（电气工程专业论文）模糊控制在永磁同步伺服系统中的应用与研究.pdf

硕士学位论文 摘要 随着现代化工业的不断发展，伺服系统在工业领域的应用日益广泛，对其性 能的要求也越来越高。特别是在精密雷达和军用武器随动装置中，要求伺服系统 具有高速、高精度、高可靠性和较强的抗干扰能力。伺服控制技术是决定交流伺 服系统性能好坏的关键技术之一，也是国外交流伺服技术封锁的主要部分。研究 高性能交流伺服控制技术，尤其是最具应用前景的永磁同步电动机伺服控制技术， 具有重要的理论意义和实用价值。 本文研究的是以永磁同步电动机为执行元件的交流伺服系统。相对感应电动 机来说，永磁同步电动机具有结构紧凑、重量轻、功率密度高、转子无发热问题 和控制系统较异步电机简单等优点。 本论文首先介绍了永磁同步电动机伺服系统的研究现状、发展趋势和控制策 略。接着研究了永磁同步电动机的结构，建立了永磁同步电机在三相静止坐标系 下的数学模型，根据坐标变换理论，推导了永磁同步电动机d q o 轴电压方程、磁链 方程以及转矩方程，为控制方案的选择打下了基础。在此基础上讨论了永磁同步 电动机的矢量控制原理并详细分析了电压空间矢量控制原理。然后，介绍了模糊 控制器的原理及设计方法，并通过仿真设计了模糊p i d 控制器来代替传统p i d 控制 器实现对p m s m 的矢量控制，提高了系统的动、静态性能以及抗干扰性能，改善 了系统的鲁棒性。 文章最后设计和制作了基于t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 d s p 的硬件和软件系统，并给出了 硬件电路、软件流程、参数设计方法和实验波形，实验表明该系统的各项性能达 到了预定目标，证明该系统己能够满足高性能伺服系统的基本要求。 关键词：伺服；永磁同步电动机；矢量控制；模糊p i d ；d s p i i 模糊控制在永磁同步伺服系统中的应用与研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o r d e ni n d u s t r i a l ，t h ea p p l i c a t i o no fs e r v os y s t e m b e c o m e sm o r ee x t e n s i v e ， a n di t s p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sk e e pi n c r e a s i n g e s p i c i a l l yi np r e c i s i o nr a d e ra n dm i l i t a r yw e a p o ni n s t a l l a t i o n s ，s e r v os y s t e m ss h o u l d b eh i g hs p e e d ， h i g hp r e c i s i o n ，h i g hr e l i a b i l i t ya n da n t i j a m m i n g s e r v oc o n t r o l t e c h n 0 1 0 9 yi so n eo ft h ek e yt e c l l i l o l o g i e st h a td e t e m l i n e st h ep e r f o m a n c eo fa c s e r v o s y s t e m ，a sw e l la sam a j o rp a r to fb l o c k a g ea b r o a d r e s e a r c ho nt h a t ，i np a r t i c u l a r t h e p r o m i s i n gp e m a n e n tm a g n e ts ) ，i l c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) ，i so fs i g n i f i c a n tt h e o r e t i c a l a n dp r a c t i c a lv a l u e t h i sp a p e rs t u d i e so na cs e r v os y s t e mw i t hp m s ma st h ee x e c u t i v ec o m p o n e n t c o m p a r e dt ot h ei n d u c t i o nm o t o r ，p m s mh a sa d v a n t a g e ss u c ha sc o m p a c ts t l l l c t u r e ， 1 i g h tw e i g h t ，h i g hp o w e rd e n s i t y ，n or o t o rh er ! ：；p r o b l e ma n ds i m p l e rc o n t r o ls y s t e m ， e t c f i r s to fa u ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c ho v e r v i e 、md e v e l o p m