永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计

大连理工大学硕士学位论文永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计姓名：张馨凝申请学位级别：硕士专业：电工理论与新技术指导教师：刘凤春20090601大连理工大学硕十学位论文摘要随着电力电子、电机制造技术的飞速发展，交流调速理论以及新型智能控制理论研究的不断深入，永磁同步电机因具有体积小、重量轻、运行可靠、能量转换效率高、调速范围宽、动静态特性好等优点而被广泛应用于机电一体化、机器人、航空航天等高科技伺服领域中。因此，研究基于永磁同步电机的伺服系统具有重要的现实意义ｌｌＪ。本文首先对伺服控制系统的发展概述做了简要的介绍，明确了永磁同步电动机伺服控制系统的研究背景与意义。然后在分析了永磁同步电动机结构的基础上，给出了其在三种坐标系下的数学模型，并详细介绍了永磁同步电动机的矢量控制策略。在永磁同步电动机矢量控制系统中，ＰＩＤ控制器是控制系统性能好坏的关键，传统ＰＩＤ控制器在其参数与控制系统匹配的情况下可以取得良好的控制效果。当系统参数或外部环境发生变化时，ＰＩＤ的参数就需要人工重新修正而为系统的工作带来很大的不便。针对这种矢量控制系统中传统ＰＩＤ控制器的三个参数难以调整的问题，本文采用了单神经元控制器来代替传统的ＰＩＤ控制器。这样利用单神经元的自学习能力，就可以在线实时自动地修正参数。在理论分析的基础上，本文用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ进行了仿真，仿真验证了这种方案的可行性，表明这种单神经元ＰＩＤ控制器比起传统的ＰＩＤ控制器在伺服系统中取得了有更好的控制效果。最后，本文以美国ＴＩ公司专用的电机控制专用ＤｓＰＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ为核心处理器，以现在应用比较广泛的智能功率模块（ＩＰＭ）为功率变换装置，完整搭建了以永磁同步电机为执行元件的伺服控制系统的硬件平台。并在硬件平台的基础上，给出了运用汇编语言实现的伺服系统各部分的软件实现形式。本文完成的工作为今后复杂控制策略的实施及软件的扩展提供了良好的平台。关键词：永磁同步电机；单神经元；矢量控制；数字信号处理器永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＰＭＳＭＳｅｒｖｏＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＦｕｚｚｙＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｔｈｅｍｏｔｏｒｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＡＣｓｐｅｅｄｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｔｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｔｈｅｏｒｉｅｓｓｙｓｔｅｍａｎｄｎｏｖｅｌｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ，ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｏｆｓｍａｌｌｓｉｚｅ，ｌｉｇｈｔＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）ｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｒｏｂｏｔａｎｄａｖｉａｔｉｏｎｔｅｒｒｉｔｏｒｙ．Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｇｏｏｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｗｅｉｇｈｔ，ｒｅｌｉａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｈｉ。ｇｈｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｗｉｄｅｒａｎｇｅａｎｄｇｏｏｄｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｂｅｈａｖｉｏｒ，ｅｔｃ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｓｔｕｄｙｉｎｇＰＭＳＭｇｅｎｅｒａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｕｐａｔｔｈｒｅｅｏｆＳｅｒｖｏＳｙｓｔｅｍｉｓｑｕｉｔｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ．ＴｈｉｓｔｈｅｓｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｉｎｗｈｉｃｈｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄＰＭＳＭＳｅｒｖｏＳｙｓｔｅｍｆｉｒｓｔｌｙ，ｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｖｅｃｔｏｒａｎｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅａｒｅｉｎｄｉｃａｔｅｄ．ＢａｓｅｄｓｅｔｏｎａｎａｌｙｓｉｓｔｈｅＰＭＳＭ，ｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓｍｏｄｅｌｓａｒｅｍｅｔｈｏｄｏｆＰＭＳＭｉｓａｎａｌｙｚｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ．ＴｈｅｃｏｎｔｒｏｌＣａｎＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓｔｈｅｋｅｙｔｏｔｈｅＰＭＳＭｖｅｃｔｏｒｂｅａｃｈｉｅｖｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．ＡｇｏｏｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗｈｅｎｔｈｅＰＩＤｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＰＩＤｈａｖｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ’Ｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｍａｔｃｈｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｔｏａｄｊｕｓｔｅｄｗｈｅｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍ’Ｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｃｈａｎｇｅ，ａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｔｈｉｓｗｈｉｃｈｗｉｌｌａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｌｏｔｏｆｔｒｏｕｂｌｅｆｏｒ．ＩｎｉｎｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＰＩＤｐｒｏｂｌｅｍｏｆｂｅｉｎｇｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｏｆｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔａｋｅｔｈｅｐｌａｃｅｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｕｓｅｓａｋｉｎｄｏｆｓｉｎｇｌｅｎｅｕｒｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｔｏｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｍａｋｉｎｇｕｓｅｏｆｉｔｓｓｅｌｆ－ｌｅａｎｉｎｇａｂｉｌｉｔｙ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｕｎｄｅｒＭａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋｎｅｕｒｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｉｓｐｌａｎｔｈａｎｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｉｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅ，ａｎｄｔｈｉｓｓｉｎｇｌｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｈａｓｇｏｏｄｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｐｅｒｔｙＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓｓ＠ｒｖｏｓｙｓｔｅｍｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．