（电机与电器专业论文）基于模糊cmac的pmsm位置伺服系统的分析和研究.pdf

一一一 些! ! 坠! ! a b s t r a c t a sa ne x e c u t o ri na cs e r v os y s t e m ，p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ( p m s m ) i se f f i c i e n t ，e c o n o m i c a l ，a n de a s yt om a i n t e n a n c e t h u s ， i t i s w i d e l yu s e di nd e v i c e st h a tr e q u i r ea c c u r a t el o c a t i o n ，s u c ha s n u m e r i c a l l yc o n t r o l l e dm a c h i n et o o la n dr o b o t h o w e v e r ，t h ec o n t r o l p e r f o r m a n c eo fp m s md r i v ei si n f l u e n c e db ym a n yu n c e r t a i n t i e s ，f o r e x a m p l e ，p a r a m e t e rv a r i a t i o n s ，e x t e m a ll o a dd i s t u r b a n c e s u n m o d e l e d t a r g e t sa n dn o n l i n e a rd y n a m i c s t oa c h i e v eh i g h p e r f o r m a n c ep m s m p o s i t i o ns e r v os y s t e m ，a d v a n c e dc o n t r o ls c h e m e ，w h i c hj ss t a t i cp r e c i s i o n ， t r a n s i e n tr e s p o n s e sa n ds e l f - a d a p t a t i o na n da n t i d i s t u r b a n c e s i sn e e d e di n p r a c t i c e b a s e do nt h ea n a l y s i so nt h ef e a t u r e sa n dc o n t r o lp r i n c i p l e so fp m s m t h i st h e s i se s t a b l i s h e di t sm a t hm o d e lu s i n gi d = ov e c t o rc o n t r o lm e t h o d t h r e ec l o s el o o p sc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi n c l u d e sc u r r e n tl o o p ，v e l o c i t y l o o pa n dp o s i t i o nl o o p ，w a sb u i l tu p f o rp o s i t i o nl o o p ，t h em a i n f e e d b a c k l o o p ，w ec h 6 s e an e wa d a p t e d f u z z yc m a ci n t e l l i g e n t c o n t r o l l e r , w h i c hi n c l u d e ss e l f - l e a r na b i l 畸o fn e u r nn e ta n dq u i c k r e s p o n s em e r i to ff u z z yc o n t r o l l e r f i n a l l y , t h ea u t h o rs i m u l a t e sp m s m p o s i t i o ns e l v os y s t e mb yt h es i m u l i n ko fm a t l a b ，a na d v a n c e dc o m p u t e r s i m u l a t i o nt 0 0 1 r e s u l t sf r o ms i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t ss h o wi t i m p r o v e dr o b u s ta n dr e a l t i m er e s p o n s ep r o p e r t yo fp m s mp o s i t i o n s e r v os y s t e mb yu s i n gt h i sn e wc o n t r o l l e r i