PMSM伺服系统模糊速度调节器的设计#精选

1、第一章绪论1.1 本课题的意义随着科学技术的飞速开展,人类已经进入了电气时代和信息时代, 电气传动 技术保证了人们所需的电能到机械能转化的顺利进行.伺服技术广泛地应用到了 工业、农业、航空航天交通、国防军事以及日常家电产品中,人们对伺服产品的 性能、功能、质量及本钱都有着越来越高的要求. 电气传动产品覆盖了国民经济 的方方面面.国家“八五、“九五、“十五 一直把电气传动产品作为重点支柱 产业来抓.交流伺服应用的一个重要领域是机械加工制造业, 加工制造的水准关键在数 控技术.伺服技术是数控技术的重要组成局部.1.2 伺服系统的分类1.2.1 根据使用的执行元件分类(1)电液伺服系统,执行元件为液

2、压元件,限制模块为电器元件,数控技术 早期多采用电液伺服系统.(2)电气伺服系统,执行元件是电气,电气伺服系统体积小；限制灵活；广 泛用于各种领域.1.2.2 按系统的构造特点及调节理论分类：(1)开环伺服系统,开环伺服系统就是没有位置反响的系统.这种系统使用 的驱动元件主要是功率电机或电液脉冲马达, 位移正比于脉冲个数,脉冲频率表 示了移动速度,开环系统结构简单,易于限制,精度取决于传动链和驱动元件本 生的误差.开环系统的缺点是精度较低,而且运动不平稳.(2)半闭环伺服系统,半闭环伺服系统是误差限制的随动系统,测出实际位 移量与给定位移量相比较,求得误差, 对误差进行补偿构成闭环系统. 半闭

3、环伺 服系统是闭环伺服系统,只是在测量实际位置移动是采用间接测量方法, 位置测 量元件没有直接装在进给坐标的最终运动部件上, 中间经过了机械传动部件的位 置转换.半闭环伺服系统存在测量转换误差,而且环外传动误差没有得到补偿.(3)全闭环伺服系统是一种闭环伺服系统,具结构与半闭环伺服系统结构是 一致的；与半闭环伺服系统不同的是,把测量元件直接按装在运动部件上, 对系 统最终位移进行直接测量,可以补偿整个传动链的全部积累误差.闭环系统内包 括较多的机械传动部件,系统受机械变形影响较大,系统稳定性难以调整,随着时间的推移,机械传动部件的变形或其他因数的改变容易使系统稳定性和精度发 生变化,因此多数用

4、户在限制精度要求较高时使用全闭环伺服系统.1.2.3 根据系统信号的特点分类:(1)模拟伺服系统,系统全部采用模拟元件构成,系统的限制和传输信号全部为模拟信号.它的特点是抗噪声水平强, 一般不因峰值噪声产生误动作,可以 用常规示波器,仪表等进行状态测量. 它的缺点是对微弱信噪别离困难, 在零点 附近容易漂移.(2)数字伺服系统,系统的限制与调节采用数字技术,它的位移指令与反响 都采用逻辑电平信号.数字伺服系统的特点是： 精度高,通过增加数字信息的位 长,到达要求的限制精度.零点定位精度,对逻辑电平以下的漂移、噪音不予响 应；容易与计算机进行数据交换；可以实现一些复杂的限制策略.数字伺服系统 的

5、缺点是：噪音峰值大于逻辑电平时,对数据的最高和最低位的干扰出错程度是 相同的,这是系统无法正常工作.数字伺服系统根据数字化程度进一步分为：(1)全硬件伺服系统,属于数字模拟混合结构,闭环限制调节主要靠偏差计 数器完成.(2)半软件伺服系统,位置限制由计算机软硬件实现,速度环、电流环采用 模拟形式.(3)软件伺服系统,系统的位置速度限制均由微机软件实现,电流环采用模 拟形式.(4)全数字伺服系统,系统的所有调节、限制全部由软件完成,最后直接输 出逻辑电平型的PWM信号功率晶体管放大器对伺服电动机进行限制.1.3 交流伺服系统限制策略自19世纪80年代起至19世纪末以前,工业上传动机一直被直流电动

6、机所 垄断,直流电动机在容量、体积制造本钱、运行和维护方面都不及交流电动机. 从60年代开始,国外开始重视交流电动机调速系统研究. 尤其是70年代以来随 着微电子技术的飞速开展,以及限制理论的突破,仿真工具的完善,各种类型的交流调速系统诸如用级调速系统、 变频调速系统、无换向器电动机系统及矢量控 制系统等得到了飞速的开展.目前,在传动领域交流电动机已有取代直流电机的 趋势.国外从90年代起,新上工程根本上全部采用交流调速方案.1.3.1 限制理论方面交流电动机模型是耦合、时变、非线性系统,限制复杂,每一个限制理论的 突破与新型理论的诞生,都伴随调速特性的提升.1.矢量限制理论20世纪70年代,

7、德国科学家F.Blaschke先生提出了电机矢量限制方法,这 种理论的思想核心是把交流电动机模型模拟成直流电机,通过坐标变换,分别控 制励磁电流分量和转矩电流分量,使交流电动机同直流电动机有同样优良的限制 特性,这种限制策略目前已比较成熟, 已经形成商品化产品.但矢量限制的缺点 是：系统结构复杂、运动两大、电动机参数变化影响系统性能.2,直接转矩限制理论1985年,德国的德彭布罗克(Depenbrolk)教授提出一种新的限制方法,直 接转矩限制(DTC)方法.该方法的主要特点是将转子磁通定向更换为定子磁通 定向,该限制方法对电动机参数的变化不敏感.直接转矩限制通过对转矩偏差和 定子磁通偏差来确