ｄｉｇｉｔａｌＰＭＳＭｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ，ｂａｓｅｄＩＴ’ＳＤＳＰａｓｔｈｅｃｅｎｔｒａｌｐｒｏｃｅｓｓｕｎｉｔ，ａｎｄＩＰＭｕｓｅｄｗｉｄｅｌｙａｓｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｕｎｉｔ，ｗｈｉｃｈｍａｋｅｓｔｈｅｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄＬａｓｔｌｙ，ａｆｕｌｌｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓａｐｐｌｙｉｎｇａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｅｘｐａｎｄｅａｓｉｅｒ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＰＭＳＭ；Ｓｉｎｇｌｅ—ｎｅｕｒｏｎ；ＶｅｃｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌ；ＤＳＰ—ＩＩ—大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：翅缝塑垄幽幽壹主氲尘邋毖鱼缝掣日期：三巫年—』乙月—／ｆ—１日作者签名：筮整煎大连理ｊ二人学硕＋研究生学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。学位论文题目：作者签名：导师签名：人连理工人学硕十学位论文１绪论伺服控制系统发展概述“伺服（ｓｅｒｖｏ）”这个词语源于希腊语，含有“奴隶＂的意思。在科学技术飞速发１．１展的今天，“伺服系统＂就是指执行机构按照控制信号的要求而动作的系统。控制信号到来之前，被控对象是静止不动的；接受到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象又能自行保持或停止。伺服系统的主要任务就是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大处理，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。图１．１给出了伺服控制系统的基本结构组成。从图中可以看出决定一个伺服控制系统整体性能高低的关键就在于其各组成部分的性能是否完善。所以伺服控制技术作为一门综合性技术，它随着电机制造技术、电力半导体器件、微处理器和控制技术水平的提高而得到了不断的发展。图１．１伺服控制系统结构图Ｆｉｇ．１．１ＢｌｏｃｋＤｉａｇｒａｍｏｆＳｅｒｖｏＳｙｓｔｅｍ（１）电机制造技术的发展一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围己遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活。按照使用的电源性质不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。电动机作为伺服系统的执行元件，其特性对于构建高性能伺服系统具有极其重要的意义。由于直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，因此诞生之日起就一直受到人们的关注，并且在工业生产和生活中得到极为广泛的应用。但是，传统的直流电动机采用换向器一电刷进行换向（机械换向），换向时产生电磁干扰、噪声、火花等，造成电机的可靠性差，并且制造成本高、维修困难，极大的限制了其应用。随着高性能永磁材料的采用和产业化、电机设计方法的优化和改进、控制策略和算法的提高，交流伺服电机的性价比有了很大的提高【２１。交流伺服系统又分为同步型交流伺服系统和异步型交流伺服系统。由于异步型交流伺服控制系统控制复杂，低速性能欠永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计佳，因而，同步交流伺服控制系统就凭着其显著的优势得到了越来越广泛的应用。在同步交流伺服控制系统中，永磁同步电机又凭借其结构简单、维护容易、适应性强以及转动惯量小等优点逐步成为了交流伺服控制系统的主流，被广泛地应用在工业生产自动化领域中。因此，本设计就选用了这种当今应用比较广泛的永磁同步电机作为伺服系统的执行元件。（２）电力电子技术是信息流与物质流、能量流之间相互传递的重要纽带，尽管当前信息技术和微电子技术正引领着新技术的发展潮流，但是如果没有电力电子变换，则信息就只能是信息，不可能真正用来控制生产【３】。在大功率电力电子装置中，功率器件对整个装置的性能、体积、重量和价格的影响是非常大的。一般来说，功率电子学的发展是以功率器件的进步为标志的。自１９５８年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件已经历了第一代半控式晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件（大功率晶体管ＧＴＲ、可关断晶闸管ＧＴＯ、功率场效应管ＭＯＳＦＥＴ）和第三代复合型场控器件（绝缘栅功率晶体管ＩＧＢＴ、静电感应式晶体管ＳＩＴ、ＭＯＳ控制的晶体管ＭＣＴ等），直至２０世纪９０年代出现的第四代功率集成电路ＩＰＭ。ＩＰＭ是采用微电子技术和先进的制造工艺，把智能功率集成电路与微电子器件及外围功率器件组装成一体，是一种能实现智能功率控制的商品化部件。半导体开关器件性能不断提高，容量迅速增大，成本大大降低，控制电路日趋完善，极大的推动了各类电机控制的发展。２０世纪７０年代研制成功了通用变频器系列产品，可将工频电源转换为频率连续可调的变频电源，对于目前的永磁同步电动机，高性能电力半导体开关器件组成的逆变器电路是其控制系统中必不可少的功率环节。因此，这就对永磁同步电动机变频调速创造了条件。（３）数字控制器技术微处理器是伺服控制系统的核心，所以其型号的选择往往直接影响到伺服系统的控制性能和效果。在伺服控制系统中常用的微处理器有单片机和ＤＳＰ（数字信号处理器）和ＦＰＧＡ（现场可编程门阵列）两种。单片机在片内集成了较多的Ｉ／Ｏ接口和外围部件，单运算速度比较慢，所以一般来讲它是面向控制的。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。它采用哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，程序总线和数据总线分离，同时可以对程序和数据进行操作，其内置高速硬件乘法器，取指、译码、操作采取多级流水线。所以它的运算速度比同一时期的单片机要快ｌ至２个数量级，但价格相对昂贵。所以，为了满足实际需要，单片机和ＤＳＰ都在沿着扩大人连理Ｔ大学硕士学位论文集成度、增加处理位数、加快计算速度、提高数据和信号处理能力、扩展功能、降低成本的方向发展。经过这几年的发展，ＤＳＰ芯片已经逐步取代了单片机成为了伺服控制领域的主流控制芯片。目前，由美国德州仪器ＴＩ公司推出的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７、ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２等专门用于电动机控制的ＤＳＰ芯片由于其更快的处理速度，强大的处理能力，几乎能够满足所有的实时控制场所的要求，而被广泛应用。ＦＰＧＡ可以方便地实现多次修改，而且集成度非常高，一片ＦＰＧＡ含有几万、几十万个等效门，所以单片ＦＰＧＡ就可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路，从而简化了系统的设计，并大大提高了系统的可靠性。计算机技术的发展，使得运动控制系统的网络化、信息化和智能化成为了可能。借助于信息网络技术，电机控制系统也将不只是一个孤立的系统，将和其他相关系统一起被规划和设计，实现整体系统控制的优化。