ns u m m a r y , t h i st h e s i s p r o v i d e s an e wi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rt o i m p r o v et h ep m s mp o s i t i o ns e r v os y s t e m k e y w o r d ：p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) ， p o s i t i o ns e r - 口os y s t e m ， f u z z yc o n t r o l ， c e r e b e l l a rm o d e la r t i c u l a t i o nc o n t r o l l e r ( c m a c ) i i 独创性声明 本人声叫所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘堂或其他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r 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：豁炙弹 签字日期：7 印弓年f 月j 堙门 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：籍研 f 签字日期：勋口 年z 月培f 7 跏繇昌，税 乒一一 签字日期：删年厶月应殉 第一章绪论 第一章绪论 1 1 永磁同步电动机在交流伺服中的应用及其发展概述 1 1 1 伺服系统发展概况 伺服系统的发展与伺服电动机的不同发展阶段紧密相联，伺服电动机至 今已有四十多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段： 第一个发展阶段( 60 年代以前) ，此阶段是以步进电动机驱动的液压伺 服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制为 开环系统。 第二个发展阶段( 60 70 年代) ，这一阶段是直流伺服电动机的诞生 和全盛发展的时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动 装置采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系 统。在数控机床的应用领域，永磁式直流电动机占统治地位，其控制电路简 单，无励磁损耗，低速性能好。 第三个发展阶段( 80 年代至今) ，这一阶段是以机电一体化时代作为背 景的，由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了 无刷直流伺服电动机( 方波驱动) ，交流伺服电动机( 正弦波驱动) 等种种新 型电动机，与其相适应的伺服驱动装置经历了模拟式、数模混合式和全数字 式阶段。 1 1 2 伺服电动机的种类与比较 长期以来，在要求较高的场合，直流电动机一直占主导地位。但它存在 一些固有的缺点，例如换向器、电刷易磨损，需要经常维护；换向器会产生 火花，限制了电动机的最高转速和过载能力；无法直接应用在易燃易爆的工 作环境中：制造成本高等。交流电动机，特别是感应电动机则没有上述缺点 和限制，且转子惯量较小，动态响应更好。一般来说，在同样的体积下，交 流电动机的输出功率可比直流电动机提高10 70 。此外，交流电动机 容量可以制造得更大，达到更高的电压和转速。 感应电动机输入电流和输出转矩在本质上是非线性的，磁场定向控制( 矢 第一章绪论 量控制) 策略的提出实现了电流励磁分量和转矩分量的解耦，从而可以分别 控制电动机的磁场和转矩，但无论是直接测量还是间接计算磁通都比较复杂。 问接计算需要足够快的微处理器，而且因电动机转子发热导致系统参数的变 化，将影响计算的精度，也增加了控制的难度，此外感应电动机需要吸收滞 后的励磁电流，功率因数和效率不如永磁同步电动机。感应电机的个很大 优点是容易实玑弱磁控制。永磁同步电动机，转子采用高性能永磁材料( 稀 土钕铁硼) ，转子直径减小使电动机小型化、轻量化：转子无励磁损耗，效率 较高，发热主体在定子侧，散热容易，从控制角度讲，永磁同步电动机的矢 量控制较感应电动机简单，但不易实现弱磁控制。 1 1 3 永磁同步电机伺服系统的发展 随着永磁材料技术及相关技术的快速发展，永磁同步电动机性能得到了 快速的提高，逐步成为交流伺服系统执行电动机的主流。永磁无刷同步电动 机又分为方波电流驱动的无刷直流电动机( 简称b l d c m ) 和采用正弦波驱 动的永磁同步电动机( 简称p m s m ) 两种。它们的区别在于前者的感应电动 势为梯形波，而后者为正弦波。相比之下，b l d c m 具有较p m s m 控制简单、 成本低、检测装置简单等优点，但b l d c m 原理上存在的固有缺陷，使其存 在转矩脉动较大、铁心附加损耗大的缺点，从而限制了b l d c m 伺服系统在 高精度、高性能要求的伺服驱动场合的应用( 尤其在低速直接驱动场合) 。