（电力电子与电力传动专业论文）基于先进控制方法的永磁同步电机性能优化.pdf

a b s t r a c t 一 a b s t r a c t i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n , t h er e q u e s t t oc o n t r o l p r e c i s i o n o fp e r m a n e n t 。m a g n e t s y n c h r o n o u s m o t o r ( p m s m ) i sg e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e r e s p e c i a l l yi ns o m ed o m a i n sw i t h h i g h e rm o t o rp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s s u c h 雒r o b o t ，a e r o s p a c e ，p r e c i s ee l e c t r o m c i n s t r u m e n t a t i o na n ds oo n ，t h er a p i d i t y , s t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s so fs y s t e mh a v eb e e ni m p o r t a n t t a r g e t st h a td e t e r m i n i n gp m s mp e r f o r m a n c e t r a d i t i o n a lm o t o rs y s t e m su s u a l l yd e p e n do n p dc o n t r 0 1 w h i c hi sak i n do fl i n e a rc o n t r o li ne s s e n c e i fap l a n th a sn o n l i n e a r b e h a v i o r so r v a r y i n gp a r a m e t e r s ，t h ep i dc o n t r o l l e rw i t hc o n s t a n tp a r a m e t e r s i su n a b l et om a i n t a i nt h e i n i t i a lp e r f 0 1 t n a n c ei n d e x i nt h ep r o c e s so ft u n n i n gp i dp a r a m e t e r s ，t h ed e f i n e dp a r a m e t e r v a l u e sa r en o tg l o b a lb u tp a r t i a lo p t i m u m s t h ea c t u a lm o t o rs y s t e mh a sm a n y c h a r a c t e r i s t i c s s u c h 邪n o n - l i n e a r i t y , p a r a m e t e rt i m e v a r i a b i l i t ya n dc o m p l e xi nm o d e l l i n ge ta l ，t h e r e f o r ea n o r m a lp mc o n t r o l l e ri sd i f f i c u l tt or e s o l v et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nd y n a m i cq u a l i t ya n d s t a t i cp r e c i s i o nf u n d a m e n t a l l y 即1 es t u d ya n da p p l i c a t i o n o fa d v a n c e dc o n t r o l s t r a t e g i e s ( i n t e l l i g e n t c o n t r o l ， o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，e t c ) h a v eo p e n e da n e wd o o rf o rc o n t r o l l i n gc o m p l e xp m s ms y s t e m s a d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g i e sn o to n l yc a l lg e tr i dt ot h ed e p e n d e n c eo nm o d e l so fp l a n t s ，b u t a l s oh a v ep r o c e s s i n ga b i l i t ya n dr o b u s t n e s si np r o c e s s i