（物理电子学专业论文）基于小波分析校正网络的直流电机控制研究.pdf

摘要 由于直流电机有优良的调速性能，在市场中占据着很大的份额，在实际应用中有着 交流电机无法替代的作用。为了研究直流电机调速精度和转速稳定性，提高控制系统的 智能化程度和纠错能力，运用小波分析技术，提取电流，电压和转速的小波系数中所包 含的丰富的时频信息，判别电流、电压和速度的异常突变；通过构建归一化能量特征向 量提取故障特征，并与事先建立的故障辞典做对比，判别错误原因，再通过调整晶闸管 输出的p 删波的占空比，修正转速，实现自动纠错功能，使其转速稳定在要求范围内。 按照此思路设计制作了直流电机控制器。该系统硬件部分包括核心芯片8 0 c k c l 9 6 、 电流检测电路，电压检测电路，速度检测电路、p w m 调节电路，驱动电路六个主要部 分。在软件方面，主要由初始化模块、速度检测模块、电压检测模块，电流检测模块， 脉宽调制模块、故障处理模块和小波计算模块七个主要组成部分。 对该控制器整体调试，进行了开环和闭环运行实验；并在起制动性能方面，输入电 压信号突变时转速稳定性方面，线性阶跃负载情况下转速变化方面，抗干扰方面和普通 p i d 控制器进行了对比实验，显示调速精度和转速的稳定性优于常规p i d 调速器。说明 该控制系统具有较好的稳态性能与控制性能，较高的精度和可靠性。该研究工作对提高 直流电机调速精度和判别异常信号突变进行了一定的理论探讨，并提供了切实可行的方 法。 关键词：直流电机，小波分析，调速精度，转速稳定性 a b s t r a c t a sg o o ds p e e dp e r f o r m a n c e , d em o t o ro c c u p i e dt h el a r g em a r k e t s h a r e i np r a c t i c e ，t h ea p p l i c a t i o no f d cm o t o ri si r r e p l a c e a b l ei nc o m p a r i s o nw i t ha cm o t o r i no r d e rt oe n s u r ea c c u r a c ya n ds p e e dm o t o rs p e e d s t a b i l i t y ，a n di m p r o v et h ec o n r a i ls y s t e mo fi n t e l l i g e n c ea n de r r o rc o r r e c t i o nc a p j 锣，t h et h e o r yo f w a v e l e t a n a l y s i si su s e dt oa c c u r a t e l y , t i m e l yd e t e c tt h ea b n o r m a lc h a n g e so ft h ed cm o t o rs p e e da n dt h ee l e c t r i c a l s i g n a lo ft h ec o n t r o ls y s t e m , a n dt od i a g n o s i sf a u l tf o rs e l f - c o r r e c t i o na n di m p r o v i n gi n t e l l i g e n c eo ft h e c o n t r o ls y s t e ma n de r r o rc o r r e c t i o nc a p a c i 锣t h i st h e o r yc a nh e l pu st oe x t r a c tt h et i m e - f r e q u e n c y i n f o r m a t i o n so ft h ew a v e l e tc o e f f i c i e n t so fc u r r e n t , v o l t a g ea n dr o t a t i l l gs p e e d , a n dt oc o n s t r u c te n e r g y n o r m a l i z e dv e c t o rf o rj u d g i i l gt h ef a u l t s , t h e nt h ep w mi sa d j u s t e dt oc o r r e c ts p e e d , a n de 1 1 s u r ec o n t r o l a c c o r d i n gt ot h i sm e t h o d , w ed e s i g n e da n dm a d et h i sd cm o t o rc o n t r o l l e r t h i sh a r d w a r es y s t e m i n c l u d e sc h i p ，8 0 c k c l 9 6 ，p w ma d u j u s t m e n t , d e t e c t i o nm o d u l eo fc u r r e n ta n dv o l t a g e , d e t e c t i o nc i r c u i to f r o t a t i r 培s p e e , da n dd r i v i n gc i r c u i t i ns o f t