e n tt r e n da n d c o n t r o ls t r a t e 百e so fp m s ms e r v os y s t e m s e c o n d l y ，t h es t m c t u r eo fp m s mi ss t u d i e d ， a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e li nt h et h r e e p h a s es t a t i cc o o r d i n a t es y s t e mi se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ec o o r d i n a t et r a n s f o m a t i o np r i n c i p l e ，g i v i n gt h ed q a x i sv o l t a g e e q u a t i o n ，n u xl i n k a g ee q u a t i o na n ds oo n ，w h i c hc o n t r i b u t et oc h o o s ec o n t r o ls t r a t e g y t h e n ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h ev e c t o r c o n t r 0 1s t r a t e g yo fp m s ma n da n a l y z e st h et h e o r ) ， o fs v p w m a r e rt h a tm ep 印e rp r e s e n t st h ep r i n c i p l ea n dd e s i g nm e t h o do f 如z z y c o n t r o l l e r a n dt h i sp a p e fi n t r o d u c e st h e 向z z yp i dc o n t r o l l e r ，w h i c hc o m b i n e st h e a d v a n t a g e s o f向z z yc o n t r o la n dp i dc o n t r o l ，r e a l i z e st h ep e m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o rv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g y t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es t a t i c ， d y n a m i cp e r f o m a n c ea n da n t i - ja m m i n gp e r f o m a n c eo ft h i ss y s t e mh a v e b e e n i m p r o v e d i tm a k e st h es y s t e mm o r er o b u s t a tl a s t ，t h ep a p e rg i v e sh a r d w a r ec i r c u i t s ，s o rn o 、mp a r 锄e t e rd e s i g nm e t h o da n d t h ee x p e r i m e n t a lw a v eo ft h ep m s ms e r v os y s t e mw h i c hi sd e s i g n e db a s i n go nt h e c o n t r o lc o r et m s 3 2 0 f 2 8 0 8 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i ss y s t e mh a s a c h i e v e dt h e a n t i c i p a t e dt a r g e t ， a n dc a nm e e tt h eb a s i c r e q u i r e m e n t s o f h i g l l - p e r f o 彻a n c es e r v os y s t e m k e yw o r d s ：s e r v o ；p m s m ；v b c t o rc o n t r o l ；f u z z yp i d ；d s p i 湖南大学 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： 闭板日期：矽矿7 年歹月节日 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 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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：阁葭 导师鹕：彩童 日期：们一7 年占月冲日 日期：功口7 年；月冲日 硕卜学位论文 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 伴随着现代工业的快速发展，标志着一个国家工业实力的相应设备如精密机 床、工业机器人等对其“驱动源 即电伺服驱动系统提出了越来越高的要求【l 儿引。 