而 p m s m 具有比b l d c m 及其它交流伺服电动机优越的性能尤其是低速或直接 驱动场合，加之永磁材料技术及控制技术等的飞速发展，使得p m s m 性价比 得到了进一步的提高，从而使得由p m s m 作为执行元件构成的永磁交流伺服 系统具有逐步占据现代伺服驱动系统主流( 尤其是中小容量的高性能要求领 域) 的趋势。因此加强研究和发展新型、高性能的p m s m 伺服系统以满足精 密数控机床、特种机器人等负载驱动的要求，具有重要的理论意义和实用价 值。 永磁同步电机的特点是用永磁体代替了绕线式同步电机转子中的励磁 绕组，从而省掉了励磁线圈、滑环和电刷。与异步电机相比，它的磁场由转 子上的永磁体提供，不需要提供励磁电流，效率较高。异步电机在矢量控制 中把转予电流分为与转子磁通方向一致的励磁电流和与之垂直的转矩电流。 由于矢量计算复杂，使得异步电机低速性能不良，容易发热，因此在小容量 低速速度伺服系统中也大多采用永磁同步电机。 第一苹绪论 永磁同步电机伺服系统经历了模拟式、数模混合式和全数字式= i 个阶段 。模拟交流伺服系统，由于控制信号是连续的，整个控制系统对控制信号 的响应很快，具有一定的抗干扰能力，控制系统内部和输出状态及其变化容 易通过仪表观察和记录。但另一方面，模拟伺服系统是由模拟电子器件构成 的系统，由于电子器件特性的分散性，使系统的调整困难，而且模拟器件的 工作状态极易受温度影响而产生漂移，破坏已调整好的运行状态。系统缺乏 丰富的自诊断和显示功能，在整机联调时不能方便地判断系统中的问题。此 种方式f 逐渐被淘汰。 数模混合式交流伺服系统中，一般采用工控机、单片机和d s p 来完成位 置和速度控制，由于c p u 运算速度的限制，伺服系统中响应最快的电流环控 制仍由模拟电路完成，模拟电流环的零漂降低了电流环的控制精度，同时也 造成了三相电流的不对称。从交流伺服系统控制技术的发展过程来看，混合 式交流伺服系统技术比较成熟，在许多领域得到了极为广泛的应用，仍是目 前伺服装置产品的主流 2 1 。 1 2 控制理论的研究现状和发展 自动控制理论发展至今已有1 0 0 多年的历史，随着工业和科学技术的发 展，现代化工业设备越来越复杂，特别是2 0 世纪8 0 年代以来，计算机和计 算技术的高速提高，对控制系统精度、响应速度、系统稳定性和适应能力的 要求越来越高，使得过去那种依靠物理定律利用数学解析表达式描述复杂系 统的方法变得越来越困难，因此人们积极寻找新的方法来获得良好的控制效 果，这就大大推动了控制理论的发展。纵观控制理论和控制策略的发展历史， 可以分为经典控制、现代控制和智能控制三个阶段。每种控制理论和控制策 略都有其特长，同时也在某方面存在问题。 1 2 1 经典控制 经典控制理论主要是对单输出系统的控制，形成了p i d ( 比例积分微分) 控制、传递函数、频率特性、b o d e 图形等许多行之有效的控制方法，并得到 了广泛的应用。其中p i d 控制是具有几十年应用经验的一种算法，到目前为 止，大多数( 9 0 以上pj ) 工业控制回路仍采用各种形式的p i d 算法，在解 决线性定常数系统的控制问题上十分有效。但是p i d 控制器只能用于固定参 数且在某一条件下能达到稳定的系统，在另一种操作条件下可能完全无法使 第一章绪论 用，因此对工件点发生变化、参数随日l 问变化和非线性、多输入多输出的系 统，p i d 控制方法常常不能得到满意的结果，甚至无法求解。 1 2 2 现代控制 现代控制主要是对多输入一多输出系统的控制，主要解决线性或非线性、 定常或时变系统的最优控制问题，它通常采用时域分析方法，不同于经典控 制理论中的频域分析，因而更有利于计算，而且状态变量的选取具有很大的 自由度。现代控制理论主要内容有：能控性、能观性分析，l y a p o v 稳定性理 论，最优控制等。现代控制理理论虽然弥补了经典控制理论对时变系统、非 线性系统和随机系统的控制无能为力的缺陷，但对复杂的不确定性系统又显 的过于烦琐或难于实现，如有些现象由于影响因素过多、参数和条件过于多 样和复杂，其相应的微分方程将要包括许多已知的、未知的和随机的变量， 要列出它们的微分方程非常困难，甚至无法列出，求解就更困难了。 1 2 3 智能控制 由于世界工业向着大型、连续、综合化发展，所以自二十世纪八十年代 以来，控制系统变得越来越复杂，而根据不确定性原理，系统越复杂，清晰 度越低，人们使其达到精确的能力和对其行为的具体描述能力也将随之减弱， 这使得系统的不确定性( 包括对象的不确定性和环境的不确定性) 成为控制 理论所要面对的难题，也是对传统控制理论的挑战。为消除工业应用领域中 控制对象参数及结构的变化、非线性、环境干扰等不确定因素的影响，人们 将自动控制与人工智能相结合形成智能控制，为解决该难题带来了生机和活 力。 与经典控制和现代控制理论相比，智能控制具有以下特点： 1 ) 专家或熟练操作人员的知识为基础进行推理，按实际效果进行控制， 用启发式来引导问题求解过程，因而可以不依赖或不完全依赖于控 制对象的数学模型，突破了传统控制理论中必须基于数学模型的框 架。 2 ) 智能控制可以达到非线性控制，这一点与人脑思维相近。 