8、定电压矢量,没有复杂的坐标转换,计算过程简单,实时性强.直接转矩存在的问题是低速时转矩波动较大而且转矩难以观测,直接转矩控制理论离产化话还有一些问题需要解决.3,模糊限制理论模糊理论是1965年由美国加里福尼亚大学著名的限制论专家 L.A.Zzdehj教 授提出的,该理论是将数学和模糊性统一起来, 让数学吸取人脑对于模糊现象认 识和推理的特点.模糊数学在工业中的应用是在70年代以后,模糊理论的开展大致分为三个阶段：第一阶段(19651974),初级阶段,主要是模糊数学的形成和开展阶段.第二阶段(19741979),简单模糊限制阶段,限制器自适应水平和鲁棒性有 限,稳态精度也不理想.第三阶段(1

9、979至今),高性能模糊限制器阶段,模糊限制器具有自学习功 能对限制量可以自动调整,系统性能大为提升.模糊限制策略不仅依赖与被控对象精确的数学模型, 能克服非线性等因素的 影响,对调节对象的变化具有较强的鲁棒性.模糊限制策略在交流调速和伺服系 统中的典型应用有：电动机速度限制器,电机参数的模糊辨识,电机效率的优化模糊限制等.近年来,模糊限制往往与其他限制方法相结合, 充分发挥各种限制策略的优 势结合,模糊限制是一种比较成熟的智能限制,它不依赖与受控系统策略的数学模型特别适与非线性、强藕合、多变量的限制对象,因此,在交流电动机的限制 应用中有较强的优势.4 .神经网络限制神经元系统模型的研究开始

10、与 50年代.神经元计算方法是信息科学的一个 领域.神经网络的计算是将计算函数嵌如物理网络之中,对计算过程的每一个基本操作都存在与之对应的连接.神经网络在处理信息的过程中,在处理信息内容 的导引下,自行改造其自身的结构及其运行规那么.神经网络在处理自学习、自组 织、自联想及容错方面都有非凡的水平.神经网络具备快速并行计算水平,对参 数变化的影响较小,容错水平强,处理非线性系统模型有独特的优点, 神经元控制器结构简单扼要,有自学习水平,对被控模型精度要求不高,抗干扰水平强, 应用与交流调速系统中,可以克服系统中非线因素的影响,提升调速系统的性能, 这是传统限制方法所无法比较的.但神经网络在电视限

11、制系统中的应用还处于起 步阶段.神经元限制策略将是今后智能限制理论的重要研究方向.神经网络理论经过几十年的开展,目前仍存在许多问题需要解决,如在学习算法、神经元模型结构等还需进一步研究,再如网络的结构调整学习与参数的结合问题, 网络的收 敛速度与算法的稳定性等.5 .滑模变结构限制60年代初,前苏联学者欧曼尔扬诺夫S.V.E、犹金V.I和依特克斯U.L 等人开始研究变结构限制系统,具系统的特点是“结构可以在瞬变的过程中, 依据系统的状态偏差和各阶导数等以跃变方式,有目的地变化,使系统沿预 定的“滑动模态的状态轨迹运动.“滑动模态可设计,且与被控对象的参数 及扰动无关.变结构限制具有响应速度快,

12、对参数及外扰动变化不灵敏等特点. 滑模变结构限制是变结构限制系统的一种限制策略,主要特点是限制的不连续 性,系统“结构有随时变化的开关特性.处于滑动模态的系统具有良好的鲁棒 性.滑模变结构限制策略的难点是状态轨迹到达滑模平面后,难于沿着滑模平面向平衡点滑动,而要在滑模面两侧往返穿越,产生颤抖,而且设计复杂,这给它 的应用带来了困难和障碍.6 .专家限制专家限制是在1983年被提出的.“它模仿限制专家的思路、方法经验、策 略去解决限制问题,它是一种行之有效的限制策略.它主要适用与工业过程限制, 但在理论体系和设计方法上还不完善.7 .各种限制策略的渗透与复合每一种限制策略都有起特长,但又或多或少

13、在某方面存在一些问题,因此, 各种限制策略互相渗透,取长补短,优势互补,结合形成复合的限制策略,克服 单一策略的缺乏,更好的提升限制性能, 更好的满足各种应用需要,复合限制策 略将是今后限制策略的开展方向和趋势.复合限制策略的类型很多,例如,模糊PID复合限制,模糊变结构限制,直 接转矩滑模变结构限制,自适应模糊限制,模糊神经网络限制,专家PID限制等 等.随着应用研究的开展,今后复合限制策略的类型将不多的衍生和增多,复合 限制策略的优势也越来越明显纵观电机工业的开展过程,几乎每一次大的开展都是由理论方面的突破所引发的,现在对于一些成熟的现代交流系统, 再提出具有划时代意义的理论比较困 难.今