相比直流电动机和异步电动机而言，基于正弦波反电动势的永磁同步电动机( 简称 p m s m ) 因其优异的性能己日渐成为电伺服系统执行电动机的“主流 。随着现代 电力电子技术、微电子技术、计算机技术等支撑技术的快速发展以及控制理论的 不断进步，以永磁同步电动机作为执行机构的交流伺服驱动系统的发展得以极大 的迈进。对于发展高性能p m s m 伺服系统来说，由于在一定条件下，作为“硬形 式 存在的p m s m 、逆变器及相应反馈检测装置等性能的提高受到许多客观因素 的制约；而以“软形式 存在的控制策略具有较大的柔性，伺服控制技术作为决 定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分。 随着国内交流伺服电机及驱动器等硬件技术逐步成熟，以软形式存在于控制芯片 中的伺服控制技术成为制约我国高性能交流伺服技术及产品发展的瓶颈【3 l 【4 1 。研究 具有自主知识产权的高性能交流伺服控制技术，尤其是最具应用前景的永磁同步 电动机伺服控制技术，具有重要的理论意义和实用价值【5 1 【6 】【7 】【8 1 。 本文设计的永磁同步电动机伺服系统，采用矢量控制的策略，在传统p i d 控制 的基础上引入模糊控制方法，并在m a t l a b s i m u l i n k 下建立仿真模型来分析永磁 同步伺服系统的各方面性能，然后基于d s p 实现硬件系统的设计，同时在c c s 编译 环境下进行软件设计和实验调试，达到了比较理想的效果。本课题的研究对于高 性能伺服系统的的发展具有一定的参考价值。 1 2 伺服系统简介 1 2 1 伺服系统的定义 “伺服( s e r v o ) ”这个词语源于希腊语，含有“奴隶”的意思。“伺服机构 是按照控制信号的要求而动作：控制信号到来之前，被控对象是静止不动的；接 收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象又能自 行停止。正是基于执行机构这一特点，我们称之为伺服系统。 伺服系统的主要任务就是按照控制命令的要求，对信号进行变换、调控和功 率放大等处理，使驱动装置输出的力矩、速度及位置都能得到灵活方便的控制。 伺服系统的结构框图如图1 1 所示，它是具有信号反馈的闭环控制系统，主要 模糊控制n ：永磁i | j _ i 步伺服系统中的戍用吁研究 由伺服控制器、驱动电路、伺服电动机及相应反馈检测器件组成9 1 。 图1 1 伺服驱动控制结构框图 1 2 2 伺服系统的研究概况 伺服系统的发展与伺服电动机的发展紧密地联系在一起，在6 0 年代以前，伺 服驱动是以步进电机驱动的液压伺服马达，或者以功率步迸电机直接驱动为特征， 伺服系统的位置控制为开环控制。6 0 7 0 年代是直流伺服电动机诞生和全盛发展 的时代，由于直流伺服电动机具有比交流伺服电动机易于控制、调速性能好等优 点，相关理论及技术都比较成熟，因此，直流伺服系统在工业及相关领域获得了 广泛的应用，伺服系统的位置控制也由开环控制发展成为闭环控制1 0 】【1 1 】【1 2 1 。但是， 随着现代工业的快速发展，其相应设备如精密数控机床、工业机器人等对电伺服 驱动系统提出了越来越高的要求，尤其是精度、可靠性等性能上。而传统直流电 动机采用的是机械式换向器，在应用过程中存在很多问题，其可靠性和可维护性 较差，且换向器会产生火花，限制了电机的最高转速和过载能力，其使用环境也 受到限制【1 3 】【1 4 1 。 从7 0 年代后期到8 0 年代初期，随着微处理技术，大功率高性能半导体功率器 件技术和电机永磁材料制造工艺的发展，其性能价格比的日益提高，交流伺服技 术交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品【1 5 儿1 6 】。目前，高性能 的伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电机，永磁同步电机交流伺服系统在技 术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能并可实现弱磁高速控制，并且 诞生了能快速、准确定位的控制驱动器组成的全数字位置伺服系统。同时，随着 永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低【1 7 l ，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐 腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机 研究开发经验的逐步成熟，经大力推广和应用已有研究成果，其在工业生产领域 中的应用也越来越广泛，正向大功率化( 高转速、高转矩) 、高功能化和微型化方面 悖羼【1 8 1 【1 9 】【2 0 】【2 l 儿2 2 】 k ，ko 1 3 交流伺服系统发展趋势 综合国内外交流伺服系统发展与现状，可以清楚地看出其发展趋势，主要表 现在以下几个方面： 2 硕l ：学位论文 ( 1 ) 永磁化 交流伺服系统主要有永磁同步电动机交流伺服系统和异步电动机交流伺服系 统两大类。