3 ) 智能控制方法可以实现在线辨识、分层信息处理和决策或总体自寻 优，提高了系统控制的实时性和控制精度。 第一章绪论 1 2 4 各种控制理论的渗透和结合 如果各种控制策略相互结合，就能克服单独控制策略的不足，具有更优 良的性能，应用前景更为广阔。因此控制理论的发展趋势必然是各种控制理 论和控制策略的相互渗透，取长补短，形成复合的控制策略，从目前来看， 自适应模糊控制、模糊变结构控制、模糊预测控制、专家p i d 控制、模糊p i d 复合控制、模糊神经网络控制、专家模糊控制等应用较为广泛。 各种控制理论的渗透和结合有下述特点： 1 ) 目前应用最广的是模糊控制，而与模糊控制形成的复合控制策略也 最多； 2 ) 专家控制对其它控制策略的渗透在研究上有很大的意义，能形成性 能十分优秀的控制方法。 3 ) 神经网络和遗传算法渗透形成的复合控制策略可以具有较高的性能。 4 ) 模糊控制和神经网络优势互补，所以在模糊控制和神经网络结合的 基础上再与其它智能或传统线策略结合，可以形成更高层次并且 性能更优的控制策略。 1 3 智能控制理论在p m s m 中的应用 1 3 1 交流伺服系统的智能控制 到目前为止，交流伺服系统已拥有如矢量控制、直接转矩控制等较为成 熟的控制方案，理论上，交流伺服系统运用矢量控制方法，经过电流内环改 造后，其结构同直流伺服系统一样，可以建立统一的数学模型，并且并不复 杂，采用传统控制如p i d 算法就能取得基本满意的效果。但是，实际上，交 流伺服系统并不如理想模型那样一成不变，交流电机本质上是一个非线性的 被控对象，许多拖动负载含有弹性或机械间隙等非线性因素；而且，交流电 机参数和拖动负载的参数( 如转动惯量) 在某些应用场合随工况而变化，同 时，许多干扰( 如电网扰动等) 具有不确定因素。而经典控制理论和现代控 制理论的控制算法都是建立在控制对象的模型基础上，不能在各种工况下都 保持设计时的性能指标，因此如果电机参数变化或具有非线性特性时，系统 性能将会受到影响，系统的鲁棒性差。 近几年人们将智能控制引入交流伺服系统控制中，并且取得了良好的控 第一章绪论 制效果，文献【4 峙旨出：埘于以电机为控制对象的电气传动控制系统，其模型 基本确定，引入智能控制方法，主要是利用非线性、变结构、自寻优等各种 功能来克服电气传动系统的变参数、非线性等不利因素，从而提高系统的鲁 棒性。因此，在多闭环伺服系统中，由于内环参数基本上变化不大，通常内 环仍保留矢量控制、p i 调节器等传统方法，而智能控制器常常用米代替速度 调节器和位置调节器，进行速度和位置调节。用于交流传动的智能控制器应 具有如下特点： 1 ) 有较高的动态性能和静态性能。 2 ) 算法简单，易于解析生成，适合于实时控制； 3 ) 对各种参数变化、扰动及不确定性干扰不敏感，系统鲁棒性好； 4 ) 可以与传统控制策略( 如p i d 控制) 相结合，优势互补【5 】【6 1 。 1 3 2 永磁交流伺服系统的研究现状 随着工业生产方式的日益自动化和复杂化，尤其是一些特殊的生产设备 发展的需要，使得现代伺服系统朝着“高性能、智能化、柔性化、数字化” 方向发展。作为当前高性能伺服系统代表的p m s m 伺服系统也就日渐成了研 究热点之，研究和发展高性能的p m s m 伺服系统已成为国内外广大同仁的 共识。从其应用领域的特点和p m s m 伺服系统自身技术的发展来看，今后 p m s m 伺服系统将向着以下两个方向发展：一个是适用于简易数控机床、家 用电器、计算机外围设备等以及对性能要求不高的工业运动控制等领域的简 易、低成本p m s m 伺服系统：另一个方向则是向适用于高精度数控机床、机 器人、特种加工设备精细进给驱动以及航空、航天用的高性能的全数字化、 智能化、柔性化的p m s m 伺服系统发展。而后一个更能充分体现p m s m 伺 服系统优势，必将成为p m s m 伺服系统的重点发展方向。但要进一步提高 p m s m 的伺服性能，必须在以下几个方面作更深入的研究和探索： ( 1 ) 发展永磁材料及其加工技术，改进p m s m 永磁体性能和自身结构以 克服其在使用过程中的“退磁”问题和存在齿槽转矩对其转矩波动尤其是低 速时的影响； ( 2 ) 改进逆变器和驱动电路性能以克服因功率开关关断延时对电流跟踪速 度减慢的影响，避免p m s m 定子电流存在谐波分量而造成的脉动；发展高精 度的速度及位置检测器件或实现无传感器检测以克服检测误差对控制器调节 性能的影响； 第一草绪论 ( 3 ) 采用先进的控制策略以提高控制器性能尤其足其智能水平和白适应能 力，以克服包含驱动器、电机及负载在内的“广义被控对象”的不确定性凶 素对系统性能造成的影响，弥补系统硬件存在的局限性。 国内外学者围绕以上问题从“软形式”和“硬形式”两方面着手进行了 大量的研究和探索，并取得了丰硕的成果【7 【8 【9 】 i o 】【1 1 】f 1 2 】【1 3 4 川5 川6 儿”】【1 8 】： 1 ) 以“硬形式”方式来解决，即从提高包含p m s m 、逆变器、检测元件等 在内的性能角度来提高永磁交流伺服系统的性能，如文献 1 8 l 采用高性能的永 磁材料和加工技术改进p m s m 转子结构和性能，通过消除和削弱齿槽转矩造 成的转矩脉动来提高系统性能。 