（４）自动控制技术的发展自动控制技术是一门较年轻的技术，它在２０世纪４０年代末才形成。世界上最早的自动控制系统是在１８世纪中叶由瓦特（Ｊａｍｅｓ．Ｗａｔｔ）研制的，他设计了离心调节器去控制蒸汽发动机的速度。１９３２年奈魁斯特（Ｗ．Ｎｙｑｕｉｓｔ）针对反馈放大器提出了几何稳定判据，后来证明，这个判据同样也适用于线性控制系统。从１９３２年至今，控制理论从形成到发展，已经历三个阶段近７０年的发展历程。第一阶段（２０世纪４０～５０年代）是经典控制理论的成熟和发展阶段；第二阶段（２０世纪６０～７０年代）是经典控制理论向现代控制理论过渡过程；第三发展阶段（２０世纪８０年代至今）是智能控制的诞生和发展。目前，这种新型的智能控制理论不依赖确定性的数学模型，而有效地将熟练的人类经验知识和控制理论结合解决复杂系统控制问题。智能控制（ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｏｎｔｒ０１）包括人工智能、神经网络、模糊控制、遗传算法等，是－－ｆ－ｊ新兴的交叉前沿学科，具有非常广泛的应用领域。他主要是针对控制对象及其环境、目标和任务的不确定性和复杂性而提出来的。它突破了传统控制理论的局限性，大大降低了控制技术对精确数学模型的依赖性，使其应用变得更广泛。１．２智能控制理论在伺服控制系统中的应用伺服控制系统研究的目的就是获得更快的响应速度，更平稳的过渡过程，更好的抗干扰性能以及更高的稳态精度等。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，经过电流永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计内环改造后，其结构同直流伺服系统一样，可以建立统一的数学模型，采用传统控制如ＰＩＤ算法就能取得基本满意的效果。虽然这种控制方法已经在工程实践中取得了很好的应用，但并非是最理想的控制器。因为传统ＰＩＤ控制理论研究的是线性时不变的控制问题，要求具有精确的数学模型，在实际应用中，交流伺服系统并不如理想模型那样一成不变的，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。所以，用经典控制理论设计的控制器有时难免会使控制系统不能满足更高性能指标要求。随着现代工业的发展，人们面临的被控对象越来越复杂，对控制系统的精度、性能和可靠性的要求越来越高。因此，如何结合控制理论新的发展，引进一些先进的控制策略越来越受到人们的关注。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制效果。智能控制是一门新兴的学科，是控制理论发展的高级阶段，是以人工智能、控制论、信息论、运筹学为基础的交叉学科，智能控制的引入主要用于解决传统控制方法难以解决的系统控制问题。Ｊ下如文献［４］所指出：对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、ＰＩＤ调节器等传统方法，而智能控制器常常用来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ＰＩＤ控制）相结合，优势互补【５儿６｜。神经网络是智能控制的一个重要分支，它是以大脑生理研究成果为基础，模拟大脑的某些机理与机制，由人工建立的以有向图拓扑结构的网络，它通过对连续或断续的输入做状态响应而进行信息处理。神经网络在复杂系统的控制方面具有明显的优势，神经元网络控制和辨识的研究已经成为智能控制研究的主流【４Ｊ。４一大连理－Ｔ大学硕士学位论文１．３永磁同步电机伺服控制系统研究的背景和意义如前一小节所述，交流伺服系统逐步取代直流伺服系统已成定局。因此，世界各国在高精度速度和位置控制场合，都努力用交流电力传动取代直流电力传动。在这种大的环境下，由于永磁电动机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低，易于散热及维护等显著优点，特别是随着新型的永磁材料的出现，永磁材料价格的下降以及材料磁性能的提高，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域越来越宽广。当前，永磁电机在军事上的应用是占绝对优势的，几乎取代所有电磁电机。永磁电机在工、农、商、建筑、医药、旅游、金融业以及日常生活中的应用也越来越广【５】。用在伺服系统领域的永磁电动机，按照电动机反电动势波形的不同分为两类：正弦波的永磁同步电动机（ＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ无刷直流电动机（ＢｒｕｓｈｌｅｓｓＤＣＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ，简称ＰＭＳＭ）和梯形波的Ｍｏｔｏｒ，简称ＢＬＤＣＭ）。由于这两种电机的感应电动势波形分别为正弦波和方波，因此它们也被成为永磁无刷交流电动机和永磁无刷直流电动机。它们的共同点是定子电流的通断受转子位置传感器控制，不同之处在于二者的磁场分布和反电动势波形。二者的优缺点比较如下：（１）在同样体积的条件下，ＰＭＳＭ比ＢＬＤＣＭ重量要小１５％，材料利用率高；（２）ＰＭＳＭ通常采用矢量控制，控制算法复杂，控制器成本高，而ＢＬＤＣ控制方法和控制器结构简单；（３）ＰＭＳＭ必须使用高分辨率的转子位置传感器，而ＢＬＤＣＭ转子位置传感器结构简单、成本低；（４）ＰＭＳＭ电流连续，铁心中附加损耗较小，而ＢＬＤＣＭ定子磁场非连续旋转，造成铁心附加损耗增加；（５）ＰＭＳＭ只要保证各个向量均为正弦波，就可以消除转矩脉动，然而ＢＬＤＣＭ不可能完全消除转矩脉动。ＰＭＳＭ最大的优势在于它的转子位置检测通常使用旋转变压器或光电编码器，可更精确地获得瞬间转子位置信息。因而，凭借ＰＭＳＭ的控制精度和转矩的平稳性等控制性能都比ＢＬＤＣＭ系统好，故其应用更广泛，主要用于机器人、数控机床、电梯控制等高性能驱动领域。可以预料，随着永磁材料和电动机转子制造价格的降低，以及驱动系统理论和实践应用的不断完善和提高，永磁同步电动机及其驱动系统将会得到进一步的发展和应用，在某些场合会逐渐取代现有的普通绕线转子异步电动机及其驱动系统【２．５】。这也是本文把反电动势为正弦波的永磁同步电动机作为更高精度伺服系统研究对象的依据。永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计永磁同步电动机伺服控制系统的研究和应用近年来正在成为电机领域的热点。国外基于永磁同步电动机的伺服系统的研究开始较早，如日本的ＦＡＮＵＣ、安川、富士通、松下，美国的ＡＥ公司、科尔摩根公司，德国的西门子公司，法国的ＥＢＣ公司，韩国三星公司等早在２０世纪８０年代就不断推出交流伺服驱动产品，伺服驱动市场几乎是外国公司一统天下的局面。而国内在这方面起步较晚，但生产和应用规模也在快速增长。目前我国的华中科技大学、北京机床研究所、中科院沈阳自动化研究所等厂家单位开始研究并推出交流伺服系统，打破了外国公司完全垄断的格局，并且我国自主研制的永磁同步电动机伺服产品已经在自动化、家电、电子信息产业、航空航天和现代军事装备等领域迅速得到应用【８Ｊ。正是基于上述分析，本文以永磁同步电机伺服控制为研究对象，在剖析系统特点及控制要求的基础上，结合智能控制理论，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。通过应用先进的智能控制策略改进改进传统控制器性能来提高永磁同步电机伺服系统的伺服性能，为发展高性能永磁同步电机伺服系统提供有益的技术资料，并为实际应用奠定了基础。１．４本文的主要工作及研究内容随着电机制造技术本课题研究的是基于ＤＳＰ的永磁同步电动机伺服系统。在永磁同步电机矢量控制的前提下，采用速度和电流双闭环的控制策略，并结合美国Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司生产的电机控制专用ＤＳＰ芯片ＤＳＰＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ作为数字控制器的核心，辅以相应的外围电路，设计了整个控制系统的硬件和软件。主要包括以下几个方面工作：（１）从永磁同步电机（ＰＭＳＭ）的数学模型出发，深入剖析其运行特点及控制机理，分析和研究了同步电机矢量控制方法，还给出了目前使用较多的电压空间矢量脉宽调制控制（ＳＶＰＷＭ）方法。（２）将智能控制引入交流伺服系统中，针对传统ＰＩＤ控制器参数难以整定提出了修正方案，提出了用单神经元ＰＩＤ控制器代替调速系统中速度环的传统ＰＩＤ控制器策略。（３）在ＭＡＴＬＡＢ环境下进行了仿真研究，验证方法的可行性。（４）软硬件电路的设计及调试。设计了一套基于ＤＳＰＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ的全数字控制系统实验平台。（５）在设计的永磁同步电机伺服控制系统上进行实验调试。