n gm a c c u r a c ya n du n c e r t a i n t y q u e s t i o n s t h u s i t sa ni n e v i t a b l et e n d e n c yt oi n t r o d u c ea d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g i e si n t o p m s mc o n t r 0 1 a c c o r d i n gt od i f f e r e n tg o a l - r e a l i z i n gs y s t e m s ，r e s p o n d i n ga d v a n c e dc o n t r o l s t r a t e g i e sa r ec h o s e na n dc o m b i n e dt op dc o n t r o l l e r s ，w h i c h w i l lm a k et h ep m s m p e r f o r m a n c e si nv a r i o u sa s p e c t sh a v ep o i n t e do p t i m i z a t i o n ，a n de n a b l e i t sc o n t r o lp r e c i s i o nt o o b t a i nr e m a r k a b l ee n h a n c e m e n tf m a l l y t og u a r a n t e et h e r e s e a r c hg o a lmp e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o nf o rp m s m ，w h i c h h a st y p i c a ld y n a m i c ，t i m e v a r i a b l ea n dn o n l i n e a rc h a r a c t e r s ， t h i sp a p e ri st os t u d yap r o b l e ma b o u tt h ew o r kc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o lm e c h a n i s m so f s i n e - w a v ea n ds q u a r e w a v ep m s mf i r s t l y b yt l l eb u i l d i n g o fm a t h e m a t i c a lm o d e l s ，t h e o v e r a l la n a l y s i sw i l lb ec a r r i e do nt oc o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls y s t e m a i m i n ga tt h en o n l i n e a r i t y a n dh i g h l yc o u p l i n go fp m s m ，c l o s e d l o o ps y s t e m sw i t hf e e d b a c kl o o p sa r eg o i n gt ob e d e s i g no nt h ew a yo fv e c t o r - c o n t r 0 1 c o m b i n e dw i t hn o r m a lp dc o n t r o l ，s e v e r a lk i n d so f a d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g i e s ，s u c ha sf u z z yc o n t r o l ，n e u r a ln e t w o r k ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，a r t i f i c i a l i m m u n ea l g o r i t h ma n ds oo n a r ea p p l i e dt oc o n t r o l l e rd e s i g nf o rp m s ms p e e ds y s t e m s ，s e r v o s y s t e r n sa n ds y n c h r o n o u s d r i v es y s t e m s s o a st o s a t i s f yt h er e q u e s t so fd i f f e r e n tc o n t r o l s y s t e m so nm o t o rd y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c ea n df o l l o wt h es t r e s so ns p e e d r e g u l a t i n g o rt r a c kb e h a v i o r