2 )以“软形式”方式来解决，即通过改变控制策略，提高p m s m 伺服系 统性能，如文献【9 j 采用了“卡尔曼滤波器”估计p m s m 的转子位置而实现了 转子位置检测的“无传感器化”：文献【7 1 在原系统p i d 控制基础上引入非线性 和自适应设计方法以提高系统对非线性负载的调节和自适应能力；文献【l o j 采用了基于现代控制理论的具有较强鲁棒性能的滑模控制策略来提高系统对 参数摄动的自适应能力。 总的来说，作为“硬形式”存在的p m s m 、逆变器及相应反馈检测装置 等性能的提高受到材料等许多客观因素的制约，虽然可以提高伺服系统的性 能，但是相应的成本也要提高：而以“软形式”解决方案具有较大的柔性， 近年来随着控制理论的发展，尤其智能控制方法的兴起和不断成熟，加之计 算机技术、微电子技术的迅猛发展，使得以智能控制理论为基础的先进控制 策略和基于传统控制理论( 含现代控制理论) 为基础的传统控制策略的相结 合得以实现，并为其实际应用奠定了相应的物质基础【1 9 】。因此，结合控制理 论发展，从“软形式”的角度着手，通过提高控制器性能来提高p m s m 伺 服系统性能已日渐成为大家关注的焦点【2 0 】 2 l 】【2 2 l 2 3 11 2 4 1 2 5 】【2 6 【2 7 1 1 2 8 1 1 2 9 】【3 0 】。 近年来围绕提高伺服控制器性能国内外学者在控制策略上作了大量的 探索和研究，并取得了具有实用性意义的成果3 1 3 2 】。但是p m s m 自身就是 具有一定非线性、强耦合性及时变性的“系统”，同时其伺服对象也存在较强 的不确定性和非线性，加之系统运行时还受到不同程度的干扰，因此按常规 控制策略很难满足高性能p m s m 伺服系统的控制要求【2 0 】【2 2 。如文献【3 3 1 所提 出的自适应滑模控制策略从一定程度上提高了系统的自适应能力，也解决了 因系统参数摄动所造成的波动，但是其对于因外界扰动造成的系统影响并不 能消除，使系统稳态时存在一定的稳态误差从而降低了系统的定位精度；而 第一章绪论 文献提出的模糊控制策略尽管提高了系统的智能性，但是单纯采用模糊控 制策略需要较多的控制观则，而对于一个并不熟悉或新的驱动对象，获取“规 则”并矸if 1 分容易；文献【1 0 克服了文献1 3 3 i 的不足，但是其滑模控制器设计时 并没有很好的结合p m s m 位置伺服系统的运行特点，只采用了一个切换函数 和等速趋近律的设计方法因而不能很好满足系统控制的要求，尤其是采用等 速趋近律法设计v s s 从理论上讲并不适合象p m s m 位置伺服系统这样的对 象 ”l 。如何将传统控制理论与智能控制理论相结合，形成适当的控制策略， 以提高p m s m 伺服系统中的调节器性能。成为当前发展高性能p m s m 伺服 系统的一个主要“突破口”。 正是基于上述分析，本论文将模糊控制和神经网络引入伺服系统，采用 复合控制策略，研究并提出了自适应模糊控制器及自适应模糊c m a c 神经网 络控制器以提高p m s m 伺服系统性能。 1 4 本文研究方向及意义 伺服驱动装置是现代工业生产设备的重要驱动之一，是工厂自动化不可 缺少的基础技术，同时也是机电一体化产品的重要组成部分。正如前面所述： 发展高性能的p m s m 伺服系统( 尤其是作为位置伺服) 已成为当前及今后电 伺服系统发展的一个重要趋势。p m s m 伺服系统集p m s m 、功率驱动器、控 制器及相应反馈检测元件于一体，其性能与以上几太因素有着密切的关系， 但是在一定条件下，作为以“硬形式”存在的p m s m 、功率驱动器、反馈检 测元件要获得较大改进有着一定的局限性：而控制策略作为“软形式”存在， 有着较强的灵活性，其改进在现代控制理论和先进计算及技术的支撑下有着 较大的空间，同时随着计算机技术的迅猛发展也为实现各种先进而复杂的控 制策略奠定了物质基础。因此通过发展先进的控制策略来提高p m s m 位置伺 服系统的性能也就成了广大同仁热衷采用的“手段”。基于当前p m s m 伺服 系统控制策略研究方面存在的不足，结合现代伺服系统技术的发展趋势及发 展高性能p m s m 位置伺服系统的要求。本文以p m s m 位置伺服系统作为研 究对象，在剖析系统特点及控制要求的基础上，结合控制理论的新发展，从 系统的角度出发，围绕控制策略问题进行分析和研究，并作了一些理论上的 探讨、分析、设计，通过仿真和实验对所提出的控制策略及对应算法进行验 证。通过采用先进的控制策略改进其控制器性能来提高p m s m 伺服系统的伺 第一章绪论 服性能，为发展高性能p m s m 位置伺服系统提供有益的技术资料，并为实际 应用奠定了基硎：。 本文对进一步改进和丰富p m s m 位最伺服系统的控制策略作了一定的理 论探讨。其研究成果对高性能p m s m 伺服系统控制策略的改进及控制器的设 计，尤其是在提高其智能化水平、鲁棒性能及易于实现数字化控制上提供相 应的理论依据，并对现有p m s m 伺服系统的技术改造具有一定的实际指导意 义：对进一步推动现代电机伺服系统朝着交流化、智能化、数字化、柔性化 方向发展以及高性能p m s m 伺服系统在更大范围内应用具有一定基础性作 用；同时还将促进模糊控制、神经网络技术在现代电伺服系统中的广泛应用。 