w a r ed e s i g n , t h i ss y s t e mi n c l u d e st h ef u n c t i o n a lm o d u l eo ft h e i n i t i a l i z a t i o n , v o l t a g ed e t e c t i o n , c q 皿t e nd e t e e t i o n , s p c e dd e t e c t i o n , m i s t a k e sj u d g m e n t a l lo f t h e mh a v eb e e n t h ed e b u g g i n gs h o w st h i sc o n t r o ls y s t e mi si no r d e r , a n dt h ec l o s e d - l o o pa n do p e n - l o o pe x p e r i m e n t s p r o v et h i sr e s u l t t e s t sw e r em a d ec o n t r a s tw i t ho r d i n a r yc o n t r o l l e ri nt h e s ef i e l d s , t h ep e r f o r m a n c eo f s t a r t i i l ga n db r a k i n g , t h es t a b i l i t yo fm t a f m gs p e e du n d e ri n p u ts i g n a lm u t a t i o n , t h es p e e dc h a n g e sw h i l e l o a dc h a n g e s a n t i - j a m m i n ga b l i t y e x p e r i m e n t sa n dt e s t ss h o wt h a t t h i sc o n l m l l i n gs y s t e mh a db e t t e r s t a b i l i t ya n di n s t a n t a a e i t yb e a r i n gh i g h e ra c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ts h o wt h a tt h e c o n t r o ls t r a t e g yp r o p o s e db yt h i sa r t i c l ei sc o n c ta n df e a s i b l e c o n t r o ls y s t e mh a sh i 【g hr e l i a b i l i t ya sw e l l a se x c e l l e n tc o n t r o le f f e c t s 佻d i s s e r t a t i o no f f e r ss o m et h e o r yr e f e r e n c ea n dp r a c t i c a lm e t h o d sf o rt h e a p p l i c a t i o n so fd cm o t o rc o n t r o u m ga n ds i g n a lp r o c e s s i n gd e t e c t i o n k e yw o r d s ：d cm o t o r , w a v ea n a l y s i s ，a c c u r a c yo f a d j u s t i n gs p e e d ，s t a b i l i t yo f r o t a t i n gs p e e d 独创性声明和论文使用授权说明 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个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 经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河南师范大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。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 的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 俐宫舌，协 本人完全了解河南师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：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。本人授权河南师 范大学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。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 签名：酸垦生导师签名：壶金蠡期：逊笸= 丝 7 i 第一章绪论 第一章绪论 本章主要阐述了该课题研究的理论和现实意义，总结了电机控制功能开发的现状和 发展趋势，论述了电机控制设计方法的现状和发展趋势，概括了直流电机的控制内容， 说明了本课题具体的实施方案共五个方面的内容。 