一６大连理工大学硕士学位论文２永磁同步电机伺服控制系统的理论基础永磁同步电机数学模型及坐标变换和普通同步电动机一样，永磁同步电动机也是由定子和转子组成。定子的结构形式２．１和异步电动机相同，都是由导磁的定子铁芯和导电的三相对称绕组以及固定铁心用的机座和端盖等部分组成：转子用稀土永磁材料做磁钢。在磁路分布和绕组结构上保证定子感应电动势具有Ｊ下弦波形，外施的定子电压和电流也应为正弦波。永磁同步电动机的基本结构如图２．１所示。了绕组图２．１极对数为１的永磁同步电机结构图Ｆｉｇ．２．１ＢｌａｃｋＤｉａｇｒａｍｗｉｔｈｏＩｌｅｐｏｌｅｐａｉｒｓｏｆＰＭＳＭ永磁同步电机的数学模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和机械运动方程组成，为了简化分析，在忽略一些影响较小的参数的，即把电机当作理想电机处理的条件下，分别建立在ａｂｃ坐标系、ａ．Ｂ坐标系和ｄ—ｑ坐标系下的数学模型并介绍相互变换过程，为永磁同步电机矢量控制提供理论基础。理想电机的基本假设如下【７】【８】：（１）定子三相绕组对称分布、气隙均匀并且忽略电机铁心的饱和。（２）不计电机的涡流和磁滞损耗。（３）转子上无阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用。（４）反电动势波形是正弦的。永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计２．２．１永磁同步电机在三相静止坐标系（ａｂｅ）上的模型设永磁同步电动机三相集中绕组分别用ａ、ｂ、ｃ表示，绕组轴线彼此互差１２００空间电角度，各相绕组的轴线在与转子轴垂直的平面上，构成一个ａｂｃ三相静止坐标系（称为相坐标系），如图２．２所示，，为三相绕组中分别通入电流毛，毛，乇时产生的合成磁动势【１５＇２６１。ｂａＣ图２．２三相集中绕组分布Ｆｉｇ．２．２Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆ３－ｐｈａｓｅｌａｍｐｅｄｗｉｎｄｉｎｇｓ三相绕组的回路电压方程为：讣雕删＋槲㈦・，式中，材。、‰、材。为各相绕组两端的电压，‘、‘、ｔ为各相的线电流，％、仇、虬为各相绕组的总磁链，Ｐ为对时间的微分算子（ｄ／ｄｒ）。磁链方程为：口ｋ一Ｍ１２一Ｍ”＾＝一Ｍ期三２２一Ｍ为＋（２．２）少少少ｆ●●●●●●●Ｊ一Ｍ¨彳彳引一Ｍ３２ｋ．乞．“．０ｙ少少口，＾●●●●●●●ＪＪｂｕｏｎｉｓ：，打＾，国一］差［］ｐ二三ｓＲ人连理工大学硕士学位论文式中，０＝ｑ・ｆ，ｑ为转子旋转角速度；三厨为各自绕组的自感；一Ｍ胛为各相绕ｌｙ；Ｉ＝慨Ｉｃｏｓ（Ｏ一２ｘ／３）Ｉ，吗为转子磁链的幅值。［三ｉ］＝［耄吾主］［篆］＋ｐ［二笔ｉ：焉三二多］［萋］一缈，朋７，ｓｉｎＯ：；三；］ｃ２．３，【［甜ｄ１＝［尺ｓ三二ｐ－ＬＲｓ三二ｐｊＲｓ言印Ｒｓ呈印ｊ【－乏ｊ一国，＾打，ｓｉｎ（Ｏ－２ｘ／３）］ｃ２．４，２０。‘２・４’永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计ＤＪ耳ＪＦ呻印。一Ｄ万乒ｊ五一图２．３平面场磁动势图Ｆｉｇ．２．３Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｐｏｔｅｎｔｉａｌｉｎｆｌａｔｆｉｅｌｄ与凡相重合，昂超前于Ｆａ９０。，且Ｒ，耶的值分别为ｅＪｏ，ｅ做。，那么三相绕组在气Ｆ＝ｋ磊¨：［；；］＝ｋ瓦ｃＭ［蔓］ｃ２・５，式中，Ⅳ２为两相绕组ａ，ｐ的匝数，Ⅳ３为三相绕组ａ、ｂ、ｃ的匝数，根据（２．５）［乏］＝妥善［三√－互１／，２２一－√１ｊ／／２２Ｊ？【－ｚ．４Ｊｌ＝丁［篆］ｃ２．６，贡２、／了Ｍｆ２丁＝徘压－１／麓－肌１／２］汜７，大连理Ｔ大学硕十学位论文丁［三；］＝丁［尺ｓ喜二ｐＲｓ三二ｐ尺ｓ兰二ｐ］丁～・丁［篆］一∞，尢盯，・丁【－：：：｛ｇｓｉ二ｎ三０二；；；］ｃ２．８）讣丁恻，肾・豳压方程为：（２．９）由此，我们可以得到由三相静止绕组的回路电压方程变换到两相静止绕组的回路电卧ｒ０幻Ｒ。乞捌坞呜ＩｃｏｉｎｓＯ习。＋如ｐｊｂＪ…７～川【－ｈＪ【－另有：Ｊ汜㈣式中，Ｒｓ＝Ｒ＝饰；厶＝岛＝号三；秒＝ＣＯｒ‘矿，哆为转子旋转角速度；哆。＝√詈。坶。瓦＝ｉｐ・丸－ｉ。・乃式中，以＝ＭＩｓｌ・ｃｏｓ（Ｏ），以＝ＭＩｉｌ・ｓｉｎ（Ｏ）通过对于三相坐标系向两相坐标系的变换关系，我们可以得到如下的结论：（１）回路电压方程变量个数减少了，给分析问题带来了很大的方便。（２）当ａ、ｂ、ｃ各相绕组上的电压与电流为相位互差１２０度的正弦波时，通过变换方程式（２．６）和变换矩阵（２．７）可以得到在ａ，Ｂ绕组上的电压与电流正弦波。三相绕组和两相绕组在空间气隙产生的磁动势是完全等效的，并且由矩阵方程式（２．５）可以看到该磁动势为一个旋转磁动势，旋转角速度为电源电流（电压）的角频率。（３）从某种意义上来看，我们可以认为三相绕组向两相绕组系统的变换关系就是一种阻抗变换关系。上面是从产生磁动势等效的观点出发，将原来三相静止的绕组上的回路电压方程转化成为了两相静止绕组上的回路电压方程。从转矩方程式（２．１１）可以看出电机的电磁转矩与电流如，如以及口有关。若要控制电机的转矩就必须要控制ｆ旺，ｆＢ的幅值和相位。但如，站仍然是函数值按正弦变化的物理量，为了用类似直流电机控制的方法对同步电（２．１１）永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计机进行控制，我们还需要把空间位置静止但函数值变化的ｆｎ，ｆＢ从（０【．ｐ）坐标系向空间位置旋转但幅值恒定的（ｄ—ｑ）坐标系变换。２．１．３永磁同步电机在两相旋转坐标系（ｄ－ｑ）上的模型如图２．４所示为静止的坐标系（０【．Ｄ）与旋转坐标系（ｄ—ｑ）中的坐标轴在二维平面场（Ｒ２）中的分布。ｄ—ｑ轴的旋转角频率为钛，ｄ轴与ａ轴的初始位置角为缈，所以在ｄ．ｑ轴上的集中绕组产生的单位磁动势（包括磁动势方向）凡，目定义为ｅ“州伸），ＰＪ（％ｒ＋卅Ｆ／∞ｏＩ、＼＼／／７Ｄ－／ｑ／／‘，’Ｊ气ｋ／／ｄ）ｃ＼农、．捻／一／＼Ｆｉｇ．２．４‘图２．４静止坐标系和旋转坐标系相对分布图ＳｔａｔｉｏｎａｒｙａｎｄＲｏｔａｔｉｎｇｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍｋ咯ｋ：臣］＝ｋ‘】？Ｖ・［Ｚ］式中，Ⅳ４为ｄ－ｑ轴上集中绕组的匝数。ｃ２・，２，由式（２．１２）可以得到静止坐标系Ｑ．ｐ与旋转坐标系ｄ－ｑ中的电流变换关系：。‘，＋缈）Ｊ。ｊ［；：］＝瓮Ｎ卜Ｌｓｉｎ（‘ｃ搿ｏ２。８ｃｏ咄ｓ（ｃｏ孑．焉’玢ＬＩＬ．如Ｊ２㈦啪ｔ。’＋缈）人连理工大学硕士学位论文丝：ｌⅣ２由此我们可以得到电流的变换矩阵ｒ：丁，：ＩＣｏｓ（‰。＋缈）“ｎ（％¨缈’ｌＬｓｉｎ（％・，＋缈）（２．１４）ｃｏｓ（ｒ力．・ｒ＋伊）Ｊ根据（２．１３）的变化矩阵可以得到如下的变化关系：［乏］＝丁，［Ｚ］；［：三］＝丁’［孑；］；ｐ・［乏］＝ｐ・丁７［Ｚ］把上囱的变抉夭糸代八在静止坐标糸Ｑ，ＢＦ的删路电胜万）｜璺式（２．１０），就口Ｊ以得到永磁同步电机在旋转坐标系ｄ－ｑ下的回路电压方程式如下：阱［笼譬Ｒ‘，＋Ｌ％ｐｐｎＪＬｌｑＪ妒‰［嚣．瑚］汜㈣阡Ｕｄ陵Ｚ鸣Ｒ，＋Ｌ哆ｐｐ¨ＪＬＩｑＪ坞叫等］汜忉因为９＝织・ｔ，ｔｏ，为转子旋转角速度，所以我们还可以得到：阱Ｕｄ陉翟Ｒ‘，＋Ｌ鸭。ｐ可ＪＬ厶Ｉｑ卜慨［嚣谢嬲］汜㈣式中，矽为ｄ轴与转子主磁极轴线之间的初始位置角度。当ｄ－ｑ轴坐标系的旋转角频率与转子旋转角频率一致的时候，也就是ｑ＝叹时，可以得到永磁同步电机在同步运转时的回路电压方程：如果在初始状态时，ｄ轴与转子主磁通重合，即矽等于零，则可以进一步得到永磁同步电动机同步运转时转子磁通定向的回路电压方程：阱¨Ｒｓ＋口Ｌ哆，ｚｐ‘Ｒ，＋Ｌ哆卢ｐ¨ｊＬｌｑｊ坞呜［０］由于事实上有：ｇｄ＝Ｌａ和Ｌｑ＝三Ｂ，所ＰＡ．㈦㈦【－。ｊＬ一。。％ＬＲ一【＿ｑ‘∥，．ＪｐＪＬＩ＋［国，？∥，］ｃ２．－９，式中，＂＝ＭＩｆ。为转子磁钢在定子上的耦合磁链。永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计ｔ＝二｝（∥ｄＩｑ一∥ｇＩｄ）＝二｝眇，Ｉｇ＋（Ｌｄ－Ｌｑ），ｄＩｇＪ／－（２．２０）二通过从两相静止坐标系（０【一Ｂ）向两相旋转坐标系（ｄ．ｑ）的变换可以看出：（１）在旋转坐标系（ｄ．ｑ）中的变量都为直流变量，并且若能保持直轴分量厶为常量，则电机的输出转矩与电流交轴分量厶呈线性关系，即只需要控制厶的大小就可以控制电机的输出转矩。显然使厶＝０是一种较为简单的控制方式。（２）在旋转坐标ｄ．ｑ轴上的绕组中，分别通入直流电流矗，厶同样可以产生旋转磁动势，并由于电流厶，厶在空间互差９０。，其合成矢量旋转角速度与永磁同步电机实际旋转角速度一致【７＿９】。２．２矢量控制理论基础众所周知，直流电动机具有优越的控制性能，这归功于它的被控量易于控制。它之所以具有良好的静、动态特性，是因为其两个参数：励磁电流及电枢电流是两个可以独立控制的变量，只要分别控制这两个变量，就可以独立地控制直流电动机的气隙磁通和电磁转矩。