1 5 本文所作的主要工作 针对上述研究方向及目的，本文主要进行了以下几个方面的工作： 1 ) 分析永磁同步电机( p m s m ) 的工作原理，建立其数学模型，深入剖 析其运行特点及控制机理。并对其控制系统进行了整体分析，针对p m s m 非 线性、强耦合的特点，利用矢量变换进行电机模型的解耦，建立了永磁同步 电机的位置环、速度环、电流环三闭环控制。 2 ) 将智能控制引入交流伺服系统中，提出了自适应模糊控制器和模糊 c m a c 神经网络控制器，并将其应用于p m s m 的位置环控制中。该控制器 算法简单，且能在线更新控制器参数和模糊控制规则，实验结果证明了其可 行性。 3 ) 在m a t l a b 环境下进行了仿真研究，根据出现的问题，分析原因， 改进参数和控制策略，找到满意的控制方法。 第二章p m s m 交流伺服系统 第二章p m s m 交流伺服系统 2 1p m s m 数学模型 2 1 1p m s m 结构组成及其运行原理 p m s m 的结构组成同其它永磁同步电机一样，主要由定子、转子和端盖等部 件构成，定子与普通绕线式同步电动机基本相同，但转子用永磁体取代原同步 电动机转子中的励磁绕组，即p m s m 从结构上与普通同步电动机的差异主要在 于其转子磁路结构上。由于永磁体可以组成不同的结构和安装在转子的不同位 置上，因此可将永磁同步电动机转子磁路结构分为以下几种：表面式、内置式、 爪极式。 p m s m 运行原理也同普通同步电动机基本相同，因此有着相似的内部电磁关 系，可以采用双反应理论对其运行原理进行分析。下面仅对稳态运行f 的电压 方程作简要介绍，从而通过方程进一步理解p m s m 的运行原理，并为建立其d q 轴i 、的数学模型奠定基础。 u = e o + i lr l + j i 】x l + - ，lx 甜+ j ，gx 钾= e o + i lr l + ，dx d + ，qx q ( 2 1 ) 式中，磊 u ： 1 ，： r l ： x 。 x m x ；1 ： x d ： x ，： | l ，： 永磁气隙基波磁场产生的每相空载反电动势有效值( v ) 外施相电压有效值( v ) ； 定子相电流有效值( a ) ： 定子绕组相电阻( q ) ： 定子绕组相电抗( q ) ； 交、直轴电枢反应电抗( q ) ； 直轴同步电抗( q ) ( 蜀= + 五) ； 交轴同步电抗( q ) ( 也= x 。+ 五) ； 交、直轴电枢电流( a ) ，且有： id = i l s i n ；l q = i l c o s 内功率因数角 一l j 第二章p m s m 交流伺服系统 2 1 2p m s m 的d q 轴数学模型 由公式( 2 一1 ) 可知：p m s m 同普通同步电动机一样，内部磁场关系较为 复杂，其各量之间尤其是i d 、i 。之间存在着耦合关系；与普通同步电动机不同的 是，由于其转子磁场由永磁体产生，而永磁体安装在转子上，因此采用固定于 转了上的参考坐标系较为合适：取永磁体的磁场方向为d 轴，q 轴按逆时针方向 超前d 轴9 0 。电角度，则转子参考坐标的旋转速度即为转轴速度。 由文献”1 可知：忽略磁滞损耗和涡流损耗，并假设电机参数不随温度等变 化且转子无阻尼绕组，则基于d q 轴的p m s m 定子磁链方程为： 以2 l e + p r2 2 、 虻= l q e 式中：v7 为转子磁钢在定子上的耦合磁链； l d 、l a 为电机的直、交轴主电感： e ，为定子电流矢量的直、交轴分量： p m s m 的定子电压方程为： “；= 瑶+ p ；一y ； ，、 “；= 苍+ p ；+ y ； 式叶 ：“：，, ：为定子电压矢量的直、交轴分量： u 为转子角频率。 把式( 2 2 ) 代入式( 2 - 3 ) 有： “：= 0 呓+ 上d p i ：一c o l 。 “；2 _ + l , i p 7 ；+ ( - o l d i ；+ 旷。 ( 2 4 ) 把式( 2 - 2 ) 代入电机的转矩方 程有： 巧= p 。( y ：e p ；茹) = p 。，眇i ；+ ( l d k ) 纠 ( 2 5 ) 圈2 1p m s m 守日j 矢蔚幽 “上式可以看出：永磁同步电动机的电磁转矩含有两个分量：第一项为永磁 转矩，第：项为由于转子不埘称所引起的磁阻转矩。同时从公式还可看出p m s m 的l 乜磁转矩基水上取决于定_ 了交轴电流分量和直轴电流分量，由于转予磁链恒 定0 i 变可以采用转予磁链定向方式来控制p m s m 。其矢量图如图21 所示： 第二章p m s m 交流伺服系统 2 2p m s m 的矢量控制 2 2 1 电动机统一控制理论 电动机调速的核心是通过改变转矩来调节转速，其关系如下： 罂- d n ：乃一t 。 ( 2 _ 6 ) 3 7 5西 “ 式中：g d 2电机和负载机械的飞轮力矩，单位为n m 2 ； n 一转速，单位为r r a m ： t d 、t l 一电动机的电磁转矩和负载转矩，单位为n m ： 从上式可以看出，电动机的转速只与转矩相关，只要控制好转矩就可以很 好的控制转速。 