e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t ，c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lp i d c o n t r 0 1 t h ea d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g i e sb r i n gb e t t e rd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，a n t i d i s t u r b a n c e a b i l i t ya n ds t r o n g e rr o b u s t n e s st op m s m a n de n h a n c ec o n t r o lp r e c i s i o ni ni t ss y s t e md i s t i n c t l y t h ef i n d i n g sc o n f i r m e dt h a ta d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g i e sa r ee f f e c t i v ea n d f e a s i b l eo n p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o nf o rp m s m k e yw o r d s ：p e r m a n e n t - m a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r , p i dc o n t r o l l e r , a d v a n c e dc o n t r o l s t r a t e g i e s ，p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n ，c o n t r o lp r e c i s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 墨兰芏盘 日 期： v 口p 莎、芗、17 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将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、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 导师签名： 日 期 i 夕口罗、弓、l7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 近年来，电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和永磁材料的发展，使永 磁同步电机得以迅速推广【l j 。永磁同步电机的结构形式很多，其参数和控制方法差别也 很大1 2 圳，例如目前应用较多的正弦波永磁同步电机( p m s m ) 和方波永磁同步电机( 无刷直 流电机，b l d c m ) 皆因其体积小、性能好、结构简单、可靠性高、输出转矩大等特点， 受到许多研究学者、用户和公司的青睐。 由于永磁同步电机是一种典型的多变量、参数时变的非线性控制对像，在实际应用 中，对其速度、位置、转矩等控制精度要求越来越高，而且不同的工作环境、功能需求， 需要不同的专用控制器。尤其是在机器人、航空航天、精密电子仪器、工业伺服等对电 机性能以及控制精度要求较高的领域，永磁同步电机系统的快速性、稳定性和鲁棒性的 好坏成为决定电机性能优劣的重要指标【5 j 。 传统的电机控制系统通常采用p i 或p i d 控制方式。p i d 控制算法原理简单，参数 调整方便，有一定的控制精度，但也存在局限性。p i d 控制的本质是一种线性控制，若 被控对象具有非线性特性或有参变量发生变化，会使得线性常参数的p 1 d 控制无法保持 设计时的性能指标；在确定p i d 参数的过程中，p i d 参数整定值是具有一定局域性的优 化值，并不是全局性的最优值1 6 。8 j 。 大量研究和工程实践表明，在永磁同步电机系统控制中，依据经典的以及各种现代 控制理论提出的控制策略都有一个共同的问题，即控制算法依赖于电机模型，当系统受 到参数变化和扰动作用的影响时，系统性能将受到影响。如何抑制这种影响一直是一大 课题。实际上，永磁同步电机系统具有非线性、参数时变不确定、模型建立过程复杂等 特点，常规的p i d 控制难以从根本上解决动态品质和稳态精度的矛盾。此外，由于永磁 同步电机本身的定子电流换向、无转子绕组的工作方式和结构特点，转矩脉动和摩擦现 象也会干扰电机的正常工作，降低系统的控制精度【9 。1 1 1 。 近年来，对先进控制方法诸如以模糊控制、人工神经网络等为代表的智能控制 算法【1 2 】和以遗传算法、人工免疫系统等为代表的优化算法【1 3 】研究应用的发展与不断 深入，为控制复杂的永磁同步电机系统开辟了崭新的途径。由于在一定程度上摆脱了对 控制对象模型的依赖，而且能够在处理不精确性和不确定性的问题中有可处理性、鲁棒 性，因而将先进控制方法引入永磁同步电机控制过程已成为一个必然的趋势。