1 ，l 本课题研究的理论和现实意义 电动机在机械制造，冶金工业石油工业，化学工业等领域有着广泛的应用。由于 直流电动机具有优良的调速特性，它调速平滑，方便，范围广，启动转距大，节能、稳 速精度高，过载能力强，能承受变化的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动，制动和 反转等特点，能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，是交流电机无法取 代的。直流电机的市场占有率一直处于领先地位，广泛应用于数控机床、轻工机械，塑 料机械、造纸机械，食品包装机械等方面。 电子技术和控制理论的创新使得电机调速技术得到很快的发展。新的电子器件，高 性能的数字集成电路以及先进的控制理论的应用，使得控制部件功能日益完善，所需的 控制元件愈来愈少，控制器件的体积也日益减小，可靠性提高而成本降低。从而使得直 流电机的应用不再局限于传统的工业领域，而在商业、交通业等领域也得到广泛应用。 由于工业自动化的显著提高，对直流电动机自动控制系统有更高要求，特别在高精 尖领域，调速的精度和稳定性已成为评价性能的首选指标。随着生产效率提高，越来越 多的生产机械要求能实现转速调节与相应的自动化控制，对电力传动装置的转速精度和 稳定性能将会要求越来越高。 但是调速器毕竟是有许多元件构成，元件难免会出现故障，或者个别性能达不到要 求；而且外部条件和环境变化也会影响输出和转速。常规p i d 控制因为不知道什么时候 出现故障，无法真正有效纠正。 可见，许多直流电机虽然功能增多，可缺乏对异常突变信号的检测和校正，导致 控制器对反馈调节和自动纠错能力的智能化程度不高，速度控制的精度不够，尤其在高 速运行场合对信号反馈控制检测灵敏度不够，转速精度和稳定性不能得到完全保证。 那么如何判断确定时刻或者确定短时间内出现故障，并对转速自行修正和调节 啊? 这就涉及信号的检测处理理论。为此我们有必要总结信号处理理论的发展和现状。 基于小波分析校正网络的直流电机控制研究 数字信号处理的数学方法有时域、频域和时频域三个方面。在时域中对信号进行处 理、分析或利用数理统计的方法来获得信号中的某些特征信息；数字信号处理方法就是 利用离散傅里叶( f o u r i e r ) 变换( d f t ) 将离散的时间信号序列转换到频域中去，常称为频 谱分析。它已成为信号处理的基本、成熟的分析方法之一。其最主要优点是它在频域的 定位是完全准确的，用它可分析信号能量在各个频域成分中的分布情况。许多在时域内 很难分析和看清的问题，在频域内其变化过程则很清楚。 但是，傅立叶变换反映的是整个信号全部时间内的整体频域特征，而不能提供任何 局部时间段上的频率信息。由此产生了如下的缺陷：其一，只适用于分析平稳信号，对 非平稳信号无能为力。其二，必须使用信号在时域中的全部信息，甚至将来信息，才能 得到一个时域信号的频域特征。其三，傅里叶变换对信号的奇异性不敏感。即如果一个 信号只在某一时刻的一个小的邻域内发生了变化，信号的整个频谱都要受到影响，而从 频谱的变化无法确定发生变化的时间位置和发生变化的剧烈程度。其四，由于测得的信 号往往既包含高频信息，又包含低频信息，这就要求对于高频信息，时间间隔应相对变 小，以给出精确的高频信息；对于低频信息，时间间隔应相对变宽，以给出一个周期内 的完整信息。n 时频分析即将信号转换到时间一频率二维平面上，处理后的信号不仅具有频率信 息，且有时间信息。时频分析方法主要分为短时傅里叶变换( s t f t ) 、w i g n e r - v i l l e 分布 ( w v d ) 和小波变换。 短时傅里叶变换，也称为加窗傅里叶变换是d g a b o r 于1 9 4 6 年提出。但是其窗函 数的大小和形状与时间和频率无关而保持固定不变。而我们期望在对高频信号分析时采 用小时间窗，对于低频信号则采用大时间窗进行分析，这种变时间窗的要求同加窗傅立 叶变换的固定时窗的特性相矛盾，故使其应用受到限制；同时傅立时变换是对时间t 的 积分，去掉了非平稳信号中的时变信息。这说明加窗傅立叶变换也只适用于确定性的平 稳信号。 w i g n e r - v i l l e 分布是e w i g n e r 于1 9 3 2 年提出，又由j v i l l e 于1 9 4 8 年引入信号 分析的，它是信号在时域和频域上( 时间一频率平面上) 的能量分布，具有对准平稳及 非平稳信号的分析能力，对于调频、调幅信号以及随机噪声在时频平面上有直观的表示。 w i g n e r - v i l l e 分布也有其局限性：( 1 ) 必须采用解析信号进行分析，没有有效的算法，运 2 第一章绪论 算量庞大，运算速度慢。( 2 ) 分析中含有多种频率成分的信号时存在严重的交叉干涉现 象。3 f 4 1 在信号测试与数字图像中，一些突变信号而往往是所要研究重点，如故障诊断中冲 击信号测试、图像处理中的边缘检测等o 因此人们迫切希望能找到一种知道信号在任意 时刻或任意一短段时间内频谱分布情况的方法。 小波变换是一种时间尺度分析法，而尺度与频率相对应，因此它也是一种时频分 析法。所以小波变换具有以下特点： ( 1 ) 在高频范围内时间分辨率高；在低频范围内频率分辨率高。既适合于分析平 稳信号，也适合于分析非平稳信号。 ( 2 ) 利用离散小波变换可以将信号分解到各个尺度( 频带) 上。 ( 3 ) 有快速算法m a l l a t 算法。 