但是交流电机却不行，因为交流电动机是一个高阶、强耦合、非线性的多变量系统，定子电压、电流、频率与电机磁通和转矩之间不是简单的对应关系，因此不能简单地通过调节电枢电流来控制电磁转矩。上述问题引发了人们的思考，如果在交流电动机中，也能够对负载电流和励磁电流分别进行独立的控制，那么，其调速性能就可以和直流电动机相媲美了。这一思考成了相当长时间内人们的追求目标，并终于通过矢量控制方式得到了实现。矢量控制思想是由德国学者于１９７２年提出的。其基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电机转矩控制的规律，通过数学上的坐标变换方法，把交流电机三相绕组Ａ、Ｂ、Ｃ中的电流ｆ。、ｆ。、ｆ，变换到两相静止Ｑ、Ｂ绕组中的电流‘和ｆ疗，再由数学变换将屯和ｆ疗变换到两相旋转绕组ｄ、ｑ中的直流电流Ｌ和Ｌ，这两个变换分别称为Ｃｌａｒｋ变换和Ｐａｒｋ变换，变换公式如式（２．２１）（２．２２）所示：１Ｃｌａｒｋ变换：卧２压２口．０．“．０Ｐａｒｋ变换：Ｆｉ‘，］Ｆｃｏｓ０．蓦Ｄ削２Ｌ“ｎ９啷９（２．２２）●●●●Ｊ●●●ｊ∥大连理工大学硕士学位论文矢量控制的实质上就是通过数学变换把三相交流电动机的定子电流矢量分解成两个分量，一个是用来产生旋转磁动势的励磁分量厶，另一个是用来产生电磁转矩的转矩分量‘，－并使两个分量相互垂直，彼此独立，然后分别进行调节。交流电机的矢量控制使得转矩和磁通的控制实现解藕。变换过程如图２．５所示：●ｌⅡｌｄ，７，７等效３，２旋转直流变换●变换电机ｌｌＩ一Ｉｑ一模型图２．５矢量控制坐标变换过程示意图Ｆｉｇ．２．５ＴｈｅｈｉｎｔｏｆｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｃｈａｎｇｉｎｇｏｆＶｅｃｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌ矢量控制一般是通过检测或估计电机转子磁通的位置及幅值来控制定子电流或电压，这样电机的转矩便只和磁通、电流有关，与直流电机的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。对于永磁同步电机，转子磁通位置与转子机械位置相同，这样通过检测转子实际位置就可以得知电机转子磁通位置。在前一小结中我们给出了转子定向旋转坐标系ｄ－ｑ下的永磁同步电动机瞬时电磁转矩方程为：疋＝三譬（ｙｄ‘一∥。厶）＝三争砂，Ｌ＋（三ｄ—Ｌｑ）Ｌ，，】由上式可知，对永磁同步电动机电磁转矩的控制最终可归结为对直轴电流Ｌ和交轴电流Ｌ的控制。所以，不同的交、直轴电流组合输出电磁转矩会对应不同的系统功率、功率因数以及转矩输出能力，因此永磁同步电动机有不同的六种控制策略：（１）令Ｌ＝０控制。（２）最大转矩电流比控制。（３）ｃｏｓｃｐ＝１控制。（４）恒磁链控制。（５）弱磁控制。（６）最大输出功率控制等。永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计．不同控制方法具有不同的优缺点。下面分别就几种最常用的矢量控制方法进行分析。（１）令厶＝０控制在表面式永磁同步电机（ＳＰＭＳＭ）中，电机参数厶和三ｑ相等，从电动机端１：３看，此时在物理模型上己经可以看成一台直流电机，定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，定子电枢电流对转子励磁磁场既无增磁作用也无去磁作用，其转矩表达式为：Ｔｅ２半杪，‘气ｎ（２．２３）此时电机的输出转矩与电流厶呈线形关系。令厶＝Ｏ矢量控制的控制方式的实现过程为：在准确检测转子磁极空间位置ｄ轴的前提下，通过控制逆变器功率开关器件导通的关断，使定子合成电流位于ｑ轴，此时ｄ轴定子电流分量为零，这样就实现了使永磁同步电动机电磁转矩正比于转矩电流厶，即正比于定子电流幅值，只需控制定子电流的大小，就可以很好地控制永磁同步电动机的输出电磁转矩。（２）ｋ＜Ｏ弱磁控制Ｌ＝Ｏ控制只适合于基速以下的恒转矩运行区，因为随着转矩增加，感应电动势随之增大，因而需要输入给电动机更大的电压，当电压达到额定值时，对应电动机达到额定转速，电压继续升高是不可能的，因此，也需要像普通直流电动机调速一样能弱磁恒功率运行。在电机电压达到逆变器所能输出的电压极限之后，要想继续提高转速，就必须通过调节厶和厶来实现。增加ｄ轴去磁电流分量（作为负值励磁电流）和减小ｑ轴电流分量，都可以保持电压平衡关系，达到弱磁效果。考虑到电机相电流有一定的极限，增加厶而保持相电流值，就要减小Ｉｑ，因此通常采用增加去磁电流的方法来实现弱磁增速。但是，由于稀土永磁材料的磁阻很大，利用电枢反应弱磁的方法需要较大的定子电流直轴去磁分量，在输出相同转矩时，相应的铜耗增大，会使调速系统的效率降低。因此常规的永磁同步电机在弱磁恒功率区运行的效果很差，只有在短期运行时才可以接受，且为轻载情况下。（３）厶＞Ｏ控制在这种方式下厶和厶都大于零。电枢绕组电流存在直轴分量，且该直轴分量对转子励磁磁场有增磁作用，永磁同步电动机工作在该方式下可在一定程度上提高其输出转矩。人连理工人学硕士学位论文在凸极永磁同步电机组成的伺服驱动系统中，可以灵活地利用磁阻转矩。例如，在基速以下恒转矩运行区中，控制定子磁链与永磁体产生的气隙磁场间的空间电角度１３角，使其在９００＜Ｄ＜１８００范围内，就可以提高转矩值。在恒功率运行区，通过调整和控ｐ角可以提高输出转矩和扩大速度范围。（４）最大转矩／电流比控制在电机输出相同电磁转矩下使电机定子电流最小的控制策略称为最大转矩电流比控制，它是凸极永磁同步电机用的较多的一种电流控制策略。假设电机运行时定子三相电流为：Ｈ”州口一扣ｃｏｓｃ口＋扣（２．２４）口为定子电流矢量与电机ａ相绕组轴夹角。在与转子同步旋转的ｄ－ｑ坐标系下表示为：二笺，二笔心一＂Ｌ酬ｓｉｎ（ｏ胁－ａ）门Ｊ一ｓｔｎｃｐ一詈兀，Ｊ【．，：ｊ口为转子ｄ轴与ａ轴的央角，Ｌ＝厢。卧—ｓ；ｎ臼一ｓｔｎｃ秒一詈兀，处理器的要求较高。（２．２５）最大转矩电流比控制就是在（２）式的条件下求（１）式的极值问题，可以建立辅助方程采用牛顿迭代法求解。因为计算量较大，所以需要占用很大的ＣＰＵ开销，对中央（５）ｅｏｓｃｐ＝ｌ控制，使系统的功率因数恒为ｌ，使逆变器的容量得到充分发挥，但也存在明显的缺点，就是最大输出转矩很小。可见，采用控制／ａ＝０时，电磁转矩仅仅包括励磁转矩，定子电流合成矢量与ｑ轴电流相等，实现了定子绕组与ｄ轴的完全解耦，这与直流电机的控制原理一样，只要检测出来转子位置（ｄ轴），使三相定子电流的合成电流矢量位于ｑ轴上就可以了。这种控制方式的特点是控制简单、定子电流与电磁转矩输出成正比、无弱磁电流分量。本文就是基于这种控制方式进行了一系列研究。永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计２．３脉宽调制的ＳＶＰＷＭ控制方法由于全控型电力半导体器件的出现，不仅使得逆变电路的结构大为简化，而且使得ＰＷＭ控制技术在电气传动中的应用变得越来越广泛。由于ＰＷＭ技术可以及其有效地进行谐波抑制，在变频、效率各方面有着明显的优点，使逆变电路的技术性能与可靠性得到了明显的提高。随着电气传动系统对其控制性能的要求不断提高，人们对ＰＷＭ控制技术展开了深入的研究：从最初追求电压波形为正弦波，到电流波形为Ｊ下弦波，再到磁通的为ｊ下弦波，ＰＷＭ控制技术得到了不断地创新和完善。本系统中所应用的空间电压矢量脉宽调制（ＳＶＰＷＭ）就是一种新型的ＰＷＭ方法，它把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，最终的目的是使输入电动机的三相正弦电流在电动机的空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。由于其控制简单，数字化实现方便，目前已有替代传统ＳＰＷＭ的趋势，随着微机技术的不断发展，指令周期缩短，计算功能加强，存储容量增加，使得数字化ＰＷＭ有了更广阔的应用前景【１１】。２．３．１ＳＶＰＷＭ调制原理下图是三相逆变器一交流电动机调速系统的主电路原理图，若Ｎ为直流侧参考点，则上管导通时输出电压为ｕＭ／２，下管导通时输出电压为一ｕＤｃ／２。图中ＶＴｌ～Ⅵ６是６个功率开关管，采用上、下管换流工作方式，功率开关器件共有８种工作状态。如把上桥臂器件导通用数字“１＂表示，下桥臂器件导通用数字“０’’表示，ａ，ｂ，Ｃ分别代表３个桥臂的开关状态。则上述８种工作状态若用ａｂｃ的组合可表示为０００、００１、０１０、ＶＤｃ，２Ｖ∞趁图２．６三相逆变器一交流电动机调速系统主电路图Ｆｉｇ．２．６Ｔｈｅｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔｄｉａｇｒａｍｏｆ３－ｐｈａｓｅｓｉｎｖｅｒｔｅｒ大连理‘ｌ：人学硕士学位论文三相逆变器输出的相电压矢量［‰‰ｕｃｏ】Ｔ与开关状态矢量［ａｂｃ】Ｔ的关系为：［一１ｏ１［］汜㈣［三毒］＝三【，肼［三：—三，乏］［三］表２．１Ｔａｂ．２．１口ｃ２．