2 2 2p m s m 的常用控制方法 出式( 2 5 ) 得出：p m s m 的电磁转矩基本上取决于定子交轴电流分量和直 轴电流分量，如果电磁转矩已知，就可以得到无穷多个直轴电流分量i d 和交轴 电流分量i 。，因此产生了不同的控制策略，分别具有相应的效率、功率因数以及 输出能力等。 常用的p m s m 电流控制方法主要有：i d = 0 控制，c o s 巾= 1 控制，恒磁链控 制，力矩电流比最大控制等。每种控制方法有其各自的特点，适用于不同的运 行场合f 3 5 3 6 】 3 7 】【3 8 】【3 9 【4 ”。 在i d = o 控制策略原理下各矢量之间的关系如 i i 5 v _ a 图2 2 所示。 定子电流矢量的直轴分量为o ，由式( 2 5 ) 得 d 电机输出转矩为： t d = p 。1 l r ”i ( 2 7 ) 幽2 2 i d0 时的矢量图 可以看出，控制i d = 0 时转矩仅与电枢电流成f 比，从而实现了i d 、i 。的解耦。 c o s 中= 1 控制方法的核心思想是使电机的功率因数恒为l ，充分利用逆变器 的容罱。假定k 2 l u = l ，保持c 。s 日) 2 1 必须按= 警s i n 来控制i 一和d 的关系。该 方法控制相对复杂，并且最人输m 力矩小。 第二蕈p m s m 交流伺服系统 恒磁链控制方法与i 。= o 控制方法比较，可以获得较高的功率因数，并且在 输出相同转矩情况下，需要的逆变器容量比i 。= o 方式小，但去磁分量大。 力矩电流比最大控制是在电机输出给定力矩条件下，控制定予电流为最小 的电流控制方法。力矩电流比最大控制使电机输出力矩满足要求的情况下定子 电流最小，减小了电机损耗，有利于逆变器开关器件工作，同时降低了成本。 在该方法的基础上，采用适当的目；磁控制方法，可以改善电机高速时的性能。 此方法的不足在丁i 功率因数随着输出力矩的增大下降较快。 综合看来，按照转予磁链定向并按i 。= o 方法进行控制的p m s m 调速系统实现 了定子电流与转子磁通解耦，控制系统简单，转矩波动小，可以获得很宽的调 速范围，适用于有高性能要求的工业应用领域，因此本文采用这种控制方法。 2 2 3i d _ 0 控制策略下系统的工作原理 采用i d = o 控制策略设计的p m s m 伺服系统原理如图2 3 所示 坐标瘦换 【神。静) 直琅拉捌+ 童m 控考i 蹙橱嚣 电濂控制系统 闰2 3i d = o 控制下p m s m 俐服系统原理图 从式( 2 - 7 ) 的转矩方程可以看到，由于转子为永磁结构，v 为常数，转矩 只与电枢电流的幅值成正比，实现了解耦控制。只要在逆变器中控制好定子电 流的幅值，就会得到满意的转矩控制特性。定子电流的频率和相位由转子位置 检测器的转子磁极位置信号决定。 首先，与转了同轴的转子位置检测器测瞅转子位置角凡，经正弦波函数发! f 器后变换成三个位置角的正弦信号 第二章p m s m 交流伺服系统 s 4 i n 铋( x i ：a 1 2 0 。) l 。2 - 8 ， = 一 。) ( ) & = s i n 0 2 4 0 。) j 这三个位置正弦信号经计算环节后到变频器电流控制系统( p w m 逆变器) ， 去控制定子三相对称绕组的电流，并使其合成电流矢量i 5 位于q 轴，! l ! i j 变频器输 出的定子三相电流瞬时值的表达式应为： f j = 一，3 s 。= 一，5s i n 2 f ；= 一，5 s 6 = 一5s i n 以一1 2 0 。) ( 2 - 9 ) 芒= 一5 虬= 一。s i n 0 2 4 0 。) i 式中1 5 变频器输出的定子电流幅值( 最大值) 。 由空间矢量定义知，三相定予合成电流矢量为 f 5 = 苡+ 蟒+ 9 2 芒= ( 3 2 ) ，5 p 杠+ ”j ( 2 1 0 ) 其中，a 为e = 1 2 0 。的单位矢量。 电流矢量的幅值为定子电流幅值1 5 的1 5 倍，方向超前d 轴9 0 。电角度，旋 转速度为 式中c o 转子旋转的角速度。 因此，由转矩方程式( 2 1 0 ) 得到的永磁同步电动机电磁转矩为 乃一3 2 ) p , ，1 5 = k 。， ( 2 。1 1 ) ( 2 12 ) 式中k 。比侈4 系数，k 。= ( 3 2 ) p 。7 。 由式( 2 1 2 ) 可看出，转矩严格地和电流幅值成正比，控制转矩的大小实际 上就是控制定子电流幅值的大小。有此转矩后，电动机将会以角速度u 旋转， 值增加，相应的定子电流值也以角频率u 作正弦变化，始终保持定子合成电 流( 磁动势) 矢量超前转子9 0 0 电角度，系统正常运行。 2 3p m s m 位置伺服系统 2 3 1 引言 山第一章，j 知，p m s m 具有比传统同步电动机、感应电动机及b i 。d c m 优 越的性能及性价比，尤其是其低速驱动和直接驱动具有较好的性能：同州随着 ，1 4 一 第二章p m s m 交流1 司服系统 其相关支撑技术特别是永磁材料技术、电力电子技术及计算机技术的快速发展， 使得由其构成的p m s m 伺服驱动系统日渐成为交流尤其是高性能交流伺服驱动 场合的主流：如机器人、精密数控机床以及近几年迅速发展起来的柔性制造系 统等。