小波变换是现代信号分析与工程实践应用结合的产物，为非平稳信号处理提供了比 较理想的数学工具。它不仅继承了加窗傅立叶变换的局部化的思想，而且克服了窗口大 小不随频率变化、缺乏离散正交基的缺点，成为分析信号的数学显微镜。 但是，运用小波理论在电机控制系统中如何判别异常突变信号和引起的原因，并 进行自行修正，具体的方法和技巧需要不断探讨和完善。所以研究此课题不仅能佐证小 波理论，丰富小波技术，而且能够探讨提高电机控制精度和稳定性的方法。及时检测信 号异常突变，诊断故障，自动纠正，提高控制的智能化程度，同时研究结果会对其他控 制领域，乃至信号检测领域的研究起到借鉴作用，有较高的理论和实际价值。 1 2 直流电机控制技术的国内外现状和发展趋势+ 直流电机调速技术发展很快，涌现出了功能强大的控制器。其功能开发现状和发展 趋势总结如下： l 、智能化 这是指以控制理论为指导，吸收人工智能，模糊数学、运筹学、心理学，生理学， 混沌力学等涌现出的新思想，模拟人工智能，使所设计的机器具有逻辑思维，推理判断 和自主决策的能力，实现很高的控制性能。嘲 2 ，网络化 由于网络的普及和便捷，为远程控制和监视提供了基础。利用网络传输数据，指挥 基于小波分析校正网络的直流电机控制研究 远程终端的电机控制器，是电机控制发展的一个方向。 3 ，一体化 就是将电机，控制、反馈、驱动、通信的功能集于一身。把驱动和通信集成于一体 的电机叫智能化电机。一体化的思想会使智能化电机从设计制造到运行维护必须有机结 合在一起。 另外还有绿色化、发热抑制、静音化、从故障诊断到预测性预防等等。 1 3 调速控制设计方法及发展趋势 随着数字信号处理理论、自适应理论、集成电路理论等的发展，带动了调速控制设 计方法的不断丰富。 l 、数字化 全数字直流调速系统虽然刚问世不久，但发展迅速。从8 0 年代中后期起，美国、 英国、德国、日本、法国等国家的一些大电气公司相继推出了各自的全数字直流调速系 统。如法国t e 公司推出的r t v - 8 4 系列全数字直流调速系统已成为当今世界上先进的 直流调速系统之一。还有g e 公司的d c 系列、t e 公司的r e c t i v e r 系列、a b b 公司 的d c s 系列、s i e m e n s 公司的6 r a ( 6 r m ) 系列、a v t r o n 公司的a d d 3 2 系列、c t 公司的m e n t o r 、英国欧陆s s d 数字直流调速系统等。 如今，随着高速微处理器和d s p ( 数字信号处理器) 的出现，微电子技术的迅速发展 和微处理器技术的发展，使得直流电动机控制系统的运行速度、处理能力和基本性能有 了很大的提高。数字控制技术使得原来许多功能靠硬件实现的，现在变为都有软件来完 成，这样，减少了硬件电路，提高了可靠性和性能；同时减小了尺寸，提高了效率。数 字控制技术不仅使系统获得高精度、高可靠性，还为新的控制理论( 如矢量控制、直接 转矩控制、参量自适应控制、模糊控制、神经网络控制等) 的应用提供了研究基础。特 别是适用于实时控制的工业单片机和高速数字信号处理器( d s p ) 在调速系统中的应用， 这大大简化了系统结构，提高了系统的性能。因此在今后的相当长时间内发展基于微处 理器的全数字式调速系统将一直是研究的重点。 。这使d s p 技术有很好的应用和快速发展。由于d s p 可对输入输出数据进行高速处 理( 其运算速度比单片机快一个数量级) ，特别是d s p 器件还提供了高度专业化的指令 集，提高了数字滤波器的运算速度，这样使得它在控制器的规则实施、矢量控制和矩阵 4 第一章绪论 变换方面具有很多优势。若要直流电机完成一些较复杂的控制功能，如速度电流双闭环 调速、转子电流正弦波驱动，则必须要用运动控制专用微处理器。另外，采用d s p 的 专用集成块的另一优点就是：可以降低系统对传感器等外围器件的要求，通过复杂的算 法可以达到同样的控制性能。这样，降低了成本，提高了可靠性。今天，d s p 己经成 为通信、计算机、网络、工业控制以及家用电器等电子产品中不可或缺的基础器件。因 为d s p 具有较强的计算能力和较好的实时性，使得算法复杂的现代控制理论能够在实 际中得到很好的应用，特别是实时性要求很高的系统，也可以通过d s p 实现复杂的智 能控制算法。d s p 的应用越来越多，例如机器人，机械手等工业自动化系统；火炮位置 伺服等军用设备；洗衣机，空调等家用电器设备；复印机，硬盘驱动器等办公自动化设 备；电动自行车等交通工具都用到了d s p 控制器电力传动方案。 美国德州仪器t i 公司专门为电机的数字化控制设计1 6 位定点d s p 控制器 t m s 3 2 0 f 2 4 x xd s p ，其信号具有高速处理能力，且集适用于电机控制的优化的外围电 路于一体，可以为高性能传动控制提供可靠而高效的信号处理与控制硬件。 2 ，集成化 专用集成电路控制器发展很快。对于专用集成电路( a s i c a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t ) ，现在几乎所有先进工业国家的半导体厂商，都能提供自己开发的电 机控制专用集成电路。但使用灵活性较差，受到的限制过多。但集成化的发展趋势不可 改变，将很多功能，很多电路集成，使成本降低，体积变小，功耗变低。 