根据系统 实现目标的不同，选择相应的控制方法，并与传统p i d 控制相结合，可以对永磁同步电 机各方面性能进行有针对性的优化，最终使整个系统的控制精度得到显著的提高。 1 2 永磁同步电机工作原理与控制性能指标 1 2 1 永磁同步电机工作原理 p m s m 具有三相定子分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证定子感应 电动势具有正弦波，外加的定子电压和定子电流也为j 下弦波，一般靠p m w 变压变频器 或其它控制型式的p w m 变频器提供。在电机轴上安装转子位置检测器，能检测出磁极 江南大学硕士学位论文 位置，控制各相变频器的电流相位和频率，使定子和转子磁动势保持确定的相位关系， 从而产生恒定的转矩【l4 。 p m s m 控制系统常采用自控式，可以采用矢量控制( 磁场定向控制) 或直接转矩控制 的先进控制策略。小容量的p m s m 转子无阻尼绕组，由于转子磁通恒定不变，常采用 转子磁链定向控制，即将两相旋转坐标系的d 轴定在定子磁链砰上，和直流电机原理一 样，通过控制定子电流幅值来控制电磁转矩。p m s m 同步电机是靠变频器来主动改变频 率的，一般是开环，所以精度还有待提高。而且虽然是同步驱动，但是在负载剧烈变化 时还是或多或少存在转速误差，精度相对来讲不好控制。 b l d c m 的转子磁极采用瓦形磁钢，经专门的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场， 定子绕组采用集中整距绕组，因而感应电动势也是梯形波的。用电子换向装置代替了有 刷直流电机的机械换向装置，由逆变器提供与电动势严格同相的方波电流，最终达到控 制电磁转矩的目的。 b l d c m 的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计 技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波，逆变器输出电压按 照有刷直流电机p w m 的方法进行控制即可。本质上，b l d c m 也是一种永磁同步电动 机，调速实际也属于变压变频调速范畴。b l d c m 不仅保留了有刷直流电机宽阔而平滑 的优良调速性能，而且克服了机械换相带来的一系列缺点。其体积小，重量轻，可做成 各种体积形状，高效率，高转矩，高精度，数字式控制，是当今最理想的小功率调速电 机。 1 2 2电机动态性能指标 电机的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动信号的抗干扰 性能指标1 5 j 。 1 跟随性能指标 在给定转速或参考位置信号的作用下，电机系统输出量的变化情况可用跟随性能指 标来描述。当给定信号变化方式不同时，输出响应也不一样。通常以输出量的初始值为 0 时，给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，这时的输出量动态响应称 作阶跃响应，如图1 1 所示。 c ( f ) c 二 图1 - 1电机阶跃响应过程和跟随性能指标 f i g 1 1 m o t o rs t e pr e s p o n s ep r o c e s sa n ds e r v op e r f o r m a n c ei n d e x 2 第一章绪论 常用的电机阶跃响应跟随性能指标有：上升时间、转速超调量和调节时间。 ( 1 ) 上升时间，r ：在图1 1 所示的阶跃响应跟随过程中，输出量c 从0 起第一次上 升到稳态值g 所经过的时间称作上升时间，它表示电机动态响应的快速性。 ( 2 ) 转速超调量盯：在阶跃响应过程中，超过矗以后，输出量有可能继续升高，当到 达峰值c n 蛾后回落。c n 眦超过稳态值c ：的百分数叫做超调量，它反映了系统的相对稳 定性。超调量越小，系统相对稳定性越好。 ( 3 ) 调节时间f s ：调节时间又称过渡过程时间，它衡量输出量整个调节过程的快慢。 由于实际电机系统存在各种非线性因素，调节时间一般指在线性系统阶跃响应曲线上， 电机输出量达到并不再超过允许误差带( 一般取士5 或士2 ) 所需的时间。调节时间既反 映了电机系统的快速性，也反映了电机系统的稳定性。 2 抗干扰性能指标 在电机稳定运行中，突加一个使输出量降低的负载转矩死后，输出量由降低到恢 复的过渡过程是一个典型的抗干扰过程，如图1 2 所示。 c ( f ) c 乙 图1 - 2电机突加扰动的动态过程和抗干扰性能指标 f i g 1 2d y n a m i cp r o c e s su n d e ri m p a c tp e r t u r b a ti o na n da n ti d ist u r b a n c ei n d e x 常用的电机抗干扰性能指标为：动态降落和恢复时间。 ( 1 ) 动态降落c m 双：电机稳态运行时，突加一个约定的标准负载扰动量，所引起 的输出量最大降落值c m 缸称作动态降落。输出量在动态降落后逐渐恢复，倒到新的稳 态值g l ，( c o _ q 1 ) 是电机系统在该扰动作用下的稳态误差，即静差。 ( 2 ) 恢复时间岛：从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距离新稳态值 c 。