异步电动机交流伺服系统具有电机结构坚固、制造容易、价格低廉、 弱磁调速易于实现等优点，但与永磁同步电动机交流伺服系统相比存在着效率低、 功率因数低、低速力矩小、转子发热严重等问题。而随着永磁材料性价比的不断 提高，永磁同步电动机结构的优化设计和新的控制策略的发展，其耐高温、耐振 动、可弱磁调速的性能不断提高1 2 3 1 。最典型的应用就是电动汽车和高性能电梯曳 引机已逐步引进永磁同步电动机交流伺服系统，其性能与异步交流伺服系统相比 有明显提高。 ( 2 ) 全数字化和控制智能化 交流伺服系统控制单元经历了模拟式、混合式、全数字化逐步演变进步的过 程，各类新型高速微处理器和电机专用d s p 的出现，为伺服控制单元包括位置环、 速度环、电流环的全数字化控制的实现奠定了坚实的物资基础【2 4 】【2 5 儿2 6 】【2 7 】【2 引，从 而将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，不仅大大简化了伺服系统的结构， 提高了运行可靠性，而且在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法【2 9 】【3 0 】【3 1 1 ( 如： 最优控制、人工智能、模糊控制、神经网络等) 成为可能，从而促使交流伺服系统 的控制性能进一步提高。 ( 3 ) 高度集成化 一方面随着永磁材料磁能积不断提高，永磁同步电动机的体积重量明显下降； 另一方面随着电力电子技术的发展，一大批新型功率器件应用到交流伺服控制单 元中，最典型的是i g b t 智能功率模块( i p m ) 的应用，不仅使主电路结构更加紧凑， 而且大大简化了伺服系统的驱动、保护电路。特别是内含电压自举电路的i p m 模块， 可以将原来驱动单元所需的四路独立电源减少为一路电源。另外，新型电力电子 元器件的不断涌现，也促进了伺服单元的高度集成化。例如，相对h a l l 零磁通电流 传感器而言，采用线性光耦实现电机电流采样具有更小的体积和重量，目前已经 成功应用于交流伺服系统产品中( 如华科大生产的交流伺服单元) 。 ( 4 ) 通讯网络化 在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化工程技术近十几年来取得了 飞速的进步，并显示出良好的发展势头。为适应这一发展趋势，最新的伺服系统 都配置了标准的串行通讯接口( 如r s 一2 3 2 c 、r s 一4 2 2 接口等) 和专用的局域网接 口，这些接口的设置，显著增强了伺服单元与其他设备间的互联能力【3 1 【”。以数控 机床系统为例，只需一根电缆或光缆，就可以将数台甚至数十台伺服单元与上位 计算机连接成整个数控加工系统。近年来，现场总线通讯方式( 如c a n 、s e r c o s 总线等) 已应用于交流伺服系统中，进一步提高了各设备之间的通讯速率与可靠 性。另外，近年来进口交流伺服系统都匹配了完善的串行通讯接口和运行软件， 3 模糊控制存水磁卜司步伺服系统中的j 啦用勺研究 而国内交流伺服产品在这方面还有许多工作要做。 1 4 控制策略的进步 永磁交流伺服系统在几十年的发展进程中，最显著的发展的是控制策略的不 断进步，其中具有代表性的包括：恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制、非 线性控制、滑模变结构控制、自适应控制、智能化控制等等【3 】【6 】【7 】。 ( 1 ) 恒压频比控制 具有位置检测环节的永磁同步电动机调速系统属于自控式变频调速系统的范 畴。即给定定子电流后，电机定子电流频率随转子位置的变化而变化，同时要使 得电机在不同速度下都能保证定子电流达到给定电流值，必须调整永磁同步电动 机的端电压，使之随电机转子速度的提高而增加，以补偿永磁同步电动机反电动 势的升高，所以永磁同步电动机自控式变频调速本质上满足恒压频比条件，属于 恒压频比控制范畴。恒压频比控制依据的是电动机稳态数学模型，不能控制电机 动态过程中的转矩，从而导致动态控制性能不够理想，目前永磁交流伺服系统基 本上不采用这种早期的控制模式。 ( 2 ) 矢量控制 由德国学者b l a s c h k e 于1 9 7 1 年提出的矢量控制理论使交流电机控制由外部宏 观稳态控制深入到电机内部电磁过程的瞬态控制，从而使得永磁同步电机的控制 性能得到了本质的提高。矢量控制最显著的特征是通过坐标变换将交流电机内部 复杂耦合的非线性变量变换为同步旋转坐标系中静止的直流变量( 如电流、磁链、 电压等) ，从中找到约束条件，获得某一目标的最佳控制策略。 目前永磁同步电动机应用最广泛的矢量控制方法是令乞= o ，通过控制定子电 流的q 轴分量屯即可控制电机转矩的大小。由于屯= 0 ，对永磁体无去磁效应，并满 足电磁转矩与控制电流屯的线性关系，达到了与直流电动机相媲美的动态控制性 能，而且该控制方法的系统建模较简单，实时计算量也较小。 = o 的矢量控制方法的不足之处是气隙合成磁链c o n s t ，功率因数c o s 1 ，从而导致变频器容量不能获得最充分的利用。