例如1 r i 公司的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列电机控制芯片性能就非常优越，它将电机控制所 需的外围功能电路集成在一个d s p 芯片内，具有体积小、结构紧凑、易于使用、可靠 性高的特点，运算速度可达2 0 - 4 0 m i n p s ，指令周期仅为几十纳秒，与普通的m c u 相 比，运算及处理能力增强1 0 5 0 倍，确保了系统具有更优越的控制性能。 3 ，微机控制 直流电动机控制系统正由传统的模拟控制转向以数字技术为核心的微处理器控制。 其优点如下：对一台电动机单独控制，或硬件电路不能胜任的工作可以采用微机控 制。硬件电路不能胜任的功能采用软件简单实现，在线改变控制系数，进行电动机矢量 控制的复杂运算。 采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化，结构简单，可靠性高，操作维护方 便，电机稳态运行时转速精度可达到较高水平。由于微机具有较佳的性能价格比，所以 基于小波分析校正网络的直流电机控制研究 微机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。 另外，基于单片机的直流电机调速系统以其造价低，性能灵活而得到较多应用。 例如，上海大学研究的基于p i c l 6 f 8 7 7 直流电机调速系统，电机控制芯片采用了l 2 9 8 芯片，使用光电编码器作为检测传感器，通过p w m 的输出信号实现对直流电机的调速， 实现的性能就比较优良。 4 ，脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t e ) 技术 由于脉冲宽度调制功耗低、效率高得到了越来越多的青睐。p w m 调速装置利用大 功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开， 并根据需要改变一个周期内“接通 和“断开 时间的长短，通过改变直流伺服电动机 电枢上电压的“占空比 来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。该方法使用 灵活、方便、精度高。 5 、总线技术 总线化使得各种电动机的控制系统有可能运用相同的硬件结构。现代电机控制技术 在硬件结构上有朝总线化发展的趋势。 1 4 直流电机控制的内容 直流电机控制主要由转向，起动、制动和调速几个方面。 一，直流电动机的起动 起动的要求首先是起动转矩要足够大，另外是起动电流不要太大。电动机在起动时， 通过以上两个要素来衡量起动性能的好坏。在起动并励，他励、复励直流电动机时，合 开关前，电枢回路外串电阻置于最大值位置，从而起到限制起动电流的目的，励磁绕组 外串电阻置于最小值，起到提高起动转矩的目的。但是串励直流电动机不能直接空载起 动。 6 1 二，直流电动机的制动 在生产中经常需要采取一些措施使电动机尽快停转，或者限制势能性负载在某一转 速下稳定运转，这就是电动机的制动。它包括能耗制动，反接制动，倒拉反转制动， 回馈制动。 三，直流电机的换向 6 第一章绪论 直流电机的换向也是控制的一项重要内容。换向元件中合成电动势为零，其中电流 随时间按直线规律变化称为直线换向。从电磁理论的角度看，直线换向时电机不会产生 火花。换向元件中由于有电抗电动势的存在，实际换向不是直线换向，而是延迟换向。 当电抗电动势大到一定值时，电机电刷下就会出现火花。直流电机定子上装换向极可以 起到改善换向的作用。换向极要装在定子上两个主磁极之间。换向极绕组里流过的电流 就是电枢电流，为此应把换向极绕组串联在电枢回路里。对换向极的极性有一定的要求， 对发电机来说，顺着电枢旋转的方向看，换向极的极性应和主磁极的极性一致。如果把 换向极的极性弄错，不仅不能起到改善换向的作用，反而会使换向元件更加延迟换向， 产生更大的火花。换向极产生的磁动势过强，会使换向变为超前换向，也有可能产生火 花。 7 , 8 1 四、直流电动机的调速 电动机带动一定的负载运行时其转速由工作点决定。如果调节其参数，则可以改变 工作点，即可以改享其转速。由电动机机械特性方程刀= 若；一雨r o + rt 可知，他赢直流 电动机有3 种调节转速的原则：一是改变电枢电压u ；二是改变励磁电流i f , 虽p 改变磁 通；三是电枢回路串入调节电阻r 。 例如他励直流电动机调节转速的途径具体如下： 1 ，降低电枢电压调速：当磁通不变，电枢回路不串电阻，改变电枢电压u 时，电动 机机械特性的改变，而斜率不变，此时机械特性为一簇平行于固有特性的曲线。直流 电动机的机械特性与负载机械特性将会交于不同的工作点上，可使电动机的转速随之变 化。【9 ，1 0 1 改变电枢电压u 调节转速的方法具有较好的调速性能。由于调电压后，机械特性的 “硬度 不变，因此有较好的转速稳定性，调速范围较大，同时便于控制，可以做到无 级平滑调速，损耗较小。当调速性能要求较高时，往往采用这种方法。 此外，应用这种方法时，电枢回路需要一个专门的可调压电源，过去使用直流发电 机，直流电动机系统实现，由于电力电子技术的发展，目前一般均采用可控硅调压设备 来实现直流电动机控制系统。 2 、弱磁调速：调速过程中保持u = u n ，电枢回路不串电阻，改变励磁电流i f 即改 变磁通。为使电机不致于过饱和，因此磁通只能由额定值减小。由于减小，机械 7 基于小波分析校正网络的直流电机控制研究 特性的升高，斜率增大，如果负载不是很大，则可使转速升高，减小越多，转速升 得越高，不同可得到不同的机械特性曲线。 这种调速方法的特点是：由于励磁回路的电流g a d , ，只有额定电流的1 一3 ，不仅 能量损失很小，且可以连续调节，便于控制。