14、后的开展,很长一段时间内主要是将各种限制理论加以结合,互相取长补短,或者将其他学科理论方法引入电机限制, 走交叉学科复合限制的道路解决问 题.近年来,智能限制研究很活泼,并在许多领域获得了应用.典型的有模糊控 制,神经网络限制和基于专家系统的限制.智能限制无须对象的精确数学模型, 具有较强的鲁棒性,因而,许多学者将智能限制方法引入了电机限制系统的研究.笔者认为今后智能限制与现代交流限制理论相结合, 必将开创电力电子和运动系 统的新纪元.1.3.2 限制器方面优良的限制器是实现限制策略的保证.限制系统的根本要求是可靠性高,实 时性好,精度高,本钱低,体积小.最初的电机限制系统大多是采用分立元件的

15、 模拟电路,体积大,可靠性低,抗干扰水平差,本钱高.随着电子技术的进步, 采用集成电路和专用集成电路,限制系统的体积减少,可靠性和抗干扰水平都得兴旺国家的半导体厂家都有自己的电机限制专用集成电路.但各厂家之间无统一标准,产品分散、产品更新快.当前电动机限制的开展越来越趋于多样化, 复杂化,性能要求也越来越高,可以由电机限制系统的研究人员自己开发电机专 用限制芯片.现场可编程门阵列FPGA也是一种解决方案,在电动机限制系统中得到了应用.FPGA可以方便地实现屡次修改,而且集成度非常大,一片 FPGA含有 几千、几万或几十万个等效门,所以单片FPGA就可以实现非常复杂逻辑,替代 多块集成电路和分立

16、元件组成的电路.FPGA与传统的硬件设计不同,传统的硬 件设计是从门级电路开始向上至整体系统. FPGA那么首先进行系统功能描述,并 进行功能仿真,然后进行逻辑表达式的描述,并进行仿真,最后是门级描述,进 行门级仿真,生正门级网络表,进行 FPGA编程.ASIC使模拟数字混合电路的体积大大减小了,在数字化广泛流行的今天, 科研工作者一直在探索限制数字系统的解决方案.目前较为通用的变频器大多是采用单片机限制,应用较多的是8096系列产品,数字交流伺服也有采用但片限制的,如华中理工大学研制的数字交流伺服就 采用8096做为限制器.单片机速度低,计算精度不高,处理水平有限,对于处 理大量数据,往往不

17、能满足要求,特别是高速性能比较差.因此目前高性能的数 字伺服系统都采用数字信号处理系统DSP为限制器.与单片机相比,DSP器件具有较高的集成度,运算速度快,存储器容量大, 内置播特率发生器和FIFO缓冲器,提供高速同步用行口和标准异步用行口,部 分DSP内集成了 A/D和采样保持电路、可提供PWM输出.DSP为精减指令系 统计算机器件,大局部指令在一个周期内完成,采用并行处理技术,一个指令周期内可以完成多条指令.高性能的 DSP采用哈佛结构,具有独立的程序和数据 空间,程序总线和数据总线别离,同时可以对程序和数据进行操作.DSP内置高 速硬件乘法器,取指、译码操作采取多级流水线,因而 DSP器

18、件有了较大的高 速运算水平.单片机为复杂指令系统计算机,多数指令要在 23个周期来完成, 单片机采用诺依曼结构,程序和数据在同一空间存取,同一时刻只能单独访问指 令和数据.算术累加器只能做加法, 乘法需要由软件来实现,占用很多的指令时 问.1998年以来,国外DSP生产厂家为了在电机限制市场抢占名额,纷纷推出 自己的的 DSP电机专用限制电路.美国德州仪器公司推出了电动机专用 DSP-TMS320C24X TMS320F24X, TMS320C24X 采用 TI 公司的 16 位定点核 心,集成了一个电动机限制事件的治理器.TMS320C24X可以支持电动机的转向、数据通讯、电流反响采集、速度

19、反响采集PWM输出和系统监控等功能.TMS320C24X包括一个20MIPS的DSP核,一个事件治理器,两个用口,两个 A/D转换器,一个32为数字I/D转换器.TMS320C24X是第一个数字电动机控 制器专用DSP系列,可以提供单片式数字电动机限制方案. 美国模拟设备A/D 公司与英特尔Intel和国家电器公司NEC也正在开发专用电动机的 DSP. 性能与TI公司的TMS320C24X相近,也是基于16点的DSP核ADS2171来设 计的,此外还集成了三相PWM产生器和A/D转换器.摩托罗拉公司Motorola 和国家电器公司NEC也正在开发研究专用的 DSP.采用DSP电动机专用集 成电

20、路可以降低系统对外围器件的要求, 通过采用先进的限制策略和复杂的算法 实现提升限制性能,降低本钱,提升可靠性,有利于专利技术的保密.近年来, 各种集成化单片DSP得到很大的提升,软件和开发工具也越来越完善,价格大 幅下滑,目前底端产品已接近单片机价格水平, 具有更高的性能价格比,在电动 机限制领域DSP取代高档单片机的时机已经成熟.1.3.3 电力电子技术方面电力电子技术一直是电动机限制技术开展重要的物质根底,大功率半导体器件的开展水平制约着电动机限制的水平.电力电子器件的开展经历了三个阶段： 品闸管阶段；GTO和GTR阶段；IGBT阶段.从最初的品闸管到第三代的IGBT , 大功率半导体器件