为此，一些新的改造电机内部电 磁关系的控制策略应运而生，如以c o s 矽l 为约束条件的矢量控制方法，甄c o n s t 为约束条件的矢量控制方法，或通过改造电机结构使其厶厶满足最佳值，进而通 过复杂的运算使电机内部c o n s t 且c o s 矽= 1 的转矩电流线性控制方式等。近年来 随着电机专用d s p 功能的日益强大，为系统的复杂算法的实现提供了有力的保障。 ( 3 ) 直接转矩控制 由d e p e n b r o c k 教授于19 8 5 年提出的异步电机直接转矩控制方法，是在定子坐 标系下分析交流电机的数学模型，在近似圆形旋转磁场的前提下强调对电机转矩 进行直接控制，省掉了矢量控制中坐标变换等复杂计算。直接转矩控制磁场定向 4 硕仁学位论文 时应用的是定子磁链，只需知道定子电阻就可以把它观测出来，相对来说，该控 制方法更不易受电机参数变化的影响。近年来，直接转矩控制方式被移植到永磁 同步电动机的控制中，随着人们对其控制原理和关键技术的不断深入研究，直接 转矩控制将在大力矩、快速响应的数字化交流伺服系统中获得广泛应用。 ( 4 ) 非线性控制 交流电机是一个强耦合、多变量的非线性系统。非线性控制通过非线性状态 反馈和非线性变换，实现系统的动态解耦和整体线性化，将非线性、多变量、强 耦合的交流电动机系统分解为两个独立的线性单变量系统。其中，转子磁链子系 统包括两个惯性环节。转速子系统包括一个积分环节和一个惯性环节。两个子系 统的控制和调节按线性控制理论分别进行设计，从而使系统达到预期的性能指标。 但是，非线性系统反馈实现线性化的前提是要获得电动机模型的参数和对系 统的精确测量或观测，而电机在运行中参数会随着各种因素的影响而发生变化， 磁链观测的准确性也很难论证，从而影响系统的鲁棒性，甚至造成系统性能恶化， 目前这种控制方法需要在实践中深入研究和完善。 ( 5 ) 滑模变结构控制 滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策略，它与常规控制的根本区别在 于控制的不连续性，它是一种使系统“结构 随时变化的开关特性。其主要思想 是，根据被调量的偏差及其导数，有目的性地使系统沿设计好的“滑动模态 轨 迹运动。由于该滑动模态是可以设计的，且不受系统的参数及扰动的影响，因而 系统的鲁棒性得到了提高。另外，滑模变结构控制不需要任何在线辨识，所以较 容易实现。在过去十多年里，将滑模变结构控制应用予交流传动一直是国内外学 者的研究热点，并已取得了一些有效的成果。但滑模变结构控制本质上的不连续 开关特性使得在实际系统中抖振必定存在且无法消除，从而使其应用受到了限制。 ( 6 ) 自适应控制 自适应控制能在系统运行过程中不断提取模型的相关信息，使系统模型得到 逐步完善，它能有效克服参数变化对系统性能的影响。目前，应用于永磁交流电 动机控制的自适应方法有模型参考自适应、参数辨识自校正控制等等。但所有这 些方法都存在一些问题：数学模型和运算繁琐，使控制系统变得复杂；辨识 和校正都需要一个过程，对一些参数变化较快的系统，因来不及校正而不能获得 理想的控制效果。 ( 7 ) 智能控制 智能控制理论是永磁交流伺服控制发展中的一个崭新阶段，与传统的经典、 现代控制方法相比，具有一系列突出特点。首先，它突破了传统控制理论中必须 基于数学模型的模式，只按实际效果进行控制，而不依赖或不完全依赖于控制对 象的数学模型。其次，继承了人脑思维的非线性，智能控制器也具有非线性特征； 模糊栉制在水磁i | i ：i 步f 卅服系统中的f 够用与硼f 究 同时，利用计算机控制，可以根据当前状态切换控制器的结构，引入变结构方法 改善系统性能。在复杂系统中，智能控制还具有分层信息处理和决策的功能。利 用智能控制的非线性、变结构、自寻优等各种功能来克服交流伺服系统变参数与 非线性等不利因素，可以提高系统的鲁棒性。 目前智能控制在交流伺服系统应用中较为成熟的，是神经网络控制和模糊控 制。其中神经网络控制在永磁交流伺服系统中的应用主要有下面几个方面：代 替传统的p i d 控制；由于实际的矢量控制效果对传动系统参数变化很敏感，可以 将神经网络用于电机参数的在线辨识、跟踪，并对磁通及转速控制器进行自适应 调整；矢量控制需要知道转子磁通的瞬时幅值和相位，无速度传感器矢量控制 还需要计算转速，神经网络被用来精确估计转子磁通幅值、相位和计算转速； 结合模型参考自适应控制，将神经网络控制器用于自适应速度控制器中。模糊控 制是利用模糊集合来刻划人们日常所使用的概念中的模糊性，使控制器能更逼真 地模仿熟练操作人员的经验以及专家的知识和方法，它主要包括精确量的模糊化、 模糊推理、模糊判决以及清晰化处理等模块。一些文献表明，模糊控制系统需要 与其他控制方法相结合，才能获得更加优良的性能。 1 5 本文研究的主要内容 本课题研究以实际工程项目为背景，在基于t i 的t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 d s p 控制核心 的平台上，研制开发一套基于模糊p i d 控制的永磁同步伺服驱动器。本文主要在永 磁交流伺服系统方面做如下研究工作： ( 1 ) 建立了永磁同步电机数学模型，在此基础上对永磁同步电机矢量控制原 理进行了探讨研究。 ( 2 ) 研究了电压空间矢量脉宽调制原理。 ( 3 ) 分析了模糊控制的原理，构建了模糊p i d 控制器，并将其应用于永磁同 步伺服系统中，在m a t l a b 仿真环境下搭建整个伺服系统的仿真模型，同时进行 系统仿真，验证可行性。 ( 4 ) 基于t i 的t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 d s p 进行伺服系统硬件实验平台的设计。 ( 5 ) 在系统硬件实验平台的基础上编写系统软件，进行实验调试，并对实验 结果进行分析。 6 硕十学位论文 第2 章永磁同步电动机的控制原理 矢量控制理论是由德国的f b 1 a s c h k e 在1 9 7 1 年提出的。矢量控制的目的是为 了改善转矩控制性能，这一目标的实现最终要通过对定子电流( 交流量) 的控制来 达到的【6 j 。由于在定子侧的各个物理量，包括电压、电流、电动势、磁动势等等， 都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，调节、控制和计算都不方便。因 此，需要借助于坐标变换，使得各个物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系， 然后，从同步旋转坐标系的角度来考察，电动机的各个空间矢量都变成了静止矢量， 在同步坐标系上的各个空间矢量就都变成了直流量，可以根据转矩公式的几种形 式，找到转矩和被控矢量的各个分量之间的关系，实时的计算出转矩控制所需要的 被控矢量的各个分量值，即直流给定量。矢量控制方法成功实施后，使得由三相交 流供电的电动机变频调速后的机械特性及动态性能都达到了与直流电机调压时的 调速性能不相上下的程度，从而使得交流电机变频调速在电动机的调速领域里占 有越来越重要的地位【3 2 】【3 3 1 。相比异步电动机而言，永磁同步电动机具有以下优点： 转子采用高性能永磁材料( 如铁钕硼) ， 磁损耗，效率较高；发热主体在定子侧， 转子直径减少使电机小型化；转子无励 散热容易；且永磁同步电机的矢量控制 较异步电机简单，模拟式、数字式控制方式都较易实现。鉴于这些优点，永磁同 步电机的伺服系统得到越来越广泛的应用。 本章首先介绍p m s m 的结构，接着建立其在三相静止坐标系下的模型，并借 助坐标变换理论建立其在两相旋转坐标系中的电压回路方程、磁链方程及转矩方 程。这些方程有利于我们了解p m s m 的原理、分析其运动规律，为进一步讨论永 磁同步电机的矢量控制提供了理论基础。最后介绍了矢量控制的不同策略，并阐 述了p w m 技术的基本原理。 2 1p m s m 的结构 p m s m 的定子和转子带励磁绕组的同步电动机的定子结构是相同的，由三相 电枢绕组和铁心构成，且三相电枢绕组通常按星形连接，对其三相对称的绕组通 入三相对称的电流就可以得到一个圆形的空间旋转磁场。永磁同步电机的转子采 用永磁体，省去了励磁绕组、滑环和电刷，电机结构显得比较简单。永磁同步电 机需要安装转子位置检测器，用于检测转子磁极位置，对转子位置及速度进行控 制，从而控制永磁同步电机。永磁同步电机常用的转子位置检测器有旋转变压器 或光电编码器，与转子同轴安装。 7 模糊控制在水磁f 司步伺服系统中的应用j 研究 永磁同步电机具有电磁转矩纹波系数小、动态响应快、运行平稳、过载能力 强等优点，非常适合在负载转矩变化较大的情况下使用；而且它的功率因数高， 在轻载运行时节能效果明显，长期使用时可以大幅度节省电能；另外，电机体积 小、重量轻、结构多样化，应用范围比较广。正是由于永磁同步电机这些突出的 特点，非常适合在交流伺服系统中应用，目前已经得到人们越来越多的关注。永 磁同步电动机的转子采用永磁材料组成，如铁钕硼等，这样的永磁稀土材料具有 很大的剩磁和矫顽力，加上它的磁导率与空气磁导率相仿，对于径向结构的电动 机交轴和直轴磁路磁阻都很大，可以在很大程度上减少电枢反应。永磁同步电机 转子可以按其永磁体在转子上的位置分为两类：凸极式和隐极式，如图2 1 ( a ) 和 2 1 ( b ) 所示。凸极式是将永磁铁安装在转子轴的表面，因为永磁材料的磁导率很接 近空气磁导率，所以在交轴( q 轴) 和直轴( d 轴) 上的电感基本相同。隐极式转子则 是将永磁铁嵌入在转子轴的内部，因此交轴的电感大于直轴的电感，并且，除了 电磁转矩外，还有磁阻转矩存在，有助于提高电机的过载能力和功率密度，易于 弱磁控制。 a ) a ) 凸极式转子结构 b ) b ) 隐极式转子结构 图2 1 永磁同步电动机转子结构 永磁体转子产生恒定的电磁场，当定子通以三相对称的正弦波交流电时，就 会形成旋转的磁场，两种磁场相互作用产生的电磁力，从而推动转子旋转。通过 改变定子三相电源的频率和相位，就可以改变转子的速度和位置。 2 2p m s m 的数学模型 2 2 1p m s m 在三相静止坐标系下的模型 p m s m 的数学模型和电励磁同步电动机的数学模型是相似的。它包括电动机 的电压方程、磁链方程及转矩方程等，这些方程是p m s m 数学模型的基础。 