其限制是转速只能由额定磁通时对应的转 速往上调，而电动机最高转速要受到电机本身的机械强度及换向的限制。 3 、电枢回路串电阻调速：调速过程中保持u _ u n ，磁通= ，当他励直流电动机 电枢回路串入调节电阻r p 后，其电枢回路的总电阻为i 浒i 沁，电动机机械特性的不 变，斜率增大。串联不同的r p 可得到不同斜率的机械特性，电枢回路串联电阻越大， 机械特性的斜率越大，因此，在负载转矩恒定，即砒= 常数时，增大电阻r p 可以降低 电动机的转速。 直流电动机上述3 种调速方法中，改变电枢电压和电枢回路串电阻调速属于恒转矩 调速，而弱磁调速属于恒功率调速。 直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。目前电动机转速 调节的基本方法主要采用电阻转换的方法，二极管转换的方法，增设电流晶体管的方法， 使用运算放大器的驱动电路的方法。 1 5 本课题具体的实施方案 本课题以直流电机调速器为研究对象，采用文献综述分析、电路实验等方法，研究 了将小波分析技术用于直流电机控制中，设计了带自动校正网络的直流电机调速系统。 利用小波分析技术，判别控制器故障和电机转速异常，针对性地校正，提高调速精度和 转速稳定性，并突出转速精度高，转速稳定，保护动作灵敏，高可靠性显著特点，同时 兼有模块化、小体积、高性价比等优点。 第一章绪论，主要总结直流电机调速控制器功能开发和设计方法的发展现状和趋 势，直流电机控制的内容和该研究的意义。 第二章基于小波分析校正网络的直流电机控制理论基础，主要阐述了常规的p i d 控 制理论，小波分析理论以及小波分析技术在直流电机控制中的运用方法，还有该电机控 制中故障辞典的建立。 第三章基于小波分析校正网络的直流电机控制系统硬件构成，主要介绍该系统的硬 件组成模块及各自的功能。 第一章绪论 第四章基于小波分析校正网络的直流电机控制系统软件构成，主要介绍该软件系统 组成模块的流程及各自的功能。 第五章调试以及实验运行结果及分析，主要讲述了调试方法，实验方法和结果。 第六章结论，说明了全文的工作，并对实验结果进行了分析。 9 第二章基于小波分析校正网络的直流电机控制理论基础 第二章基于小波分析校正网络的直流电机控制理论基础 为了和基于小波分析基础上的控制理论作对比，本章首先主要总结了常规的p i d 控 制理论，然后阐述了本研究所依据的小波分析理论，以及小波分析技术在直流电机控制 中的运用的具体方法，还有该电机控制中故障辞典的建立。 2 1 常规的p i d 控制理论 通常一个控制系统包括控制器、传感器变送器、执行机构、输入输出接口。控制 器的输出经过输出接口、执行系统，再加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感 器、变送器后，通过输入接口送到控制器。目前，p i d 控制及其控制器或智能p i d 控制 器已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，涌现出了各种各样的p i d 控制器 产品，各大公司开发了具有p i d 参数自动调整功能的智能调节器( i n t e l l i g e n t r e g u l a t o r ) ，其中p i d 控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法 来实现。 自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。 1 、开环控制系统 开环控制系统( o p e n l o o pc o n t r o ls y s t e m ) 就是指被控对象的输出( 被控制量) 对控制器 ( c o n t r o l l e r ) 的输出没有影响。在该系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回 路。 2 、闭环控制系统 闭环控制系统( c l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e m ) 的特点是系统被控对象的输出( 被控制量) 反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈， 若反馈信号与系统给定值信号极性相反，则称为负反馈( n e g a t i v ef e e d b a c k ) ；若极性相 同，则称为正反馈。一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制 系统的例子很多，在自动化控制中应用较为广泛，通过闭环控制系统获得输出的信号的 信息，从而对控制系统的输出情况和外界信息进行反馈，针对反馈信息判断决策，调节 和校正。例如，全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断 电源，它就是一个闭环控制系统。 因为实际控制系统的实时性与准确性是一对矛盾，简单地依靠改变系统各类参数的 基于小波分析校正网络的直流电机控制研究 方法，无法根本解决这一问题。必须在原系统外采取一些措施，对控制系统进行必要的 “校正 使整个系统的外部特性得到改善。p i d 控制就是其中一种非常实用和常用的方 法 图2 - 1 模拟pid 控制系统框图 p i d 控制就是在原控制系统的某处添加比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 环节，又 称p i d 调节。