２７）开关状态与相电压和线电压的对应关系Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｗｉｔｃｈｓｔａｔｅｓａｎｄｐｈａｓｅ／ｌｉｎｅｖｏｌｔａｇｅｓＣｂ０Ｏ１ＵＡｏ０ＵａｏＯＵｃｏＯＵＡａ０ＯＵａｃ０ＵＣＡＯＯＯ００ｌ０—Ｕ｜）ｃ｜３一Ｕ｜）ｃ｜３２Ｕ胛／３一Ｕ贸ｎＵ贫ｆ３一Ｕ｜）ｃ｜３ＵＤ（，／３—ＵｗＵ９ｃ：Ｏ０ＵｗＯ一Ｕ∞『３２Ｕ肼／３Ｕ∞｛３一ＵＤｃ｜３—２ＵＤ（，／３—ＵＤｃ一ＵＤｃＯ１１ｌ１１Ｏ０１１１ＯｌＯ１—２Ｕ胛／３２Ｕ∞／３ＵＤｃ｝３Ｕ９ｃＵ叱ＵＤｃＯ０一ＵＯＤｃ—Ｕ眦Ｕ『）ｃ０Ｕ∞『３ＯＵ咐｜３Ｏ—２Ｕ胛／３Ｏ—ＵＯｆ）ｃ表２．１中的线电压和相电压值是在图２．１中所示的三相（ａｂｃ）平面坐标系中。采用上一章的办法，在（ａ．ｐ）平面直角坐标系中，选择了Ｑ轴与ａ轴重合，ｐ轴超ｆｊ｛『ｃｃ轴９０度，则在三相静止坐标系中的三相相电压经由Ｃｌａｒｋ变换得到的两相静止坐标系中的相电压如下所示：永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计讣１—．．—１———ｉ２２（２．２８）ｏ鱼一鱼２２陶经上式的变换就可以将表２．１中与开关状态ａ、ｂ、ｃ相对应的相电压转换成平面直角（ａ—ｐ）坐标系中的分量。其转换结果见表２．２。表２．２开关状态与相电压在（ａ—Ｂ）坐标系中分量的对应关系Ｔａｂ．２．．２ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｗｉｔｃｈｓｔａｔｅｓａｎｄＷ‰ａｂＣ％坼矢量符号ＯＯＯＯＯ００００ＯＯ１—．层６ＵＤｃ一跬ｘＵｏｏ，ＯｌＯ一黯℃§℃Ｕ０１０压Ｏｌ１一、／亏‰ＯＵｏ，ｌ一、／詈‰厅１ＯＯ０“００Ｖｊ１０１黯ｘ—．ＵＤｃＵ１０１１１ＯＵＤｃ一压，ＶＵ１０２“Ｄｃ１１１０ＯＯｌｌｌ根据表２．２所得数据，我们可以用空间电压矢量Ｕｒ来表示逆变器三相输出电压的各空间８个基本电压矢量组成一个六边形，将整个空间划分为六个区域，其中有两个，’ＵⅣ。从一个电压矢量旋转到另一个电３…种状态，如图２．７所示，我们能够得到以下结论：位于原点的零矢量，六个不同方向的电压空间矢量，它们周期性地顺序出现，相邻两个矢量之间相差６００，电压空间矢量幅值不变，为一Ｌ压矢量的过程应当遵循功率器件的开关状态变化最小的原则，即每次变化只有一个功率人连理一Ｉ：入学硕士学位论文器件的状态发生变化。通过８种电压矢量不同的线性组合，就可以得到更多的与基本空间矢量相位不同的电压空间矢量，最终构成一组等幅不同相的电压矢量叠加形成尽可能逼近圆形旋转场的磁链圆。～８图２．７基本电压空间矢量Ｆｉｇ．２．７Ｂａｓｉｃｖｏｌｔａｇｅｓｐａｃｅｖｅｃｔｏｒ如图２．８所示，以第三扇区为例，如上面所述，则有线性时间组合的电压空间矢量‰是五／耳删倍的Ｕ与瓦／耳聊倍的氓的矢量和，即Ｉ耳删＝五＋瓦＋瓦１‰＝ｕ砉＋氓砉＠・２∞式中，耳删是系统ＰｗＭ的一个周期，五为电压空间矢量Ｕ的作用时间，瓦为电压空间矢量Ｕ。的作用时间，Ｔｏ为Ｕｏ（％）的作用时间。由图２．８根据三角形的正弦定理有：永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计％＝争Ｕ６ＣＯＳ３０。％＝弘。ｈ（２．３０）ｘ：旦ｔ９６０。Ｕ唰８Ｘ‰。０【图２．８定子参考电压矢量的合成和分解Ｆｉｇ．２．８ＴｈｅｃｏｍｐｏｕｎｄａｎｄｄｅｃｏｍｐｏｕｎｄｏｆｓｔａｔｏｒｒｅｆｅｒｅｎｃｅｖｏｌｔａｇｅＩＭ』＝移：０＝Ｕ３［＝Ｕ４＝０弘０＝ｔＵ６＝＿２３ｖ胛，由式（２．２９）和（２．３。）可解得两相邻电压矢量及零矢量的作用时间分别为：ｔ２砾Ｔ（３Ｕａ－面∥）瓦＝拈赤％（２．３１）Ｔ０＝Ｔ一五一瓦一２２—大连理工大学硕士学位论文同理可以得到合成电压矢量在其他扇区时，相邻两电压矢量在整个ＰＷＭ中断周期中的作用时间如表２．３所示：表２．３相邻电压矢量在各扇区内的作用时间Ｔａｂ．２—３Ｗｏｒｋｉｎｇｔｉｍｅｏｆｖｏｌｔａｇｅｖｅｃｔｏｒｉｎｓｅｃｔｏｒｓ扇区１瓦＝赤（痂删－３Ｕｏ埘＝）瓦：土（知椰＋３Ｕ俐口）２Ｕｚ扇区４正＝赤（痂邮－３Ｕｏ＝．，）Ⅲｐｒｉｃ、’。Ⅲａ’…躯２ｔ：麦ｃ五删一卜等ｕ椰扇区５由万卜等ｕ椰疋＝等ｕ唧“翩卜击（痂椰＿３㈧瓦＝等ｕ椰断周期中的作用时间与下列变量有关。互＝一去（缸邶城一卜赤（励椰＋３‰）扇区６瓦：一鬲｝（怕Ｄ邮一３Ｕ删口）’２ＵＤ【．一…Ｐ“…７综合分析上表可以看出，在每个扇区中都要计算相关的部分，矢量在半个ＰＷＭ中ｘ＝甍％ｙ＝忐（旭＋３Ｕａ）ｚ２瓦ｒ眦（６ｖｐ一３虬）在前面的例子中，‘＝－Ｚ，ｆ。＝Ｘ，位于扇Ｎ３，其中ｆ。＝Ｔ４／２，ｆ６＝Ｉ＂６／２。因此，在每次程序计算过程中，只需计算出这三个变量ｘ、Ｙ、Ｚ的值即可，从而简化了程序【１１】【１２】＠３２，永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计２．３．２ＳＶＰＷＭ调制实现有了上述的空间电压矢量的调制原理，我们很容易得到空间电压矢量调制的基本实现步骤：第一步：判断合成矢量％，所处扇区图２．７中的６个区域，称为扇区。每个区域都有一个扇区号。确定‰位于哪个扇区是非常重要的，因为只有知道‰，位于哪个扇区才能知道是由哪一对相邻的基本电压空间矢量合成的。详细的判断方法如下：当‰以（ａ－ｐ）坐标系上的分量形式‰口、‰口给出时，先用下式计算出８０、蜀和垦：８０＝‰Ｂ｛蜀＝ｓｉｎ６０。‰ａ—ｓｉｎ３０。‰ＢＩ岛＝一ｓｉｎ６０。‰口一ｓｉｎ３０。‰ｐ再用下式计算扇区号Ｐ值：（２．３３）Ｐ＝４ｓｉｇｎ（垦）＋２ｓｉｇｎ（Ｂ１）＋ｓｉｇｎ（玩）式中ｓｉｇｎ（ｘ）是符号函数。如果ｘ＞０，ｓｉｇｎ（ｘ）＝１；如果ｘ＜０，ｓｉｇｎ（ｘ）＝０。（２．３４）第二步：计算ｒ１、ｔ：署［１ｔｏ，即计算扇区内相邻两矢量及零矢量在半个采样周期中各自的作用时间（这里要注意ｔ，为半个采样周期的作用时间）根据上一小节推到出的归纳公式：ｘ＝压‰ＢＴ／２Ｕ∞】，：（＿４２３Ｕｏｍｐ＋互３Ｕ叫ａ）吖２ｕＤｃ（２．３５）ｚ：（孚‰。一芝３Ｕ一咖眦则在不同的扇区，ｔ，和，：按表２．３进行赋值：ｆ。，乞赋值后，还要对其进行饱和判断：若ｆ。＋ｆ２＜丁ＴｐＷＭ，则‘和如保持不变；若ｆｌ＋ｒ２＞生尹’则对ｆＩ和ｆ２重新赋值‘２‘云芋岛’乞２乞玄高。ＴＴ＋ｌｊ２ｔ＋ｈｔ）７３．（人连理工大学硕士学位论文表２．３根据扇区号确定ｆｌ和乞Ｔａｂ？２．３Ｃｏｎｆｉｒｍｉｎｇｔｌａｎｄ，２ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｓｅｃｔｏ鸺扇区号ｔｌｆ２１Ｚ】，２】，．Ｘ３．Ｚｘ４５Ｘ６—Ｙ一Ｚ—ＸＺ弋第三步：计算空间电压矢量切换点乙。、乙：、乙。在本系统中正确的计算切换点的意义在于正确给ＤＳＰ－一个ＰＷＭＬＬ较寄存器分别赋值，完成输出ＰＷＭ波形的最后一步。具体实现方法如下：令：ｔｏ：＿Ｔ－２ｔ１－－—２一ｔ２，厶：乙＋ｆｌ，‘：＝————■—一，厶＝乙＋ｆｌ，‘＝斗（．２３７则在不同的扇区内乙。、乙：、乙，根据下表规则进行赋值：表２．４根据扇区号确定咒。Ｔａｂ．２．４Ｃｏｎｆｉｒｍｉｎｇ疋ｍ２．３ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｓｅｃｔｏｒｓ扇区号ｒｅ．１１４５ｔｃｔｄ６厶ｔ口ｔｃ乞ｔｃ乞“乙ｔｔｈ“ｔｃ乙：乙３厶乙ｌｈｔｄ综上所述，在每个ＰＷＭ周期中，根据ＰＭＳＭ控制系统测量反馈输／Ｎ．至ＩＪＤＳＰ的Ｕ刎。和虬舢，执行上述步骤，通过ＤＳＰ２４０７芯片事件管理器中的比较寄存器，即可得到对称的空间矢量ＰＷＭ波形。２．４永磁同步电机伺服控制系统模型建立采用／ｄ＝０的永磁同步电机矢量控制系统如图２．９所示‘１８１。永磁同步屯机伺服控制系统的研究与设计图２．９永磁同步电机矢量控制系统原理Ｆｉ９２．９ＴｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｌａｇｇｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｏｆＰＭＳＭ从图中可以很明显的看出该控制系统由以下部分组成：（１）转速转角传感器模块（２）电流环、速度环控制器（３）坐标变换模块（４）ＳＶＰＷＭ模块（５）逆变模块和永磁同步电动机本系统为转速．电流双闭环控制系统。其控制过程为：首先，反馈采样得到的定子相电流经过Ｃｌａｒｋ和Ｐａｒｋ坐标变换模块得到（ｄ．ｑ）坐标系下的电流交轴分量ｔ和直轴分量‘；给定速度信号与经转速传感器模块检测得到的速度信号相比较，得到速度误差信号ｅ经外环速度控制器的调节后，输出交轴电流分量ｚｏ。０；ｅ与反馈回来的电流交轴分量‘相比较，得到差值△‘，同时，控制直轴电流分量艺＝０，并使艺与反馈回来的电流直轴分量屯相比较，得到差值△屯；△‘、△屯经系统内环电流调节器的调节非别变成电压交轴分量Ｕ。和电压直轴分量Ｕｄ；然后经Ｐａｒｋ逆变换得到旋转（ａ．１３）坐标系下的电压分量甜口和Ｕ卢；最后，以Ｕ口和Ｕ声为计算起始点，经过一系列的计算，ＳＶＰＷＭ模块输出六路三项逆变器的驱动信号，使逆变器工作，其输出可变幅值和频率的三相Ｊ下弦电流输入到电动机定子，从而实现给定的控制效果。