为了建立永磁同步电动机的数学模型，通常先做如下假设： 8 硕卜学位论文 式中：甜，= k 月甜曰“cr ，= 【f 4 七r ，虬= 砂4 少口y c r 厶= 需三兰三篷； ，只c 印= 兰三i 季三三； 厶= l 必删 三曰m 肥i ，只( 口) = ic o s ( 9 2 乃3 ) i l m c zm c 8 cjl c o s ( 口+ 2 刀3 ) j 、甜b 、a 、b 、c 三相绕组电压； y z 、缈8 、缈c a 、b 、c 三相绕组交链的总磁链； l 、厶、三c 电机定子绕组自感； 交流电机三相对称的静止绕组a 、b 、c 通以三相平衡的正弦电流、如、如时， 9 模糊摔制在永磁步f 川服系统中的虑用j 研究 四相、等任意多相的对称绕组，通以多相平衡电流，都能产生旋转磁动势， 当然以两相为最简单。图2 2 ( b ) 中绘出了两相静止绕组口、，它们在空间上相差 9 0 0 ，通以时间上相差9 0 0 的两相平衡交流电流，也能产生旋转磁动势f 。当图2 2 ( a ) 和2 2 ( b ) 的两个旋转磁动势大小和转速都相等时，则可认为这两套绕组是等效绕 组。 再考虑图2 2 ( c ) 中的两个匝数相等并且相互垂直的绕组d 和q ，其中分别通以 直流电流f d 和乞，产生合成磁动势f ，其位置相对绕组来说是静止的。如果让包 含两个绕组在内的整个铁芯以同步速度觚旋转，则磁动势f 自然也旋转起来，成 为旋转磁动势。把这个旋转磁动势的大小和转速也控制成与图2 2 ( a ) 和2 2 ( b ) 中的 磁动势一样，那么这套旋转的直流绕组也就和前两套固定的交流绕组等效了。 p o ，s 初( x ) = 1 ；如果x 两个输入、一个输出量的隶属函数全部选择等距离三角形，如下图所示： n bn s1 湫湫、 4202 4 7 图3 2 9 隶属度函数 从图中可以看出，各个值的范围分别为：负大n b ：4 2 ，负小n s ：- 4 0 ， 零z o ：- 2 2 ，正小p s ：o 4 ，正大p b ：2 4 。 为了制表的方便，需要将输入、输出量的变量值通过论域离散化，以表格的 形式来表示模糊化过程。本设计中两个输入x 和y 以及输出z 的模糊化都采用相 同的形式，如表3 4 所示： 表3 4 隶属函数的离散化表格 n b n s z d 1o 5o0ooo0 0 0o 5l0 5o0o 00 0o0o 5lo 5o o0 朋000ooo 5 l0 5o j 阳 o o 0 o 0ooo 51 ( 2 ) 其次建立模糊控制规则表 设定模糊控制规则如下表所示： 4 l 模糊控制在永磁同步伺服系统中的府用0 研究 表3 5 模糊控制规则表 n b n s z o p s p b p 8 p b p s p s z o p b p s p s z d z o p s p s z o z o n s p s z o z o n s n s z 0 z o n s n s n b ( 3 ) 模糊控制表的求取 现在采用间接法求取模糊控制表，间接法是先求出模糊关系r ，再根据输入求 出控制量，再把控制量清晰化，便可得到模糊控制表。 设k 条控制规则的格式如下： i f4a n db ，t h e nc ! f ， 其中i 和j 为模糊集的长度，均为5 。 于是r ，的计算式为 吩= 4 哆c ：! ，= ( 4 色) “。q ( 3 6 ) 其中( 4 q ) 五表示将4 哆按行拉直成行向量，再转置成列向量。 总的模糊关系矩阵r 为 尺= u 4 岛q ( 3 7 ) 驴 接下来可以计算控制量的输出矩阵 z = ( 4 e ) 五。 ( 3 8 ) 其中( 4 色) 屯表示将4 哆按行拉直成行向量。 最后解模糊，根据重心法的计算公式 c ：挲 ( 3 9 ) 乙p 通过编程由计算机分别计算各组输入变量对应的输出控制量，组成下面的输 出控制表，如表3 6 所示。 4 2 硕 ：学位论文 表3 6 模糊控制表 3 5 本章小结 本章首先详细讨论了模糊控制系统的基本构成和工作原理，以及模糊p i d 控 制器的基本设计步骤。接着讲述了m a t l a b 中模糊控制器的设计方法，并将其与 传统p i d 控制结合起来构成模糊p i d 控制器，同时将模糊p i d 控制器应用于永磁 同步伺服系统，在m a t l a b 中建立系统模型，通过对仿真波形的分析，验证了模 糊p i d 控制器的优良性能。最后介绍了工程实际应用中模糊p i d 控制器的设计过 程，为后面试验调试中模糊p i d 控制的使用奠定了基础。 4 3 o 0 0 l 1 o 2 1 o 2 l l 2 2 2 5 5 = 3 猫 2 76 5 舶 ” 2 35 5 5 3 2 2 7 7 6 5 6 石 王 石 3 3 4 3 2 王 。 乞 之 乏 ：3 鲫 o o o 也 拍 猫 o o o 乏 艺 乏 o o o o 乞 ， o o 0 o 乞 ， ， o o 0 2 2 l o o o ” 2 。 。 。 o ：3 2 2 2 。 o o l 2 3 4 模糊控制n ：永磁同步伺服系统中的戍用与研究 第4 章永磁同步伺服系统的实现 4 1 系统硬件实验平台的设计 交流永磁同步电机伺服系统的硬件框图如图4 1 所示，整个硬件实验平台的搭 建包括以下几部分：主电路设计、以d s p 为核心的控制电路的设计、辅助电路等的 设计。主电路包括三相不控整流桥、i g b t 逆变电路等电路部分，控制电路主要由 d s p 控制芯片、i g b t 触发信号的隔离和驱动电路等组成。辅助电路包括介于i g b t 逆变电路和控制电路之间电流检测、位置速度反馈电路等外围电路。本节将在下 面分别进行介绍。 