常规p i d 控制系统的原理框图如图2 - 1 ，这是一个带“串联校正 的闭环 系统。此时，系统的输入r ( t ) 经过与输出c ( t ) 的直接反馈比较后，形成误差信号 e ( t ) = r ( t ) 一c ( t ) 。误差信号e ( t ) 可经过比例环节、积分环节和微分的处理，并在这些环 节的输出处综合，成为原系统的输入： “( ，) = 巧e ( f ) + k lp ( f + 如掣 ( 2 - 1 ) 其中，k p 、k i 、k d 分别称为比例、积分、微分常数。根据控制的需要，这三种环节可以 选择应用，也可以全部应用 微分环节能使系统在工作时获得一定的“镇定 作用，而积分环节却让系统更加“敏 感。两者的恰当配合应该能够使系统性能得到较大的改善。p i d 控制，实际中也有p i 和p d 控制。p i d 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行 控制的。【l l 】 p i d 控制器问世至今已有近7 0 年历史，由于p i d 控制运算具有比较简单、稳定性能好、 可靠性高等优点，而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全 掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结 构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用p i d 控制技术最为方便。即当我们 不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适 合用p i d 控制技术。p i d 控制器广泛应用于冶金、机械、化工等工业过程控制之中。 在p i d 控制中，重要的问题是p r o 控制参数的确定。这是根据被控过程的特性确定p i d 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。传统的方法是在获取对象数学模型的 1 2 第二章基于小波分析校正网络的直流电机控制理论基础 基础上，根据某一整定原则来确定p i d 参数。概括起来有两大类：一是理论计算整定法。 它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算 数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主 要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际 中被广泛采用。p i d 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰 减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器 参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行 最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法，利用该方法的步骤如下：( 1 ) 首先预 选择一个足够短的采样周期让系统工作；( 2 ) 仅加入比例控制环节，直到系统对输入的 阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；( 3 ) 在一定的控制 度下通过公式计算得至i p i d 控制器的参数。 1 2 , 1 3 】 十分明显，单纯依靠硬件电路组合而成的p i d 网络很难实现控制过程中的p i d 参数变 化，只有将p i d 控制“数字化 ，即：以计算机软件的方式实施p i d 控制的运算和自适 应的变化，智能型p i d 控制才能够实现。 数字p i d 控制中，与以上模拟p i d 运算式( 2 - 1 ) 相对应的算式为： 七 “ ) = k p p ) + k 。p ( ，) + k 。 e ( k ) - e ( k - 1 ) ( 2 2 ) j = o 、 式中：k 为采样序号，k = o ，1 ，2 ；u ( k ) 为第k 次采样时刻的计算机输出值；e ( k ) 为第 k 次采样时刻输入的偏差值；e ( k - 1 ) 为第( ( k 一1 ) 次采样时刻输入的偏差值。k p ，k i 和k d 的含义与式( 2 1 ) 中相同。 k - ! u ( k - 1 ) = k ，e ( k - 1 ) + k 。z e ( j ) + k 。 e ( k - 1 ) - e ( k - 2 ) ( 2 3 ) - - o a u ( k ) = k ，a e ( k ) + x 。e ) + 如 a e ( k ) - a e ( k - 1 ) p ) = g ) 一e ( k 一1 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 基于小波分析校正网络的直流电机控制研究 图2 2 常规pid 控制算法图 可以看出，常规p i d 控制结构简单、稳定性好、调整方便，成为工业控制的主要技术 之一。然而，在实际工业过程控制中，许多被控过程机理较复杂，具有高度非线性、时 变不确定性和纯滞后等特点。