1 之差进入某基准值c f 的士5 ( 或士2 ) 范围之内所需的时间，定义为恢复时间f v 。 实际的永磁同步电机对于各种动态性能指标的要求各有不同。一般来说，调速系统 的动态指标要兼顾跟随性能和抗干扰性能，而伺服系统的动态性能指标则以跟随性能为 主。 1 3 先进控制方法在永磁电机控制系统中的应用 1 3 1p i d 控制原理 p i d 控制器自1 9 世纪初产生以来，以其控制结构简单、对模型误差具有鲁棒性及 3 江南大学硕士学位论文 易于操作等优点，被广泛应用于化工、冶金、电力、机械等工业过程控制中。目前，全 世界大约有9 0 的过程控制仍在使用p i d 控制器及其改进型来完成反馈回路中的控制 i s - 1 6 。传统p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值，( d 与实际输出值c ( o 构成控 制偏差 p ( f ) = ，( f ) 一c ( ，)( 1 - 1 ) 将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称 为p i d 控制器。其控制律为 甜( ，) = k f e ( t ) + k i p ( t ) d t + d e - ( t ) ( 1 - 2 ) ” a t 式中：k p 、墨和k d 为比例系数、积分系数和微分系数。 p i d 控制器各校正环节的作用如下1 1 7 1 ： ( 1 ) 比例环节即时成比例的反映控制系统的偏差信号p ( f ) ，偏差一旦产生，控制 器立即产生控制作用，以减少偏差。 ( 2 ) 积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积 分系数局，局越大，积分作用越强。 ( 3 ) 微分环节能反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差信号值变的太 大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节 时间。 常规p i d 控制器主要针对有确切模型的线性过程，其p i d 参数一经确定后无法随着 对象变化而调整。在工业生产过程中，许多被控对象随着负荷变化或干扰因素影响，其 对象特性参数或结构发生改变。这时，采用依赖于被控对象模型精确度的控制算法，无 法摆脱非线性和对象参数变化的影响，其控制效果必然受到限制。 传统p i d 整定方法多采用实验加试凑的人工方法，精度较低，且调试时间较长，有 时难以满足目前对自动化过程的要求，在永磁同步电机控制领域表现得尤为突出。 1 3 2 先进控制方法 先进控制方法是自动控制学科发展里程中的一个崭新阶段，与传统的经典、现代控 制方法相比，具有一系列独到之处。首先，它突破了传统控制理论中必须基于数学模型 的框架，不依赖或不完全依赖于控制对象的数学模型，只按实际效果进行控制。其次， 继承了人脑思维的非线性，其控制器也具有非线性特征；同时，利用计算机控制的便利， 可以根据当前状态切换控制器的结构，用变结构的方法改善系统的性能。在复杂系统中， 先进控制方法还具有分层信息处理和决策的功能。因此，先进控制方法也被成为继经典 控制和现代控制之后的第三代自动控制技术。 利用先进控制方法的非线性、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，先进控制方法在交流伺服系统 应用中较多的，包括：专家控$ l j ( e x p e r tc o m r 0 1 ) 、模糊控制、自学习控制、神经网络控 制、遗传算法和粒子群算法等，而且大多是在模型控制基础上增加一定的智能控制手段， 以消除参数变化和外界扰动的影响。 4 第一章绪论 ( 1 ) 模糊控制 自查得( z a d e h ) 提出模糊集合理论和模糊推理规则后，模糊逻辑控, l j ( f u z z yl o g i c c o n t r 0 1 ) 已被成功地用于许多控制系统。在实践应用中，模糊控制器具有以下几个优点： 模糊控制器是易于控制、易于掌握的较理想的非线性控制器，是一种语言控制 器。 模糊控制器不依赖被控对象的精确数学模型，可以用于控制那些系统模型无法 确定的系统。 模糊控制器抗干扰能力强，响应速度快，并对系统参数的变化有较强的鲁棒性。 但是模糊控制亦存在不足之处：模糊控制一般只有偏差和偏差变化率两个输入量， 其特性与p d 调节器相当。没有积分作用，模糊控制本身消除系统稳态误差的性能比较 差，难以达到较高的控制精度。论文设计了改进方案，即将模糊控制器与积分控制器并 联，增强电机抗扰动性能。它实现了基本模糊控制器所不具有的积分效应，用积分控制 弥补模糊控制器稳态精度不足的特点，从而降低了系统静态误差；而且与其它模糊p i d 复合控制方式相比，采用的模糊控制规则数相对较少，避免了繁琐的计算过程，便于在 线调试，可以满足实时控制的需要，并增强电机的抗扰动性能。 ( 2 ) 人工神经网络 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 不但能够充分逼近任意复杂的非线性关系， 表示被控对象模型或控制器模型。而且能够学习和适应不确定系统的动态特性，具有很 强的容错性和鲁棒性。