21、的性能逐渐提升. GTR比晶闸管限制方便是全控型自关断器 件,开关频率高；IGBT那么是集MOSFET的电压限制与双极性大功率晶闸管晶体 管的大电流、低导通电阻的特点于一体.目前一般水平的IGBT的开关频率在10 至20KHZ,比GTR高一个数量级,电流浪涌耐量、电阻阻值峰值,导通电流密 度、门级驱动功耗等电压电流指标均超过 GTR.IGBT的趋势是开关频率越来越 高,目前到达150KHZ,接近于MOSFET的水平,耐压逐渐升高,导通压降不 断降低,体积缩小,功耗降低、效率提升,从最初没平方功耗30MW降低到目前的0.9MW.随着封装技术的开展和新材料的出现,这种开展趋势势将开展下 去.近年来

22、国外厂商推出IPM智能功率模块,IPM已经为许多可户所接受, IPM是向第四代器件-功率集成电路PIC的过度产品.IPM模块除具有提供一 定功率输出水平外,还有逻辑、限制、传感、检测、保护和自诊断等功能.它内 含驱动电路、保护电路,具有过流、短路、负压、过压保护等功能.设计者只要 提供PWM信号给智能模块,就可以实现复杂的主电路及其外围电路的功能.集成化将是今后大功率半导体器件开展的方向.1.3.4 计算机辅助设计方面随着计算机技术和微电子技术的开展, 现代计算机的功能越来越强大,速度 越来越快,应用的领域越来越广泛.除为系统提供限制器外,计算机辅助设计为辅助人员提供了一种新的设计模式和实验手

23、段.传统的设计规律是,先进行原理 设计,然后实验检测,最后根据实验结果进行方案、参数的调整,再实验,再调 整,系统满足要求那么系统定型.传统的设计周期长,费用高,系统的实验有一定 的盲目性.采用计算机辅助设计技术,设计人员可对限制策略、算法模型、确定 参数的电路进行仿真,观测其效果功能,随时对方案、电路、参数进行修改,这 将大大加快设计速度、减少出错率.电力传动系统辅助设计的软件中,MATLAB是较为常用的.MATLAB功能强大、工具箱丰富,其中有一个 Simulink,它是非常友好的图形界面仿真工具. 早期的MATLAB ,只能对限制系统进行纯数字仿真,而不能实现在线仿真,最 新版本的MAT

24、ALAB5.3可以将Simulink生成的限制系统转化为 C语言的文件, 将这个文件编译成可执行文件,在计算机上运行,通过接口卡与限制系统的执行 局部相连接,就可以实现限制系统的在线仿真,仿真用的限制系统变成了实际的 限制算法,如仿真通过,仿真限制软件就可变成计算机限制系统软.这样仿真技术的实用性又大大向前迈进了一步.止匕外,还有一些软件,如 Mathematica,Pspice,Protel 99等,也都可以对控 制系统起到辅助设计的作用.Mathematica是一个数学软件,具有很强的运算能 力,可以对限制系统的限制理论进行仿真设计.Pspice是一个模拟电路仿真软件, 可以实现对限制系统

25、的的主电路和执行元件进行仿真设计.Protel软件是进行电路的原理和PCB设计软件,最新的Protel 99,增加了原理图仿真功能,可以实 现在原理图上对电路模块进行功能仿真,以检查设计的正确性.计算机辅助设计的作用在今后将越来越重要.1.4研究课题产生的背景1.4.1 全球制造业的开展趋势当今世界的竞争,主要是综合国力的竞争.在各个国家的生产力竞争中,制 造技术的作用往往占60流右,制造业是国民经济部门的装备部和技术改造部,直接表达一个国家的开展水平和经济实力. 今天的机械制造技术,已不是传统意 义的机械制造技术,它是集机械、电子、光学、信息技术,已不是传统意义的机 械制造技术,它是集机械、

26、电子、光学、信息技术与许多其他领域最新成就的新 兴技术产业,它与电力电子及电气传动技术密不可分.21世纪的机械制造技术开展趋势表达在以下几个方面.(1) .精密化精密加工和超精密加工技术,微型机械时现代机械制造技术开展方向之一. 超精密加工技术已向纳米级开展.纳米技术已在纳米机械学、材料科学、光电、 测量学、电子学的开展.(2) .自动化自动化技术将得到更广泛的应用,它不仅提升了效率,而且保证了产品质量. 在未来自动化技术实施过程中,将更加重视人在自动化系统中的作用.(3) .信息化信息、物质和能量是制造系统的三要素.随着计算机、自动化与通讯网络技术在制造系统中的应用,信息的作用越来越重要.信

27、息可以使一种产业, 它包括 在制造业之中,一些企业开始利用网络技术进行计算机联网, 通过信息高速公路、 卫星传递数据等实现异地生产,使生产分散网络化.(4) .柔性化柔性是指一个制造系统适应各种生产条件变化的水平,它与系统方案,人员和设备有关.随着科学技术的开展和市场竞争越来越剧烈,产品更新换代的速度 和互相关系并进行优化重组而实现的.集成要借助现代治理技术、计算机技术、 自动化技术和信息技术的实现.集成化生产将成为面向21世纪占主导的生产方式.(5) .集成化集成是将原来独立运行的多个单元系统集成一个能协调工作的和功能更强 的新系统.集成不是简单连接,是经过统一规划设计,分析原单元系统的作用