在故障、噪声、负载扰动等因素的影响下，过程参数、甚 至模型结构，均会发生变化。这就要求在p i d 控制中，不仅p i d 参数的确定不依赖于对象 数学模型，并且希望p i d 参数能根据实际工作状况进行在线调整，以满足最优实时控制 的要求。但是常规p i d 控制不能对故障引起的信号突变给予准时识别，而无法针对性和 及时完全校正。 2 2 小波分析校正网络的直流电机控制理论基础 2 2 1 小波分析理论 在第一章绪论中，总结了信号处理理论的发展，我们看到由于小波变换具有良好的 时频特性，既能处理分析平稳信号，也能处理分析非平稳信号。不仅继承了加窗傅立叶 变换的局部化的思想，而且克服了窗口大小不随频率变化、缺乏离散正交基的缺点，为 非平稳信号处理提供了比较理想的数学工具，成为分析信号的数学显微镜。 目前，小波理论的研究发展迅速，应用非常广泛，比如数据压缩、图像处理、机械 故障诊断、信号降噪、边缘检测、神经网络、参数辨识、非线性动力系统、c t 成像等。 下面介绍连续小波变换，小波变换的时频分析特性，连续小波变换的步骤，尺度和 频率之间的关系，以及离散小波变换方法。 一，连续小波变换 1 、小波变换的基本概念 设：y , 2n 口且汐( 0 ) = 0 则按如下方式生成的函数族杪础 舻咖( 等) m 尺r _ o 协6 ， 1 4 第二章基于小波分析校正网络的直流电机控制理论基础 叫分析小波( a n a l y z i n gw a v e l e t 或连续小波，v 叫基本小波或母小波( m o t h e rw a v e l e t ) 。 基本小波v ( t ) 可以是复数信号，特别的可为解析信号，如m a r l e t 小波( 图2 3 、 图2 4 ) 就是一种单频复正弦调制高斯波，是最常用的复值小波，它的时域表达式为 一，2 少( ，) = p 丁e m ， 5 圈2 3 m a ri e t 小汲盯域汲彤 圈2 4m a ri e t 小波频域波形 设v 是基本小波，口6 是式( 2 6 ) 定义的连续小波，则信号f r 的连续小波变警( c w t ) 定义为( 唬厂k ，哆) = ( 厂，y 础) = i 口一d o ) 痧( 字) 名( 2 7 ) 其中，“ 表示内积，基本小波、i ，满足如下允许性条件( a d 血s s i b l ec o n d i t i o n ) ： q = 删q 畛纠2 如 o ，则小波反变换为： s ( o = 抄 胍讹6 牿缈睁心事c 2 - s ， 沙o ) 似) ，上陟o 枷 1 。对 应的离散小波为： ， 5 f ，舻( ，) = 口少g i 7 f 一蛾) ( 2 1 1 ) 厂( f ) 的离散小波变换系数为： q ，。= e 厂( f 坑。o 协 ( 2 1 2 ) 重构公式为厂( ，) = c ；f ， ( f ) ( 2 1 3 ) j e z g e z 基于小波分析校正网络的直流电机控制研究 实际应用中，信号f ( t ) j f f l 常是离散的或由采样得到，也就是说时间t 通常也是以离 散的形式出现的。以幂级数对尺度a 和偏移b 进行离散是种高效的离散化方法，因为 指数j 的小的变化就会引起尺度a 的很大的变化。目前通行的方法是取口。：2 ，b o = 1 ， 对尺度和偏移进行二进离散，即a = 2 7 ，b 二2 j k ，k z 从而得到如下二进小波( d y a d i cwa v e l e t ) f ， o ) = 2 一；少( 2 一f 一尼) 。 2 1 , 2 2 1 2 2 2 小波分析技术在直流电机调速控制的应用 现以直流电动机调速控制器为研究对象，将小波分析理论应用于直流电机调速控制 器的设计，检测电机转速和控制器输出的异常突变，并进行校正，从而实现控制的纠错 功能，提高调速控制系统的精度、稳态性能与瞬态性能，保证转速稳定。 一小波变换和小波信息提取 信号x ( t ) 的连续小波变换( c w t ) 为 ( 叫) = l 口r i li x 咖l 等协 ( 2 - 1 4 其中，a 为尺度因子；- 【是时间位移；1 l r ( t ) 采用高斯函数的一阶导数， ( ，) = ( y a ) 4i t a i 是基本小波1 l r ( t ) 在尺度上的伸缩。 可以用式子( 2 - 1 2 ) 和( 2 1 4 ) 进行小波变换，提取小波信息。也可以采用自适应 积分算法计算信号突变。自适应积分是利用数值积分时，随时对被积函数的性态加以鉴 别，对需要进一步细分的那些子区间一分为二，这样就可以大大减少函数值计算的次数， 提高算法的效率，并确保结果的精确度。 我们需要计算函数( 口，) = i 口一卜( f ) i 等la f 在有限区间 m ，n 上的积分，设q 为数值求积得到的结果，为事先给定的求积精度，若满足 le ( f ) i 爿( 口，f ) 一q 降e ， ( 2 1 5 ) 我们就认为q 便是所需要的积分近似值。设区间 m ，1 1 上给出了一组分点 m2 x o 而 x 一i 一0 1 8 0 时，便认为1 ，( ，。，七) i 发生了突变。就说明输出电流的状 态与要求的标准发生了变化。 利用u 肿，k ) 的小波变换c w t 极大值的正负进行状态模式分离和判断。由于小波 变换c w t 的正、负极大值分别对应于被检测信号的上升边沿和下降边沿，如果检测出输 出电流状态发生了变化，可以根据小波变换c w t 的( j m i ) k ) 的极大值的正负来区分两 种模式。p 1 明 同理，可判定输出主电压和转速的状态发生的突变