采用信息的分布式并行处理，进行快速大量运算。但是神经网络 必须要经过一段时间的学习才能得到最优的控制参数。论文中重点研究了b p 神经网络 在方波永磁同步电机性能优化中的应用以及基于单神经元控制的多电机同步传动系统。 采用b p 神经网络在线整定3 个参数；误差在较小范围内时，切换到神经网络整定的参 数实现p i d 控制，这有利于缩短神经网络学习时间，也能使系统在初运行阶段有较好的 动态性能；通过改变b p 网络学习步长和添加惯性项的方法，可以提高网络的收敛速度， 避免振荡产生。单神经元因为具有良好的自适应能力，且控制算法简单，容易实现，适 合分布式多电机伺服系统的结构要求和实际应用，因此被应用到同步传动系统的电机性 能优化中。 ( 3 ) 遗传算法 近年来，遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 作为一种强有力的优化手段受到广泛关注。该 算法是模拟自然界遗传变异过程和物竞天择机理所构成的随机搜索算法。它既不需要借 助评价函数的求导信息，也不依赖初始解的估计，而是依靠模仿来自然界生物进化的搜 索机制，在全局解空间中并行搜索最优解。在寻优过程中，遗传算法采用了纯数值计算 方法和随机进化策略，无需梯度信息，对模型的表述要求低，处理问题更具有灵活性、 适应性、鲁棒性和全局性，因此论文中利用该算法具有的收敛速度快、适合在线学习等 优点，来解决正弦波永磁同步电机伺服系统的控制器参数辨识问题。 ( 4 ) 人工免疫算法 人工免疫算法( a r t i f i c i a li m m u n ea l g o r i t h m ) 是在遗传算法的框架上引入生物免疫机 江南大学硕士学位论文 制的一种方法，该算法从体细胞理论和网络理论中得到启发，实现了类似于免疫系统的 自我调节功能和生成不同抗体的功能，在实际工程领域如模式识别、噪声处理、反馈控 制器设计等领域中得到了应用。论文中不仅探讨了生物免疫系统的调节规律，对免疫系 统复杂精细的自我调节机制进行抽象和简化，得到免疫响应中的调节机理，而且把免疫 系统与控制系统类比，提出了一种新型的免疫控制器。该免疫控制器把人工免疫控制原 理与常规p i d 控制和模糊推理机制结合，构成p i d 模糊免疫控制器，以达到改善方波永 磁同步电机性能的目的。 1 4 论文的研究意义与研究内容 经典控制理论和现代控制理论都是建立在被控对象精确模型基础上的控制理论，实 际上，许多工业被控对象或过程常常具有非线性、时变性、变结构、多层次以及各种不 确定性等，难以建立精确的数学模型。被控对象越来越复杂，而对其控制精度的要求日 益提高。对于永磁同步电机系统这类复杂系统的控制，控制目标是为了确保较好的动静 态性能和对象模型参数变化情况下的鲁棒性，单纯采用常规的p i d 控制器，在控制对象 大惯量、变负载和力矩干扰等复杂情况下，很难满足系统的要求，因此，为了使交流伺 服电机应用到更为宽广的领域，先进控制方法的应用是目前所必需的。 任何一种控制方式或一个控制系统，如果它能够有效地克服被控对象( 过程) 和环境 所具有的高度复杂性和不确定性，并且能够有效达到所期望值的目标，那么称这种控制 方式为智能控制。智能控制不同于经典控制理论和现代控制理论的处理方法，它研究的 主要目标不再是被动对象，而是控制器本身。控制器不再是单一的数学模型解析型，而 是数学解析和知识系统相结合的广义模型，是多种学科知识相结合的控制系统。优化算 法作为一种以数学为基础，用于求解各种工程优化解的应用算法，克服了一些重要过程 变量不能在线测量的问题，具有良好的自适应能力和全局优化能力。特别是与传统p i d 控制方法的结合，对于改善永磁同步电机性能，挖掘其应用潜力，从而提高经济效益具 有十分重要的意义。 综上所述，先进控制方法是建立被控动态过程的特征模式识别，基于知识、经验的 推理及智能决策基础上的控制。具备了一个好的控制方案本身应具有多模式、变结构、 变参数等特点，可以根据被控动态过程特征识别、学习、自组织自身的控制模式，自适 应地改变控制器结构和自调整参数，以获得最佳控制效果与电机性能指标。 针对永磁同步电机参数时变性和模型非线性的特点，本论文首先探讨了正弦波永磁 同步电机和方波永磁同步电机的运行特点和控制机理，通过建立数学模型，对各自控制 系统分别进行了整体分析。针对永磁同步电机非线性、强耦合的特点，设计了矢量控制 方式下的永磁同步电机闭环控制系统。结合常规p i d 控制，将模糊控制、遗传算法、神 经网络和人工免疫系统等多种先进控制方法应用于永磁同步电机的调速系统、伺服系统 和同步传动系统，以满足不同控制系统对电机动静、态性能的要求以及对调速性能和随 动性能的侧重。利用m a t l a b 软件对设计方案进行了研究，仿真结果对比表明，先进控 制方法与常规p i d 控制相比，使得永磁同步电机具有较好的动态性能、抗扰动能力以及 较强的鲁棒性能，电机系统的控制精度得到了明显提高。研究结果验证了先进控制方法 6 第一章绪论 应用于永磁同步电机性能优化的有效性和实用性。 本论文的主要内容归纳为以下几个章节： 第一章：简要介绍论文的研究背景，分析电机控制系统的性能指标，并叙述多种先 进控制方法在永磁同步电机性能优化中的应用前景，以及本论文所做的工作和意义。 第二章，提出了一种具有高稳态性能的正弦波永磁同步电机( p m s m ) 调速系统。