28、和 相互关系并进行优化重组而实现的.集成要借助现代治理技术、计算机技术、自动化技术和信息技术实现.集成化生产将成为面向 21世纪占主导的生产方式.(6) .智能化智能制造技术(IMT)是将人工智能融入制造过程的各个环节,通过模拟人 类专家学者的智能活动,取代或延伸制造系统中的局部脑力活动, 在制造过程中 系统能自动监测其运行状态,在受外界干扰或内部鼓励能自动调整其参数, 以达 到最正确状态和具备自组织水平.智能化是柔性自动化和集成自动化的新开展和重 要组成局部.(4) .柔性化4.4.2 数控技术的开展趋势数控设备是现代加工设备的根底,又是精密,高效高可靠性加工技术的支 撑,开展先进制造技术,

29、必须开展数控技术.随着机械制造业与数控技术结合的 日益紧密,机械制造设备的数控化已成为衡量一个国家制造技术水平的重要技 术.数控机床的开展趋势是：(1)通过提升数控系统分辨率、主轴速度、伺服进给速度,改善插补功能, 使数控技术向高精、高速、高效方向开展.(2)系统内部数据可以与外部的限制设备互相限制, 系统向开放结构的方 向开展.(3)改善和开展伺服技术,主轴系统和伺服系统向高速高精方向开展.(4)改善PLC开发环境,在PC机上开发PLC禾J用RS23M PC卡进行传 送,也可在线编制、调试、诊断,而且所有PLC结点都可用汉字表述, 甚至可调用多个PLC画面,使PLC编制变得很容易.(5)全数

30、字化伺服系统和主轴驱动系统已成为不可逆转的趋势,而且在结构上有模块化的趋向,以利于降低本钱.(6)数控系统实现网络化,远程限制趋向日益明显.计算机技术、网络通 讯技术被广泛采用,CNCK术使FMS CIMS成为可能,FMS CIMS的 开展反过来要求CNCS统应具有通讯功能,以实现 CIMS环境下的信 息集成和系统治理,现代CNCS统一般都具有通讯和DN皿能.在数 控系统中配置网络接口,使其能与网络连接起来,实现机床的远程通 讯功能.可以设想在不久的将来在办公室甚至在家里就能对现场设备 进行监控、操纵、调试或诊断故障.4.4.3 交流伺服的开展趋势电子器件本身不断向集成化、智能化方向开展,现代

31、限制理论不断向电气 传动领域渗透；微电子技术和计算机技术迅猛开展, 特别是大规模集成电路电动 机专用限制芯片的出现与开展,给电气传动领域带来了前所未有的开展机遇,交 流电动机调速技术正向高频化和智能化方向开展.交流伺服的开展趋势是：(1)数字化,高性能的全数字伺服系统是当代交流伺服系统开展的趋势, 这种系统广泛应用于高精度数控机床、机器人、特种加工装备和精细进给系统中.(2)智能化,由于微电子技术的开展,微处理器的运算速度不断提升、功 能不断增强,以及DSPt机限制芯片的采用,全数字伺服系统在实现电流限制、 速度限制和位置限制全部数字化的同时, 极大的增强了伺服系统设计和使用的柔性.系统具有很

32、强的状态自诊断、使伺服系统智能化.(3)限制策略复杂,复杂策略经常被采用,除常规的 PID限制外,开始转 向应用现代限制理论的最新成果.(4)电动机的调速比越来越大,精度越来越高.性能价格比进一步提升, 结构趋于小型化.(5)向高频化、大容量进军,主回路电子器件的应用不断向高频化方向发 展,智能模块被广泛应用,逆变器已实现高频化、小型化和无噪音.(6)光电编码器等传感器的分辨率大幅提升,可靠性进一步改善,并向多 功能一体化方向开展.(7)无传感器伺服系统也是近来伺服领域研究的热点之一,无传感器伺服 系统,其体积减小,本钱低,应用范围广,这一研究课题有着广阔的前景,但目 前只是理论上进行探讨,离

33、实用化还有一些距离.总之,交流电动机调速技术的研究取得了极大的开展,并已广泛应用于实 际生产中,它的技术性能开展水平与现代电力电子技术和现代限制理论以及计算 机技术的开展密切相关,随着工业生产领域对交流电气传动性能要求的不断提 高,交流电动机调速技术的研究将是十分重要的,其应用前景将是十分广阔的.1.5目前我国全数字交流伺服系统存在的问题首先,目前国产数字交流伺服系统的输入模式比较单一,普遍只能接受模 拟输入指令,不能广泛适用于各类数控系统； 其次数字化程度较低,一些保护部 分,参数设置仍采用模拟方式,速度环采用数字方式,使伺服精度低,抗干扰能 力差；伺服系统工作模式单一,大局部伺服只能进行速

34、度限制, 不能进行位置控 制,使伺服系统的应用领域受到极大的限制, 特别是随着环境的变化,电机参数 发生变化,伺服系统的限制性能变差.第二章 交流永磁同步电机的数学模型2.1 交流永磁同步电动机的种类和结构2.1.1 交流永磁同步电动机的种类及其结构三相交流用此同步电动机是由绕线式同步电动机开展而来,它用永磁体代替了电励磁.从而省去了励磁线圈、滑环和电刷,其定子结构与绕线式同步电动机 根本相同,输入为三相交流永磁同步电动机.交流永磁同步电动机与绕线式同步电动机相比,没有励磁线圈、滑环和电刷,交流永磁同步电动机在某些技术性能上优于无刷直流电动机和感应伺服电动机, 因此交流永磁同步电动机在高性能伺