大连理Ｔ大学硕＋学位论文３伺服系统控制器的研究按偏差的比例、积分、微分（ＰＩＤ）控制是历史最悠久、生命力最强的控制方式，尽管出现了很多新的控制方法，但由于其算法简单、调整方便、鲁棒性好和可靠性高，所以，目前正在运行的系统中，９０％以上应用的还是ＰＩＤ控制器。但是传统ＰＩＤ控制器参数调整需要依据实际效果和操作者的经验，特别是对于复杂多变的系统，参数的整定往往是比较困难的。为了克服传统ＰＩＤ控制器的弱点，控制界已经提出了大量对ＰＩＤ改进方案，如模糊ＰＩＤ、专家ＰＩＤ、广义预测ＰＩＤ、智能ＰＩＤ等等。以上各种方案的理论依据不同，采用手段也不相同，但它们的共同特点都是针对如何选取和整定ＰＩＤ参数，都是在保持传统ＰＩＤ控制器结构的基础上，采用新的方法确定ＰＩＤ参数。这些方法在一定程度上提高了ＰＩＤ控制器的性能，但往往这些算法缺乏通用性，附加的结构和算法也增加了控制器的复杂性。近年来，随着神经元网络的研究越来越热，人们开始采用神经网络和ＰＩＤ控制相结合，以便更好的改进传统ＰＩＤ控制的性能。目前已经提出的神经网络和ＰＩＤ控制相结合的方法主要有两种：（１）采用神经网络确定ＰＩＤ参数这种方法是在传统ＰＩＤ控制器的基础上附加一个或多个神经元网络，利用神经元网络的学习功能来确定和调整ＰＩＤ参数。这种方法的主要缺点之一是它的结构比传统ＰＩＤ控制器要复杂的多，实现的难度和代价较大；缺点之二是其不能避免一般神经网络的弱点，如收敛速度慢、易陷入局部最小点和连接权重初值难以确定等等。（２）单神经元结构ＰＩＤ控制器单神经元结构ＰＩＤ控制器的形式与传统ＰＩＤ控制器的形式是相同的，所不同的是传统ＰＩＤ控制器的比例、积分、微分参数是预先设定的和固定不变的，而单神经元结构ＰＩＤ控制器的比例、积分、微分参数是可按某种算法改变的【１２】【１３１。本文就是将这种单神经元结构的ＰＩＤ控制器应用在双闭环的伺服控制系统中进行研究。３．１神经网络理论概述神经网络是智能控制的一个重要分支，它是以大脑生理研究成果为基础，模拟大脑的某些机理与机制，由人工建立的有向图拓扑结构的网络，它通过对连续或断续的输入做状态响应而进行信息处理。神经元网络是本质的并行结构，并且可以用硬件实现，永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计它在处理实时性要求很高的自动控制问题显示出很大的优越性。神经元网络是本质的非线性系统，多层神经网络具有逼近任意函数的能力，它给非线性系统带来了统一的模型；神经元网络具有很强的信息综合能力，它能同时处理大量不同类型的信息，能很好的解决输入信息之间的重叠问题，能恰当地协调互相矛盾的输入信息，可以处理那些难以用模型或规则描述的信息。神经网络在复杂系统的控制方面具有明显的优势，神经元网络控制和辨识的研究已经成为智能控制研究的主流【ｌ３．１．１４１。神经网络的发展概述人们对神经元网络的研究是从２０世纪４０年代初就开始了，至今已有半个多世纪的历史。１９４３年，心理学家Ｍ．ＭｃＣｕｌｌｏｃｈ和数学家Ｗ．Ｈ．Ｐｉｔｔｓ采用数理模型的方法首先提出了一种人工神经元模型，简称Ｍ—Ｐ模型，迈出了人类研究神经网络的第一步。第一个智能型的人工神经网络系统是在１９５８年由Ｆ．Ｒｏｓｅｎｂｌａｔｔ提出的感知机（Ｐｅｒｃｅｐｔｒｏｎ）模型网络。在这种人工神经元网络中，记忆的信息存贮在连接权上，外部刺激通过连接通道自动激活相应的神经元，以达到自动识别的目的。虽然感知机模型比较简单，但已经具有了神经网络的一般性质，如可学习性、并行处理、分布式存贮等，这些性质与当时流行的串行、离散的符号处理的电子计算机与人工智能技术完全不同，因此，引起了研究人员的极大兴趣。而且这种网络一直到现在还在广泛应用。随着人工神经网络研究的不断深入，人们遇到的来自各方各面的困难和和一时难以解决的问题也就越多。对神经元网络的学习能力问题，曾引起了学术界的很大争议，使人工神经元网络的研究在７０年代处于低潮。在人工神经元网络的研究被冷落了１０年之后的１９８２年，美国物理学家Ｈｏｐｆｉｅｌｄ教授发表的一篇突破性的学术论文，他提出了一种新的神经网络模型（后来人们称他为Ｈｏｐｆｉｅｌｄ神经网络），在各种应用中取得了很好的效果。Ｈｏｐｆｉｅｌｄ神经网络的出现为神经计算机的研制奠定了基础，并开创了神经网络用于联想记忆和优化计算机的新途径。同时也使被冷落１０年之久的对人工神经元网络的研究复兴起来了。近几年来，神经元网络理论的研究与实现引起了美国、同本、中国及西欧很多国家的科学家、研究机构和企业界的普遍关注。可以说，目前对人工神经元网络的研究在世界范围内出现了更高的热潮。可以预言，２１世纪神经元网络理论将会有更大的发展，它的应用将推动科学技术的大步前进【ｌ５１。大连理Ｔ大学硕十学位论文３．１．２神经网络的基本原理人工神经元网络结构和工作机理基本上是以人脑的组织结构（大脑神经元网络）和活动规律为背景的，它反映了人脑的某些基本特征，但并不是要对人脑部分的真实再现，可以说人工神经元是生物神经元的某种模拟与抽象。参照生物神经网络发展起来的人工神经元网络现在已有许多种类型，但它们中的基本单元——神经元的结构是基本相同的０４］【１５】ｏ（１）神经元的基本模型结构图３．１是一种典型的人工神经元模型，它是模拟生物神经元的细胞体、树突、轴突、突触等主要部分而构成的。Ｘ．●●●●ｘ。＼辽≤／．／３爪％图３．１人工神经元模型Ｆｉｇ．３．１‘、＼＼轴突～，１５Ｍａｎｐｏｗｅｒｅｄｎｅｕｒｏｎｃｅｌｌｍｏｄｅｌ人工神经元相当于一个多输入单输出的非线性阈值器件。这罩的墨，置，…，Ｘ。表示１１个输入；Ⅵ，％，…，ｗ。表示与它相连的１１个突触的连接强度，其值称为权值；罗Ｗ，Ｘ，称为激活值，表示这个人工神经元的输入总和，对应于生物神经元细胞的膜电位；Ｏ表示这个人工神经元的输出；秒表示这个人工神经元的阈值。如果输入信号的加权和超过秒，则人工神经元被激活。这样，人工神经元的输出可描述为Ｄ＝１＜５：Ｗ，Ｘ，一秒）简化起见，也可将神经元画成图３．２所示的形式。（３．１）式中，厂（．）是表示神经元输入一输出关系的函数，成为激活函数或输出函数。为了永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计以后如不加说明，本文中提到的神经元是指人工神经元，神经网络即是指人工神经元网络。其中Ｗ＝［Ｗ１，Ｗ：…％ｒ，Ｘ＝【五，Ｘ２…以】７’，Ｗ是权矢量，Ｘ是输入矢量；ｆ（ｗ７’Ｘ）为激活函数。设ｎｅｔ＝Ｗ７１Ｘ是权与输入的矢量积（标量），相当于生物神经元由外加刺激引进的膜内电位的变化。这样激活函数可写成：厂＝（ｎｅｔ）。这里为了表达简单没有写出阈值秒。通常我们假设神经元有１１—１个突触连接，实际输入变量为五，五，…，Ｘ川。那么可设Ｘ。＝一１，Ｗ＝，这样就加入了阈值这个量。ｎ０ＸＩＸ２●●●Ｘ疗图３．２神经元模型Ｆｉｇ．３．２Ｎｅｕｒｏｎｃｅｌｌｍｏｄｅｌ阈值９一般不是一个常数，它是随着的兴奋程度而变化的。因细胞在每次放电之后都需要一定的时间恢复，也就是说神经元的兴奋存在不应期，即相邻二次兴奋之间需要的时间间隔（大约Ｏ．５－．－２．０ｍｓ），在此期间阈值会升高，即绝对不应期内阈值上升为无穷大。激活函数有许多种类型，其中比较常用的激活函数可归结为三种形式：简单线性函数、阈值函数和Ｓ型函数。综上所述，神经元具有以下特点：①神经元是多输入单数出元件；②它具有非线性的输入、输出特性；③它具有可塑性，其塑性变化的部分主要是权值（ｗ．）的变化，这相当于生物神经元的突触部分的变化；④神经元的输出响应是各个输入值的综合作用的结果；人连理工大学硕十学位论文⑤输入分为兴奋型（正值）和抑郁（负值）两种。将上面介绍的人工神经元通过一定的结构组织起来，就构成了人工神经元网络。就目前已有的典型神经元网络模型而言，尽管已忽略去了很多生物神经元网络的细节，但它们还是充分保留了脑神经网络系统的基本结构，部分地反映了生物神经系统工作的内在机理。神经网络的类型多种多样，从不同的角度对生物神经系统进行不同层次的抽象和模拟，当神经元的模型确定以后，神经网络的特性主要取决于网络的拓扑结构及学习方法。神经网络分类的方法很多，从神经网络的拓扑结构和学习算法结合来进行分类，主要有前向网络、反馈网络、随机神经网络和竞争神经网络。关于各种类型神经网络的特点本文不做详细的说明．（２）神经元的学习规则神经元网络最大的特点就是它有学习的能力，在学习过程中，主要是网络的连接权的值产生了相应的变化，学习到的内容也是记忆在连接权之中。简单地讲神经元学习的过程就是修正权值的过程，所以，按照什么规则来修正就显得十分重要，这种权值修正中遵循的规则就称为神经元的学习规则。学习规则可分为有监督学习和无监督学习两类。有监督学习是通过外部教师信号进行学习，即要求同时给出输入和正确的输出期望输出的模式对，当计算结果有与期望输出有误差时，网络将通过自动调节机制调节相应的连接强度，使之向误差减小的方向改变，经过多次学习，最后与正确的结果相符合。无监督学习则没有外部的教师信号，其学习表现为自适应于输入空间的检测规则，其学习过程为对系统提供动态输入信号，使各个单元以某种方式竞争，获胜的神经元本身或相邻域得到增强，其他神经元则进一步被抑制，从而将信号空间分为有用的多个区域。