将 模糊控制原理引入p i d 控制器设计中，采用了模糊积分混合控制及前馈补偿控制策略， 从而消除稳态误差和负载扰动影响。 第三章，阐述遗传算法在p m s m 伺服系统p i d 参数优化中的应用。在未给出或无 法建立伺服电机精确模型的情况下，通过遗传算法对控制参数的进化寻优操作，使 p m s m 性能满足伺服系统偏重跟随性能的特点。 第四章，重点介绍基于b p 神经网络p i d 控制的方波永磁同步电机( b l d c m ) 性能优 化设计。采用经过改进的b p 神经网络与传统p i d 相结合作为速度控制器，克服网络收 敛速度慢和局部极小等缺点，以达到优化b l d c m 性能的目的。 第五章，主要探讨了p i d 模糊免疫控制方法在b l d c m 调速系统中的应用。将人工 免疫算法引入b l d c m 性能优化中，设计一种新型的p i d 模糊人工免疫控制器，将p i d 控制量作为模糊免疫系统的研究对象，并应用到b l d c m 调速系统中。 第六章，介绍了一种多电机同步传动系统及其控制方式。在对传统同步传动系统结 构进行改进设计的基础上，应用单神经元自适应p i d 控制对各p m s m 伺服电机进行性 能优化，提高同步传动效果。 第七章，全文的总结与展望。 7 江南火学硕士学位论文 第二章高稳态性能的永磁同步电机调速系统 2 1引言 传统的正弦波永磁同步电机( p m s m ) 调速系统通常采用p i d 控制【1 8 ，1 9 1 。p i d 控制算 法简单，参数调整方便，有一定的控制精度，但也存在局限性。p i 控制的本质是一种线 性控制，若被控对象具有非线性特性或有参变量发生变化，会使得线性常参数的p i d 控 制无法保持设计时的性能指标，鲁棒性往往无法令人满意；在确定p i 参数的过程中，由 于参数的整定值是具有一定局域性的优化值，而不是全局性的最优值，因此p i 控制无 法从根本上解决动态品质和稳态精度的矛盾。 为了进一步提高p m s m 调速系统的快速性、稳定性和鲁棒性，智能控制方法得到 了越来越多的关注，成为目前的一个研究热点。其中，模糊控s 0 ( f u z z yc o n t r 0 1 ) j - - 是智 能控制中应用广泛、最为常见的方法之一【2 0 ，2 1 1 。与常规p i 控制器不同，模糊控制本质 上是一种非线性控制，对控制对象的参数变化或非线性具有较好的适应能力，对干扰或 噪声具有更强的抑制功能，即更强的鲁棒性1 2 2 j 。 由于模糊控制不需要精确的数学模型，因此它是解决不确定性系统控制的一种有效 途径，将其应用于调速系统，在一定程度上改善了系统性能。但它对信息的简单模糊处 理会降低控制精度并使动态品质变差。为了提高系统的精度则必然要增加量化等级，从 而导致规则的迅速增多，影响规则库的最佳生成，增加系统的复杂性和推理时间。所以， 混合模糊控制技术也得到了发展，如模糊p i d 调节器、模糊专家系统、自适应模糊控制、 模糊神经网络控制等。 前馈补偿控制是一种利用扰动信号的控制策略。如果过程具有严重的可测扰动，前 馈控制器就可以在反馈回路产生纠正作用前减少干扰对回路的影响。在对控制精度要求 较高的领域，前馈控制器能相当经济、有效地改善系统的性能1 2 3 , 2 4 。由于被控对象和操 作条件会发生改变，完全补偿扰动信号在实际应用中很难实现，因此前馈补偿并不企图 完全抵消扰动对系统的影响。 大量的理论研究和工程实践充分证明：p i d 控制对参数确定的模型具有结构简单、 精确度高的特点；而模糊控制具有不依赖于系统模型参数变化、鲁棒性强的特点。此外， 前馈补偿控制因为其设计简便、稳定性好、抗干扰能力强等卓越性能，在控制领域拥有 广阔的发展前景。本章通过分析p m s m 的数学模型，并综合p i d 控制、模糊控制和前 馈补偿控制三者的优势，提出了一种具有高稳态性能的新型p m s m 调速系统性能优化 方案。在闭环调速系统中，转速控制通过采用模糊一积分混合控制的方法来实现，并且 在系统中加入了前馈补偿控制，用于消除负载转矩引起的扰动误差。利用m a t l a b 环境 下p m s m 调速系统的仿真模型，进行了该复合控制方法的仿真实验。实验结果表明， 这种带有前馈补偿的新型模糊一积分复合控制与其它复合控制方式相比，不仅参数和规 则设定简单，而且在鲁棒性、抗干扰能力、稳态精度等方面均优于基本模糊控制，优化 了p m s m 的稳态性能。 8 第二章高稳态性能的永磁同步电机调速系统 2 2p m s m 矢量控制模型 2 2 1 矢量控制原理 p m s m 的转子激磁磁场为正弦波，电枢绕组中感应的反电动势为正弦波，逆变器 提供给电机的三相相电流也为正弦波【2 5 1 ，因此，可采用矢量控制方法，使非线性、强耦 合、多变量的p m s m 电机系统降阶、解耦，使之具有更优的动态品质。 矢量控制的基本思想是：把a 、b 、c 三相静止坐标系下的定子电流如、毛和f 。，通 过三相两相变换，等效成a 、卢两相静止坐标系下的电流乇和i p ，再经转子磁场定向的 旋转变换，等效成d 、q 两相旋转坐标系下的电流五和i q ，i d 相当于直流机的励磁电流， 相当于直流机的电枢电流1 2 刚。p m s m 的3 2 坐标变换矢量图如图2 1 所示。 