35、服驱动系统中得到了广泛应用,目前应用的功率范围在十几千瓦范围内.交流永磁同步电动机的结构原理如图 2-1所示.图2.1交流永磁同步电动机结构原理图Fig 2.1 exchange of permanent magnet synchronous motor schematic structure交流永磁同步电动机也是由定子和转子组成,定子的结构形式与感应电动机一样由导磁的定子铁芯和导电的三相绕组以及固定铁芯用的机座和端盖等部件组成.转子用永磁材料制成无明显磁极的隐极式, 采用适当的几何结构,使磁势波 形接近空间分布正弦波.当定子通以相位相差120度的三相正弦交流电时,定子产生空间匀速旋转的 磁场

36、,磁场旋转的速度与定子正弦波频率有关, 定子将接收的电能转换为旋转的 磁场.定子磁场与转子磁场相互作用产生推动转矩,使转子旋转,完成电能到机械能的转化.交流永磁同步电动机按转子结构可分为面装式和插入式两种.2.1.2 面装式结构面装式转子结构如图2.2所示:图2.2面装式转子结构图Fig 2.2 Constructional of surface laden type rotorLg为永磁体外表到定子外表的距离,Lm为永磁体的厚度,Lmg为等效气隙长, 永磁材料的磁导率与空气近乎相等,面装式转子结构可以认为是均匀的.LmgLm .Lg r(2.1)r为相对磁导率,对面装式永磁同步电动机,具交直

37、轴路对称,所以有L md L mq L m(2.2)式(2.2)中,Lmd和Lmq是的的do轴的励磁电感,假设无视铁芯磁阻,那么有：2,6Ns2LrrgLm(2.3)式(2.3)中,Ns为定子绕组匝数,Lr为转子铁芯有效长度,rg为气隙半径.12 2lmNsf 一J-Brlrrg .一Sln( )(2.4)1 3r lmgPn式(2.4)中,Pn为极对数,Br为磁感应强度,f永磁体基波场过d轴轴线 磁链.2.1.2插入式转子结构插入式转子结构如图2.3所示:图2.3 插入式转子结构图Fig 2.2 Constructional of push-in type rotorL g为永磁体外表到定子

38、外表的距离,L m为永磁体的厚度,Lmg为等效气隙 长,插入式结构的交直轴磁路不同, 永磁体全部埋置在转子铁芯内,在永磁体占 据的区间,等效气隙长度为：Lmg 显 lg(2.5)rLg为永磁体与定子内圆间的气隙长度,Lg值很小.Lmd2420*lc2 lr 9 r Pnlg 4sin 2lmg 21 sin 24(2.(6)Lmq24丛l H02 lrgrPnlmg 4sin 2lg 21 sin 24(2.(7)12 2 lmNs.(2.8)一.Brl rrgsin,3r l mg Pn式2.8中,0为真空中的磁导率,对于插入式永磁同步电动机,Lmd Lmq2.2交流永磁同步电机的根本方程被

39、限制对象的数学模型的精确程度是限制系统成功的关键,数学模型应准确反映被控系统的静态的动态特性.电动机的运动方程为:J M Mi2.9dt式2.9中,M为输出转矩N.M, J为转动惯量kg. m20由式2.9 知,速度的动态特性在负载转矩 MI 一定时,取决于转矩 M的特性.电动机的转 矩是由磁场和电流共同决定的,因此,对电动机转矩的限制实际是对磁场和电流 的限制.假定：忽略铁芯饱和；不记涡流和磁滞消耗；永磁材料的导电率为0;三相绕组对称、均匀；绕组中感应电感波形是正弦波,可得永磁同步电动机的等效结构坐标图,如图2.4所显oa、ob、oc为三相定子绕组轴线.转子轴线与定子 A 相绕组轴线夹角角度

40、9 .图2.4永磁同步电动机的等效结构坐标图Fig 2.3 The equivalent structure co-ordinate chart of the permosyn motor永磁电动机的物理方程为:(2.10)acos00cos1200cos2400iacosbcos240°c 0cos0cos120°ibcos(120°)ccos120°cos120°c0cos0iccos(240°)abcRa00ia0Rb0ib00Rcicd dtabcb、c三相定子绕组的电压.(2.11)ia、ib、 ic三相定子绕组的电流三相定

41、子绕组的磁链Ra、Rb、Rc三相定子绕组的电阻Ra=Rb=Rc=Rf是转子磁场的等效磁链.电动机转矩方程为:TePncosd /cos( dcos(120) f240 )(2.12)Pn为伺服电动机极对数.又电动机转矩方程知,交流永磁伺服电动机为多变量耦合,非线性时变系统2.3数学模型的线性化两相相位正交对称绕组通以两相相位相差 90度的交流电时,也能产生旋转 磁场,因此从产生旋转这一物理意义上讲, 两相系统和三相系统是等效. 在永磁 同步电动机中,建立固定转子的参考坐标, 去磁极轴线为d轴,顺着旋转方向超 前90度电角度为q轴,以A相绕组轴线成参考轴,d轴与参考轴之间的电角度 为9 o图2.