学习规则的通式表达如下：Ｗ（七＋１）＝ｗｆ（七）＋识（尼）式中，ｔ（七）为随过程递减的信号，ｒ／＞０为学习速率。．常用的学习规则有三种：（３．２）①无监督Ｈｅｂｂ学习规则Ｈｅｂｂ学习是一种相关学习，它的基本思想是：如果有两个神经元同时兴奋，则它们之间的连接权值的增强与它们的激励的乘积成Ｊ下比。用Ｏ，表示单元ｉ的激励值（输出），Ｏ，表示单元，的激活值，Ｗ。，表示单元．，到单元ｆ的连接权值系数，则Ｈｅｂｂ学习规则可用下式表示：Ａｗｆ，（尼）＝７／０，（ｋ）ｏ，（七）（３．３）②有监督万学习规则或Ｗｉｄｏｗ．Ｈｏｆｆ学习规则永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计在Ｈｅｂｂ学习规则中引入教师信号，将上式（３．２）中的Ｏ。换成网络期望目标输出ｄ，与实际输出Ｏ。之差，即为有监督万学习规则。Ａｗｏ（尼）＝ｒｉ［ｄ，（七）一０，（七）】Ｄ，（ｋ）（３．４）上式表明，两神经元间的连接权值的变化量与教师信号Ｚ（七）和网络实际输出Ｄ，之差成正比。③有监督Ｈｅｂｂ学习规则将无监督Ｈｅｂｂ学习规则和有监督万学习规则两者结合起来，组成有监督Ｈｅｂｂ学习规则，即：△Ｗ０（ｋ）＝ｒｌ［ｄｆ（七）－－０ｆ（Ｊｉ｝）】Ｄ，（ｋ）ｏ，（七）（３．５）这种学习规则使神经元通过关联搜索对未知的外界作出反应，即在教师信号Ｚ（Ｊｉ｝）一Ｏ，（后）的指导下，对环境信息进行相关学习和自组织，使相应的输出增强或削弱［１６】ｏ３．２单神经元自适应ＰＩＤ控制器的研究３．２．１传统ＰＩＤ控制器应用ＰＩＤ控制器的系统结构如图３．３所示，其中虚线框内为ＰＩＤ控制器。ＰＩＤ控制器的输出值甜（，）取决于系统给定值，（ｆ）和系统输出ｙ（ｔ）的偏差Ｐ（ｆ）、偏差的积分、偏差的微分的线性加权组合，即砸）＝Ｋｐ以卅寺扣＋％警】＝Ｋｐｅ∽＋ＫＩＩｏ（，）＋‰警系数；ＫＤ＝ＫＰ・ｒＤ为微分系数。（３－６）式中：瓦为积分时间常数；％为微分时间常数：ＫＰ为比例系数；Ｋ。＝ＫＰ／ｒｌ为积分将这种模拟ＰＩＤ的表达式离散化为：上ｕ（ｋ）＝ＫＰＰ（七）＋ＫＩ芝．Ｐ（／）＋ＫＤ［Ｐ（七）－ｅ（ｋ－１）】ｊ＝Ｏ（３．７）其增量式表达式为：Ａｕ（ｋ）＝Ｋｌ，ｅ（ｋ）＋ＫＩｅ（ｋ）＋ＫＤ［Ａｅ（ｋ）一Ａｅ（ｋ—１）】（３．８）式中，ｋ是采样序号，ｋ＝Ｏ，１，２，…：ｕ（ｋ）表示第ｋ次采样时刻的计算机输出值；大连理工大学硕＋学位论文ｅ（ｋ）表示第ｋ次采样时刻输入的偏差值；ｅ（ｋ—１）表示第（七一１）次采样时刻输入的偏差值；积分系数ＫＩ－ＫＰＴ／ｒ，；微分系数ＫＤ＝ＫＰｒＤ／ｒ；Ｔ为采样周期；Ａｅ（ｋ）＝ｅ（ｋ）－ｅ（ｋ－１）。广一一一一一一一■一１图３．３Ｆｉｇ．３．３ＰＩＤ控制系统结构图ＢｌｏｃｋＤｉａｇｒａｍｏｆＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ在ＰＩＤ控制器中，误差、误差的积分与微分，分别代表了系统输出的当前、过去和未来三个状态。简单的说ＰＩＤ控制器各校正环节的作用如下：（１）比例部分比例环节产生与偏差成正比的输出信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以消除偏差。（２）积分部分积分部分产生与偏差信号的积分值成正比的信号，以消除系统的静态误差，提高系统的无差度；积分作用的强弱取决于积分时间常数正，正越大，积分作用越弱，反之则越强。（３）微分部分微分部分能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的响应速度，即缩短过渡过程时间，减小超调。因此，ＰＩＤ控制器的设计关键问题就是如何选择比例、积分和微分常数，而这些参数的整定的困难使ＰＩＤ控制器的应用受到了限制。３．２．２自适应控制永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计自适应控制也足一种反馈控制，但它不是一般的系统状态反馈或系统输出反馈，而是一种比较复杂的反馈控制。自适应控制有很多种定义，不同学者根据自己的观点给出了各种定义【２’４、８】。简单的说自适应控制系统就是一个具有一定适应能力的系统，它能够认识系统环境条件的变化，并自动校正控制动作，从而使系统达到最优或次优的控制效果。自适应控制系统可通过结构图３．４来说明。砸）图３．４自适应控制系统框图Ｆｉｇ．３．４ＢｌｏｃｋＤｉａｇｒａｍｏｆａｄｊｕｓｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ系统的工作过程为：系统在运行过程中，根据参考输入ｒ（ｆ）、控制输入ｙ（ｆ）、对象输出材（ｆ）和已知外部干扰来量测对象性能指标，从而认识和掌握系统当前的性能指标或者产生一个辅助的控制输入量，累加到系统上，以保证系统跟踪给定的性能指标，是系统处于最优或者次优的工作状态。判断一个系统是否是自适应的标志是看它是否包含性能指标控制环口刭。在小节３．１．２中已经给出了单神经元的基本模型图，在本小节令单神经元的输入个３．２．３单神经元自适应ＰＩＤ控制器的设计数为３，并将这种三输入单神经元作为控制器应用到控制系统中，结构如图３．４所示：人连理工大学硕士学位论文图３．５基于单神经元控制器的系统结构图Ｆｉｇ．３．５ＢｌｏｃｋＤｉａｇｒａｍｏｆｓｙｓｔｅｍｏｎｔｈｅｎｅｒｖｅｃｅｌｌｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ令单神经元的激活函数．厂（．）为简单线性函数，即单神经元的比例系数Ｋ，且Ｋ＞０；下面讨论作为控制器的单神经元在这个系统中的输入和输出关系。如图３．５所示，ｙ（ｋ）为控制系统转速输出，Ｙ，（七）为给定转速参考值，嵋（ｋ）、ｗ２（ｋ）、ｗ３（ｋ）分别为单神经元的突触权值，ｕ（ｋ）为单神经元控制器输出的控制量，ｘ。（七）、Ｘ２（七）、ｘ，（七）分别为单神经元的三个输入量，若定义：ｆＸｌ（后）＝Ｙ，（尼）一ｙ（ｋ）＝ｅ（ｋ）｛ｘ２（尼）＝Ａｅ（ｋ）＝Ｐ（七）一Ｐ（七一１）Ｉｘ３（尼）＝Ｐ（后）一２ｅ（ｋ一１）＋ｅ（ｋ一２）则单神经元控制器的输出为：３（３．９）甜（七）＝ｕ（ｋ一１）＋Ｋ∑嵋（七）ｘ，（尼）ｉｌ。（３．１０）则控制器的离散增量表达式为：土雠）２攀眠∞（３．１１）＝Ｋ：叫（甸％（幼＋Ｋ：心（幼陋（幼一ｅ（ｋ－１）］＋Ｋｗ３（ｋ）［ｅ（ｋ）－２ｅ（ｋ－１）＋ｅ（ｋ一２）］比较式（３．１１）与式（３．８）就可以很明显地得出每一次采样间隔内，单神经元控制器的输出增量与传统ＰＩＤ控制器的输出增量具有相似的表达式的结论。根据系数对应原则，当令两增量表达式的各项系数分别相等时，即Ｋ．ｗ：（七）＝Ｋ。（比例系数），Ｋ・Ｗｌ（后）＝ＫＩ（积分系数），Ｋ－ｗ３（七）＝ＫＤ（微分系数）时，此单神经元控制器就可以完全等效成ＰＩＤ控制器。通过神经元控制器权值的修正就可以调整ＰＩＤ控制器中的三个系数，既实现ＰＩＤ控制器系数能够自整定的想法。永磁同步电机伺服控制系统的研究与设计下面介绍一下当单神经元采用有监督Ｈｅｂｂ学习算法时，权值是如何修正的；即单神经元自适应ＰＩＤ控制器的三个系数是如何实现自调整的。由小节３．１．２可知Ｈｅｂｂ学习算法表达式为：１ｗ（ｋ＋１）＝（１一ｃ）ｗ，（Ｊ｜｝）＋ｆｌｕ，（七）ＩＵ，（七）＝ｅ（ｋ）ｕ（ｋ）ｘｆ（尼）则每次采样权值的改变表达式为：Ａｗｓ（ｋ）＝嵋（后＋１）一Ｗ，（七）＝一ｃ【嵋（尼）－ｑ－Ｌｅ（ｋ）ｕ（ｋ）ｘ，（Ｊ｜｝）】Ｃ（３．１２）为了保证上式的收敛性，将上述学习算法进行规范化处理如下：“（七）＝ｕ（ｋ－ｏ＋ｒ∑ｗ（七）ｘ，（后）ｗ（七）＝ｗ（后）／∑ｌＫ，（七）Ｊ，Ｊ；１（３．１３）ｗ（后＋１）＝Ｗｉ（后）＋班（七）“（后）ｘ，（七），ｉ＝１，２，３式中，对于不同的权值学习速率采用不同的值，不同的取值在遵循总的选取规则下最终由仿真确定【１８＿２１１。单神经元可调参数的选取规则如下：（１）初始加权系数Ⅵ（Ｏ）、％（Ｏ）、嵋（Ｏ）的选择：可以任意选取；（２）艚的选择：不能太大也不能太小，可先确定一个增益，再根据仿真和实控结果进行调整；（３）学习速率刁Ｐ、ｒ／Ｉ、ｒ／Ｄ的选择：由于采用了规范化的学习算法，学习速率可取得较大。大连理Ｔ大学硕士学位论文４控制系统硬件实现控制系统硬件设计的任务主要是合理选择系统结构，确定各部分相互关系，为各子系统选择合理的实现方法，完成硬件各部分的电路设计。本章在永磁同步电机数学模型的基础上，以ＴＩ公司的电机控制专用数字处理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ为核心单元设计伺服控制器的硬件系统，永磁同步电机伺服控制系统的结构框图如图４．１所示：ｉ………一…………一……………………～…………………ｊ｝主功率电路板控制电路板；：一……～一……．……………．……．…………一…………一…．．．．……一…．…．ｉ一图４．１永磁同步电机伺服控制系统结构框图Ｆｉｇ．４．１ＢｌｏｃｋＤｉａｇｒａｍｏｆｓｙｓｔｅｍ整个系统主要由基于ＤＳＰ