刀八p 阶一 y z y 哎 a 图2 1 p m s m3 2 坐标变换矢量图 f ig 2 - 1v e c t o rc h a r to fp m s m3 2c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n 2 2 2 p m s m 数学模型 p m s m 最显著的结构特点是转子无阻尼绕组。由于转子磁通恒定不变，常采用转子 磁链定向控制，即将两相旋转坐标系的d 轴定在转子磁场在定子上的磁链研方向上。在 假设磁路不饱和、不计涡流和磁滞损耗影响、电枢绕组在定子内表面均匀连续分布的条 件下，基于转子坐标( d - q 轴系) 中的p m s m 磁链方程为： = 厶毛+ l y d2 乇+ i y 。= 厶 j ( 2 - 1 ) 式中：辑为转子磁钢在定子上的耦合磁链；l d 、l q 分别为永磁同步电动机的d 、q 轴电 感：i d 、i q 为定子电流矢量f 。的d 、q 轴分量。 d - q 坐标上的p m s m 定子电压方程为： = r i d + 厶p 毛一厶i qi 材q = r + 厶p + 国厶+ t o l g ，j(2-2) 式( 2 - 2 ) 中：u d 、u q 为定子电压矢量d s 的直轴、交轴分量；0 9 为转子角频率；p 为微分算 子。 p m s m 的电磁转矩方程： 9 江南大学硕士学位论文 r o = 风 v d + l f ，。i d 】= p n 0 ，+ ( 厶一厶) 乇f q 】 ( 2 。3 ) 式( 2 3 ) 中：后一项是磁阻转矩，正比于厶、三q 之差；p n 表示电机极对数。 在基速以下的恒转矩运行区中，一般采用把定子电流矢量控制在g 轴上的控制方式， 即i q = i s ，轳o ，定子电流全部用于产生转矩。此时p m s m 的磁链、电压和电磁转矩方程 分别可以为 ”y ，1 l f ，。= 厶 j ( 2 - 4 ) u d2 一国气毛2 一l f ，q l 甜q = 尺+ 厶p + l f ，j ( 2 5 ) 瓦= p 。l f ，毛( 2 - 6 ) 可以看出，由于p m s m 转子为永磁体，砰= 常数，电磁转矩只与定子电流的幅值成 j 下比，只要控制定子电流幅值就能很好的控制电磁转矩，获得与直流电机一样优良的线 性特性。图2 2 给出了按转子磁链定向并使i d - - - - o 时p m s m 的矢量图。这时控制方法也 很简单，只要能准确的检测出转子空间位置( d 轴) ，控制逆变器是三相定子的合成电流 矢量位于q 轴上即可。 l lji l i _ l q 忻 一一 之0 一一t 图2 - 2 按转子磁链定向的p m s m 矢量图 f i g 2 2v e c t o tc h a r t i np l d s m sr o t o rf l u x1i n k a g ed i r e c ti o n 2 3 高稳态调速系统设计方法 2 3 1p m s m 调速系统建模 为研究p m s m 的性能优化问题，在分析p m s m 数学模型基础上，建立了p m s m 调 速系统的结构框图，如图2 3 所示。 图2 - 3p l d s l d 调速系统的结构框图 f i g 2 - 3b l o c kd i a g r a mo fp i d s ms p e e d s e r v os y s t e m 1 0 第二章高稳态性能的永磁同步电机调速系统 p m s m 速度控制器采用新型的模糊积分混合控制，在达到提高系统快速性，增强 控制鲁棒性的前提下，保证系统控制精度目的。而将该控制策略施加于外环( 速度环) 而 不是内环( 电流环) ，主要由于外环决定系统性能，同时噪声等因素给被控对象带来的扰 动也可由外环加以抑制或弥补。因此，以模糊一积分智能控制替换传统p i 控制，可抑 制干扰，减小脉动，使整个控制系统的稳态性能得到提高与优化。 在负载转矩与控制量之间加入前馈控制，目的在于对负载扰动进行补偿，消除扰动 误差。通过文献 2 7 提出的求逆法即可以简单快速的确定前馈补偿器的增益。前馈环节 具有设计方便、稳定性好、不依赖于系统模型参数变化的影响等卓越性能。 2 3 2 控制方案的选择 普通模糊控制器一般只有偏差p 和偏差变化率e c 两个输入量，其特性与变系数的 p d 调节器相当【2 引。由于没有积分作用，在电动机系统加有负载扰动时，难以有效消除 稳态误差，这也是模糊控制器本身无法解决的弊端之一。 为了改善永磁同步电机调速系统的稳态性能，人们在基本的模糊控制方法上作进一 步改进，将模糊控制器和积分控制器复合构成对误差信号模糊值积分的速度调节器，其 结构如图2 4 所示。 参 定 图2 - 4 对误差信号模糊值积分的f u z z y - i 控制结构 f i g 2 - 4f u z z y ic o n t r o ls t r u c t u r eo fi n t e g r a lt of u z z yv a l u e so fe r r o rs i g n a l s 在图2 4 中，控制器的输入、输出都具有积分作用。这种引入积分的方法可以在一 定程度上减小稳态误差，但不能保证消除极限环。本文将常规积分控制器和模糊控制器 并联，构成模糊一积分混合控制方式，如图2 5 所示。 参 给定 图2 - 5 对误差信号精确量积分的f u z z y - i 控制结构 f i g 2 5f u z z y ic o n t r o ls t r u c t u