42、5dq旋转坐标图Fig 2.4 Chart of dq spin round2.3.1进行坐标或矢量交换dq旋转坐标cosid iq iocos(iAiBiC2.3.22.,3sin1223-)cos(cos5 cos(cos(转矩方程sin(sin(W)sin(2.13)2323sin(sin(23231 21,2id iq io(2.14)在dq选择坐标系中,由于以下等式成立:sisTeqTeiddidjLPn( dLq iq ;Pn fiqis cos ; iqqid) Ldiq (LdfLq)idiqis sin所以：_12Te Pn fisSin -(Ld Lq)is sin 2 2

43、.15)2 q括号内第一项为哪一项又定子电流与永磁体励磁磁场相互作用产生的电磁转矩,称为励磁转矩.定子电流空间矢量iS与定子磁动势空间矢量 二同轴,b角是定子 三相基波磁轴线间的空间电角度,B角定义为转矩角,1(Ld Lq)is2sin2是转2 q子凸极效应引起的,称为磁阻转矩.对于插入式的转子结构,Ld<Lq；对于面装式的转子结构,Ld=Lq,不存在磁阻转矩,因此,Te Pn fissinPn fid(2.16)此方程为线性连续方程.Ls2.4交流永磁同步电动机参数和等效电路LmqLdLsLmdLs是dq轴线圈的漏感.对面装式交流永磁填补电动机,q rsiq pLqidsL mdi f

44、dq轴系中：(2.17)(2.18)d Rsid P(Ldid Lmdif) sLqiqif为归算后的等效励磁电流,if = f / Lmd ,永磁同步电动机的等效电路如图所示:(a) d 轴sTj 3仃(b) q 轴图2.6永磁同步电动机dq轴表示的电压等效电路图Fig 2.5 Permosyn motor dq ax stand for tension equivalent circuit diagram面装式交流永磁同步电动机,Ld、Lq、Lm相等,逆变器由电动机馈入的电压 和电流基波分量构成了三相对称系统.稳态情况下,可用时间相量来描述各相变量.我们用正弦电流源取代励磁电流,If=if

45、V3,以d轴为时间参考轴,Is参 考量,记为If 0 ,可得电流If为电流源的电压等效电路如图2-7所示:jo)L (C/Z O'图2-7 If电流源的等效电路图Fig 2-7 If current source of the equivalent circuit定子电流Is相对于If的相位角为B, B是Is与If d轴间的空间的角度,也是三相基波合成旋转磁动势波的轴线与用磁体基波励磁磁场轴线d间的位置夹角,Is 是限制量,B为转矩角用正弦电动势源 目取代电流源if,可得电压等效电路:Rs j L&:一 Ln?图2-8用正弦电动势表示的电压等效电路Fig 2-8 with si

46、ne EMF that the voltage equivalent circuit4'21 m N s .(2.(19)(2.(20)(2.(21)EQ Bglgrg ；一；一 蜘口冗1 mg 1 mgPe331mlsIf sin 0Tq3 NmIfsinBI IIEo为轴线圈的漏感,Pe为电磁功率,Te为电磁转矩.Lq LsL mq(2.(22)Ld LsLmd(2.(23)LsLsLmqi qLmd Lmd if由式2.17、2.18RsiqPnLqiq(2.(24)dRsid Pn(Ldidf )sLqiq(2.(25)式2.24 , 2.25中,Rs为定子电阻,s为电角频率,

47、f为转子磁链,Pn为极对数,f= Lmdif以电压 Uq为输入,转子速度为输出的交流永磁同步电动机系统框图如图2-9所示:图2-9交流永磁同步电动机系统框图Fig 2-9 exchanges permanent magnet synchronous motor system diagram以速度为限制对象的永磁同步电动机驱动系统框图如图2-10所示:图2-10永磁同步电动机驱动系统框图Fig 2-10 permanent magnet synchronous motor drive system diagram第三章模糊限制简介3.1 交流永磁同步电动机伺服系统模糊速度调节器的研究概述近年来,

48、永磁同步电动机在工业限制领域得到广泛的应用,由于交流伺服系统存在参数时变、负载扰动以及交流电动机自身和被限制对象的严重非线性、强耦合性等不确定因素,使用传统限制方法效果不够理想,在此情况下, PI限制 器显得力不从心.针对此问题,本论文将智能限制引入交流永磁同步电动机伺服 系统限制中,速度调节器由智能限制方案取代PI限制.智能速度调节器选用模糊限制器,在永磁同步电动机的转速限制中,使模糊限制器根据指定转速与实际 转速的偏差值、偏差积分及转速偏差的变化自动调节限制参数. 三维输入以上的 模糊调节器,由于模糊限制规那么多, 模糊推理复杂,严重影响了模糊限制器的应 用,特别是在实际性要求较高的限制系

49、统中的应用.针对模糊限制器的缺点,本论文提出了一种基于三维模糊 PID双映射复合模糊限制规那么生成法,易于软件在 线或离线实现生成及修改规那么库,比普通模糊限制所需规那么减少了 71%.本论文 还研究提出了一种基于向量空间的模糊推理过程,模糊推理方法简易且精度更 高,适于软件方法的实现.通常,模糊推理需要对所有的限制规那么计算条件满意 度,而该方法对于n输入最多只需要2的n次方条规那么,对于三维输入只需8条 输入规那么,且不涉及输入模糊变量的隶属函数,计算量小,该推理方法实现了对输入变量的连续处理,提升了限制精度,简化了解模糊化过程.该模糊PID限制器性能好于普通PID调节器,且结构和方法简单

