低速电动机，比如电磁减速式永磁低速同步电机、滚切式电动机[16]、压电谐波电动机[17,18]、半导体换流低速磁阻电动机[19]等。PMLSSM 是一种比较广泛使用的电磁减速式低速电机，在二十世纪七十年代末的时候得到迅速发展，该电机最初由美国西屋公司研制成功，此后在美、日、德以及中国等国家得到了快速发展。PMLSSM 的结构和工作机理比较复杂，目前人们对它的研究要主要集中在这两个方面，而对其调速系统尤其是高性能控制系统的研究还比较少。文献[8]在以往单相 PMLSSM 的基础上设计了一种三相 PMLSSM，论述了定、转子气隙的选取、转子的结构及充磁方式等。文献[9]围绕着 PMLSSM 结构原理特点，提出了这种电机的关键制造技术，解决了稀土 PMLSSM 制造方面的技术难题。文献[20]详细分析了 PMLSSM 的基本的工作原理，并且指出这种仍可按一般同步电机的方法进行分析。文献[21]详细分析了单相 PMLSSM 的起动问题，分析了起动过程中存在的转矩谐波和电流谐波对起动性能的影响，并指出起动转矩中的谐波分量共同作用可使电机加速牵入同步。文献[22]针对轴向 PMLSSM 在设计与计算过程中存在的几个问题，如转矩难以准确计算等，通过将三维有限元分析和实验研究相结合，获得其转矩特性曲线，并指出该类电机具有很强的起动能力。
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第 2 章 PMLSSM 的原理与特点
2.1 PMLSSM 的结构和工作原理
PMLSSM 的结构如图 2.1 所示，电机的定子铁心由硅钢薄片板冲制后迭压而成，硅钢片上分布有若干个大齿，并且每个大齿上又有若干小齿；其转子铁心是由三段相互间错位分布的铁心构成的，在其左段、右段和中心铁心夹有圆盘型的钕铁硼磁钢，转子铁心上也均匀分布有小齿；机壳一般采用的是磁性材料以增强力能指标[8]。两相 PMLSSM 有两相定子绕组（空间上相差 90°），三相 PMLSSM有三相定子绕组（空间上相差 120°）。
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2.2 与鼠笼式异步电机、永磁同步电机的结构比较
鼠笼式异步电机主要由定子和转子构成，图 2.4 为其定转子的剖面图。它的定子主要包括定子铁心和定子绕组。这种电机定子铁心由硅钢片叠压而成，槽形一般有三种：开口槽、半闭口槽和半开口槽。定子绕组由按一定规律连接而成线圈组成。它的转子主要包括转子铁心、转子绕组和转轴，其转子铁心也是由冲槽的硅钢片叠成，并和转子支架或者转轴固定到一起。该电机的转子绕组为笼形结构，并且各相由单根导条组成。本次实验要求的测量精度并不高，再加上实验用的电机并没有安装编码器，因此采用霍尔接近开关来近似测量三相异步电机的启制动时间。电机转速的测量原理如图 2.8 所示，电机转动一圈，霍尔接近开关输出一个周期的信号，测量霍尔接近开关两个输出脉冲之间的高频数字脉冲的个数，既可以计算电机转一圈所用的时间1T （单位：s）了。
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第 3 章 三相/两相 PMLSSM 的控制策略研究............15
3.1 系统组成原理与功能............15
3.2 三相/两相通用型主电路与 SVPWM 调制技术......16
3.3 基于矢量控制技术的 PMLSSM 的数学模型..........21
3.4 PMLSSM 参数离线辨识........22
3.5 系统中各调节器的设计及参数自整定...........23
3.6 改进型 PMLSSM 滑模观测器的设计....26
3.7 Matlab 仿真分析............31
3.8 本章小结.....45
第 4 章 三/两相 PMLSSM 控制系统的硬件/软件设计....... 46
4.1 三/两相 PMLSSM 控制系统的硬件设计........46
4.2 三/两相 PMLSSM 控制系统软件设计............51
4.3 本章小结.....59
第 5 章 三相/两相 PMLSSM 控制系统的实验分析....61
5.1 实验平台.....61
5.2 三相/两相 SVPWM 调制技术实验........61
5.3 PMLSSM 的参数辨识实验....63
5.4 基于转速、电流双闭环的 PMLSSM 控制系统实验.......65
5.5 基于无速度传感器的 PMLSSM 控制系统实验......65
5.6 本章小结.....67
第 5 章 三相/两相 PMLSSM 控制系统的实验分析
5.1 实验平台
本文实验所用平台如图 5.1 所示，实验平台包括三相/两相通用型 PMLSSM伺服驱动器、PMLSSM、隔离变压器、示波器以及交流断路器等部分。其中，三相/两相 PMLSSM 的参数如表 3.5 和表 3.6 所示。第 5 章 三相/两相 PMLSSM 控制系统的实验分析5.1 实验平台本文实验所用平台如图 5.1 所示，实验平台包括三相/两相通用型 PMLSSM伺服驱动器、PMLSSM、隔离变压器、示波器以及交流断路器等部分。其中，三相/两相 PMLSSM 的参数如表 3.5 和表 3.6 所示。设置载波频率为 10kHz，实际系统中需要设置死区时间，设置为 800ns，并设置逆变器的输出电压为 110V、输出频率为 50Hz，逆变器输出接两相 PMLSSM。设置载波频率为 10kHz，死区时间为 800ns。图 5.3 是实验波形图，其中，图（a）是 A 相桥臂两路 PWM 波形图，从图中可看出 PWM 的频率为 10kHz；图（b）是 PWM 波形的放大图，从图中可看出死区时间为 800ns；图（c）是设置输出电压为 110V、输出频率为 50Hz 时，两相 PMLSSM 的两相电流是相位相差 90 的正弦波，与设计目标一致，证明了本文采用的两相 SVPWM 调制技术的有效性。
总结
PMLSSM 无需机械变速装置，可直接输出低转速、大转矩，具有可快速起停且在动态过程中定子电流变化较小、运行平稳等优点，在机床调速和进给系统、风电等新能源领域、传真通讯装置以及计测装置等场合中有着广泛的应用。而目前对于这种电机的控制系统的研究还不足，将高性能的电机控制算法应用于PMLSSM 以提高控制系统的性能具有理论和实际价值。本文的主要工作内容和研究成果总结如下：
（1）介绍了 PMLSSM 的结构和工作原理，并通过与其他电机的比较突出了这种电机的结构和在启制动性能方面的特点。
（2）在深入分析了三相/两相 SVPWM 调制技术原理和基于矢量控制技术的PMLSSM 数学模型的基础上，研究了该电机的参数辨识方法，各调节器的工程设计方法及参数自整定的方法，以及基于改进型滑模观测器的无传感器控制算法。针对滑模变结构控制本身存在的“抖振”问题，采用饱和函数取代控制系统中的切换函数，并将锁相环滑模观测器结合起来提取转子速度和位置信号，从两个方面有效削弱“抖振”对信号的影响。利用 Matlab 软件，建立了系统的仿真模型，仿真结果表明了本文设计的控制算法的有效性。
（3）完成了三/两相 PMLSSM 控制系统的软硬件设计。采用模块化的设计思路，将硬件分为以功率模块 PM20CTM060 为核心的驱动电路板、以STM32F103ZET6 微处理器为核心的控制电路板以及以 12864 点阵液晶为核心的人机界面电路板。采用 uC/OS 降低软件设计和实现的难度，提高了系统的可靠性提高开发效率