图4 1 伺服系统的硬件结构框图 4 1 1 系统主电路设计 根据项目所给定的伺服系统方案的要求，所选定的伺服电机的参数如下： 额定电流：2 7 5a 工作电压范围：9 5 3 8 0v 工作频率范围：5 0 2 0 0h z 转速变化范围：1 5 0 0 6 0 0 0r m i n 输出功率范围：3 7 5 1 5k w 额定负载转矩：2 4n m 系统驱动系统主电路结构如图4 2 所示，主电路由三相桥式不可控整流电路、 滤波电路和逆变器等组成。本电路整流器选择三相不可控整流模块，三相a c 输入， 硕i ：学位论文 经整流桥后得d c 电压给下一级逆变桥供电。由于经整流器整流后的直流电压存在 脉动，所以起到稳压滤波的作用的滤波电路是电压型逆变器不可缺少的元件。同 时为了避免通电时出现过大的瞬时电流和电机制动时产生过高的泵生电压，一般 应带有软启动和能量释放电路。电流经限流电阻r 使启动电流缓慢升高，从而减小 对主电路的冲击。 图4 2 伺服系统主电路结构图 ( 1 ) 整流二极管的选择【5 0 】 考虑电网电压的波动，同时留有一定的安全余量，整流二极管的耐压按下 式计算： 吼c 2 1 1 口= 1 1 8 2 矿 ( 4 1 ) 式中，1 1 为电网电压波动系数 口= 2 为安全系数 整流二极管的额定电流按下式计算： ，2 ， ，! ，口j ?广-( 4 2 )广-广-、。一， ，2 厶= 2 2 7 5 ( 2 3 ) = ( 7 8 11 6 ) 彳 式中，厶为冲击电流值，这里取额定电流值2 3 倍 口为安全系数，常取口= 2 所以，整流二极管的参数选定为17 0 a 、1 2 0 0 v ，型号为d d l 7 l n ，为2 单元二极管。 ( 2 ) i g b t 模块选择 选择i g b t 与选择整流二极管的最大不同是，整流二极管的输入端直接与电 网相连，电网易受到外界的干扰，特别是雷电干扰，因此，选择的安全系数口较 大；而i g b t 是位于逆变桥上，其输入端常与电力电容并联，起到了缓冲波动和干 扰的作用，故安全系数不必取得很大。电容平波后的直流侧电压极大值为： 易= 叽c 2 1 1 口= 6 5 0 1 y ( 4 3 ) 4 5 模糊拎制n ：永磁同步伺服系统中的心用与研究 其中，1 1 为波动系数 安全系数口= 1 1 关断时的峰值电压按下式计算： = ( 6 5 0 1 1 5 + 1 5 0 ) 口= 9 8 7 y ( 4 4 ) 其中，1 1 5 为过电压保护系数； 口为安全系数，一般取1 1 ； 1 5 0 为由上研出引起的尖峰电压。 确定电流定额值l 电流定额可按下式计算： i c 2 厶墨屏 ( 4 5 ) = 互2 7 5 3 ( 1 5 2 ) = 1 7 4 2 3 3 彳 。 式中，厶为变频器额定输出电流，这里取电机额定电流值 k ，表示过载能力，选为3 ，为电流安全系数，选为1 5 2 所以，i g b t 的参数选择为：1 2 0 0 v 、3 0 0 a ，型号为f f 3 0 0 r 1 2 k e 3 ，为2 单元i g b t 。 ( 3 ) 滤波电容及预充电电路的选择 由于经整流器整流后的直流电存在脉动，所以起到稳压滤波作用的滤波器是 电压型逆变器不可缺少的元件。同时，直流侧所加的电容还可以起到缓解整流桥 的交流侧与直流侧负载间的能量转换。本系统中二极管整流后直流侧电压波动范 围的极大值为6 5 0 v ，考虑到要留有一定的裕量，加之目前的大容量电解电容的耐 压值通常在4 0 0 v 左右，可以选取两个耐压值为4 0 0 v 的电容串联。滤波电容c 的容 量可按下式计算： c 士：点：塑k - 5 1 9 f ( 4 6 ) c 一二一= 一一型= 一= = 二= = 一= 5 1 9 “ff 4 6 1 2 j 乙2 圪【稳2 o 0 5 ( 3 8 0 2 ) 2 。、。 式中，圪为直流电压的最大动态压降，这里去取值为5 也表示直流侧额定负载对应的电阻，吃= 挚 r n 于是，可以选取c d e 生产的参数为1 0 0 0 f 4 0 0 v 的大容量电解电容。 由于电解电容器的电容量有很大的离散性，故电容器组c 】和c 2 的电容量不能 完全相等，这将使他们承受的电压不相等。为了使它们最终承受的电压相同，在c l 和c 2 旁各并联一个阻值相等的均压电阻蜀= 心= 5 0 七q 。 ( 4 ) 限流电阻r 和开关s 当变频器合上电源的瞬间，滤波电容器的充电电流很大，同时也使电源电压 下降而受到“污染”。为了减小冲击电流，在变频器刚接通电源后的一段时间内， 电路内串连限流电阻r ，其作用是将电容器的充电电流限定在允许的范围内。当驱 硕十学位论文 动器驱动电动机工作时开关s 闭合，从而将电阻r 短路掉。常用的开关器件有接触 器、晶闸管等，在功率相同条件下，晶闸管的体积相对于接触器比较小。由于所 设计的大功率永磁同步电动机伺服控制器的体积要求，这里选择晶闸管作为开关 器件。其参数选择如下： 电流： 由于电动机额定电流为2 7 5 a ，一般选择晶闸管通态平均电流为按此原则所得 结果的1 5 2 5 倍，所以： i f ( 一矿) = ( 1 5 2 5 ) 2 7 5 = 4 2 6 9 彳 ( 4 7 ) 电压： 取线电压的幅值并留1 5 倍的裕量： u ：芝3 8 0 1 5 ：8 0 6 y( 4 8 ) 于是，晶闸管可以选择i x y s 公司的m c 0 7 5 1 2 i 0 1