50、,易于实 现,计算速度快,鲁棒性和实时限制效果好.仿真及实验证实了研究结论.3.2 模糊限制根底理论模糊限制根底是模糊逻辑,模糊逻辑是一种逻辑形式,它的逻辑判断往往 是定性的.因此,“模糊逻辑更适合于人们的观察、思维、理解与决策,它是 一种严密的数学框架来处理人类那些具有模糊特征的概念.在基于模糊逻辑的模糊限制中,一个重要概念是语言变量,语言变量的重要特征是这种变量是用一个 词或句子来表达.模糊逻辑经常利用模糊集合(Fuzzy Set )来描述.模糊限制 是以模糊集合作为它的数学根底的.为了表示自然界或生活中的一些不能用精确 集合表示的模拟概念,将精确集合的特征函数的取值范围扩大, 由此产生了

51、模糊 集合的概念.说一个元数X属于某个模糊集合的程度可取0,1之间的所有实数,以隶属度UX表示.表示X完全属于集合AUa(X)=0J表示X不完全属于集合A其他值 表示X属于集合A的程度U aX 0,1这样,对于每一个元素X,给出他的属于模糊集合a的隶属程度uaXi,它的 取值范围在0和1之间.如模糊集合A定域于离散型元素Xi, X2, V3,X,上, 那么可用数学式子表示A=U/Xi+A/x2+-+U反i+ 如模拟结合A定域于连续实数, 那么各元素的隶属度就构成了隶属函数laX,可以用数学式子表示a=/ iax/x,这里符号不表示“求积运算,而是表示连续域上元素Xi,X2与隶属度UX 一一对应

52、的总体集合.总之,一个模糊集合是完全以隶属度函数 UX来描述的. “隶属度函数的概念描述了现象差异间的中间过渡,它是一个整体集合理论的基石.隶属函数确实定,应该反响出客观模糊现象的具体特点,而不是主观想象.但由于模糊现象本身存在差异性及不同的人对对同一模糊现象理解的差异性,因而隶属函数确实定又具有一定的主观性.确定隶属函数的方法大致有模糊统计 法、二元比照排序法、专家经验法及借助常见的模糊分布来确定隶属函数等等方 法和策略.常见类型有三角形trimf 、梯形trapmf、高斯型guassmf双 边高斯型gaus2mf、Z 型zmf、n型pimf S型sigmf、S 曲线型smf、 双S型sig

53、mf通用钟型gbellmf 等.在实际的限制问题中,一般我们选用 三角形或梯形作为模糊集合的隶属函数,分别指示3种模糊状态mf1、mf2、mf3.定义模糊集合逻辑运算的隶属函数的计算公式,统称为模糊算子,如常用的ANDOR NO邙,来对隶属度值进行操作.3.3 模糊限制算法模糊限制算法可概括为下述四个步骤：1根据本采样得到的系统输出值,计算所选择的系统的输入变量；2将输入变量的精确值变为模糊量；3根据输入量及迷糊限制规那么,按模糊推理合成规那么计算限制量；4由上述得到的限制量计算精确的限制量.模糊限制算法流程图如图3.1所示：误差e:-xe,xe误差变化 ce:-xce,xce限制量u:-xu

54、,xu图3.1模糊限制算法流程图Fig 3.1 Fuzzy control algorithm flowchart3.4 模糊限制器的设计理论从模糊数学的角度来看,限制器隶属于语言限制器,它是通过对“符号推 理来实现限制器的运算.模糊推理所用的符号实际上是定义在某个数值区间上的 一个模糊集合,通常说的模糊变量. 模糊限制原理图如图3.1所示,以迷糊语言 变量及模糊逻辑推理的原理把专家限制策略用自然语言来描述并转化为计算机 所能接受的算法语言,到达一计数器模拟人的模拟思维系统实现有效限制的目 的.口用量梭舞拄胡希图3.2模糊限制系统组成Fig 3.2 Makeup of fuzzy contro

55、l system对一个模糊限制器来说,输入和输出都是精确的数值,而模糊限制原理那么是 采用人的思维,也即语言规那么进行推理,因此有必要将输入数据如测试成绩 80分变换成语言值如学习成绩“优良、“中下、“及格等,这样的一个 过程就是一个模糊化的过程.所谓模糊化,就是把输入的数值,根据输入变量模 糊子集的隶属度函数找出响应的隶属度的过程.模糊化可以用将精确量离散化的 方法来实现.例如,要把a,b区间的精确量X,转化为卜m.+m区间的离散量y, 可由下式y=2mx-a+b/2/b-a得到.在实际的限制中,经常把一个物理量划分 “正大、“正中、“正小、“零、“负小、“负中、“负大这其个等级,分别 以英文字母PB、PM、PS、ZO、NS、NM、NB.模糊化是模糊限制的第一个步 骤.模糊限制器的核心是模糊推理,它根据模糊逻辑原理,从系统的当前状态控 制输入量求得执行装置的下一步动作限制器输出.模糊推理的输入输出都 是用模糊限制亮来表示的,常见的模糊限制器的模糊