为此，本节将在前面分析的基础上，对p m s m 位置伺服系统的控制方式、 系统结构组成原理、控制特性及控制要求进行分析，为下面实现智能控制器的 设计奠定基础。 2 3 2p m s m 位置伺服系统控制方式简述 从广义上讲，p m s m 伺服系统包括电气伺服和被驱动对象两大部分。电气 伺服部分包括伺服电动机、逆变器、控制调节器及相应反馈检测装置。根据应 用场合及对控制性能要求的不同，伺服系统具有多种控制方式也即对应着 不同的结构形式，以p m s m 的重要应用之一的数控机床为被驱动对象为例，一 般可分为下面四种方式【4 2 】：开环控制：半闭环控制；全闭环控制；混合闭环控 制。 由于开环控制方式不需要反馈装置，具有结构简单、易于控制及成本低的优 点，在早期简易型数控机床的进给伺服系统中用的较多。但是由于没有反馈装 置，使系统白渊整能力差、控制精度低，因此，也就限制了其在中、高档伺服 系统中的应用；对于全闭环控制方式，其位置检测器直接安装在机床t 作台上， 可以获取工作台实际位置的精确信息，从而通过反馈环实玑高精度的位置控制， 因此，从理论上讲，这种方式是一种较为理想的控制方式。但是在实际系统中， 将位置检测器直接安装在机床工作台上不易实现，即使能实现，由于机床本身 被包含在反馈环内，使得电气部分和执行机械不再相对独立，而传动的间隙、 摩擦特性的非线性等因素都将影响控制系统的稳定，使系统容易产生机电共振 和低速爬行现象；半闭环方式下位置检测器不像全闭环方式那样直接装在机床 t 作台上，而是与电机同轴相连，并通过该检测器直接测出电机轴的旋转角位 移，进而导出当d n 执行机械的实际位置，使得执行机械部分与电气部分相对独 立，这样一方面增强了系统的通用性，另方面减少在反馈环中的非线性因素， 也使系统控制器参数设计及整定易于实现，因此这种方式得到了罔内外广大同 仁的普遍炊迎，同l 对也是当前使用最多的一种方式( 见图2 4 所示) ：混合控制 方式兼有令闭环和半 j 】环的特点，从理论上讲是最为理想的方式。但是由于存 在两个闭坷：，使系统的控制复杂程度大大增加，且两闭环之问的配合、增益调 懿较为难，从而山使得系统的通用性变羞。 1 第二章p m s m 交流伺服系统 图24 半闭环控制方式系统的组成框图 正如上面分析，尽管半闭环控制方式从控制精度上不是最理想的，但是其控 制实现以及成本都较全控混合控制要优越；加之随着控制技术及相关支撑技术 的发展，可以通过改进控制器的性能来弥补其不足。因此，对于高性能p m s m 伺服驱动系统，从提高其性价比的角度来讲理应采用半闭环控制方式。 2 3 3 基于转子磁场定向控制的p m s m 位置伺服系统组成 从上面分析可知，对于p m s m 位置伺服驱动系统，从性价比的角度讲采用 半闭环控制方式较为合理。而作为系统核心部件之一的p m s m ，其控制方式对 系统性能影响很大，从前面的分析可知其d 、q 轴间存在耦合关系，使得状态变 量i 。、i 。、m 不能独立调节而不能实现对其转矩的线性化控制1 4 3 l 。正如第一章 介绍，矢量控制自2 0 世纪7 0 年代初诞生以来获得了快速的发展，如今已较为 成熟畔】，转子磁场定向控制( i 。= o ) 方式因其实现最为简单而得到了广泛应用。 为实现高精度的位置伺服控制，采取半闭环控制方式的p m s m 伺服系统， 常采用三闭环结构：电流环、速度环和位置环，分别对应着电流调节器、速度 调节器和位置调节器三个控制器。电流环用来提高系统快速性，及时抑制内部 干扰，限制最大电流，使系统具有足够大的加速转矩，并保障系统安全运行； 速度环用来增强系统对负载的抗干扰能力，抑制速度波动；位置环用来保证系 统的稳态精度和动态跟踪性能，是反馈主通道，直接关系到位置伺服系统的稳 定性利动态特性【4 “。基于响应速度及简化设计的需要，通常电流环调节器采用 模拟控制方式滞环比较控制方式；位置检测( 含速度检测) 采用光电码盘。 考虑p m s m 电流采用的是基于i d = o 的矢量控制方式，功率驱动器多采用电流控 制型的电压型逆变器，主回路采用全桥结构方式。基于上面分析结合控制要求 可构建出如图2 5 所示的基于转子磁场定向控制( i 广o ) 的三闭环结构p m s m 伺服系统。 第二章p m s m 交流伺服系统 图2 5 基于转于磁场定向控制的p m s m 位置伺服系统原理框图 由图可以看出，参考位置指令与位黄检测元件检测的反馈位置相比较后形成 位置调节控制器的指令输入，通过位置调节器得到转速参考指令并与反馈检测 到的实际转速相比较形成速度控制器的输入指令，通过速度控制器并控制i 。= o 得到电流参数指令i 。+ ，再经过d q 坐标变换后得到三相电流的参考指令i 。+ 、i b + 、 i 。+ ，并与反馈检测到的三相实际电流通过电流滞环控制器得到逆变器的驱动控 制信号，从而实现对p m s m 的调节和控制。 2 3 4p m s m 位置伺服系统控制要求 由文献1 2 1 可知：p m s m 位置伺服系统在给定位置指令( 阶跃) 作用下，其典 型位置、转速、转矩响应特性曲线与其它交流位置伺服系统一样，见图2 6 所示。 由图可知，其位置响应在阶跃输入指令作用下在时间t 3 点到达目标指令值