（控制理论与控制工程专业论文）永磁同步电机伺服系统控制策略研究.pdf

a b s t r a c t s e r v o s y s t e 田 s a r e e v e r - i n c r e a s i n g l yu t i l i z e d i n m a n y f i e l d s , i n c l u d i n g i n d u s t r i a l c o n t r o l l e r s a n d h o u s e h o l d a p p l i a n c e s . m e a n w h i l e , h i g h e r c o n t r o l p e r f o r m a n c e o f s e r v o p r o d u c t s w i t h l o w e r c o s t i s a l s o a s u b j e c t o f g r e a t i n t e r e s t w o r l d w i d e l y . d i g i t a l c o n t r o l l e d a c s e r v o s y s t e m , u s i n g p m s m a s p o w e r c o n v e r t e r , c o n t r o l l e d b y d s p w i t h a d v a n c e d c o n t r o l s t r a t e g i e s , i s a t r e n d . w i t h t h e t h e o r y a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f p m s m v e c t o r c o n t r o l a n a l y z e d , a n d t h e f o c s t r a t e g y e m p l o y i n g几 = 0 c h o s e n , t h e c o n t r o l s c h e m e o f p m s m s e r v o s y s t e m b y s v p w m i s e s t a b l i s h e d w i t h t h r e e - c l o s e - l o o p r e g u l a t o r s . t h e s i m u l a t i o n m o d e l i s b u i l t i n m a t l a b / s i m u l i n k , a n d t h e r e s u l t o f p i c o n t r o l l e r v a l i d a t e s t h e c o n t r o l s t r a t e g i e s . a f t e r a n a l y z i n g t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l o f p m s m , t h i s p a p e r p r e s e n t s a n a d a p t i v e f u z z y s l i d i n g m o d e c o n t r o l l e r f o r p m s m s e r v o s y s t e m s n o n l i n e a r i t y a n d u n c e r t a i n t y . t h e v a l i d i t y a n d f e a s i b i l i t i e s o f t h i s m e t h o d a r e p r o v e d b y s i m u l a t i o n r e s u l t s . t h e c o m p a r i s o n o f p i c o n t r o l l e r a n d a d a p t i v e f u z z y s l i d i n g c o n t r o l l e r i n d i c a t e s t h a t t h e a d a p t i v e f u z z y s l i d i n g c o n t r o l l e r h a s b e t t e r s t a b i l i t y f o r p a r a m e t r i c v a r i a t i o n s a n d l o a d d i s t u r b a n c e . w h e n t h e a d a p t i v e c o n t r o l i s d e p r e s s e d , t h e r o b u s t n e s s a g a i n s t l o a d d i s t u r b a n c e i s w o r s e . t h a t v e r i f i e s t h e i m p o r t a n c e o f a d a p t i v e c o n t r o l a g a i n s t l o a d d i s t u r b a n c e . t h e s e r v o s y s t e m f r e e s c al e ds p5 6 f 83 5 7 s e x p e r i m e n t p l a t f o r m i s b a s e d o n t h e h a r d w a r e o f a n d t h e s o f t w a r e d e s i g n i s a c c o m p l i s h e d i n c o d e w a r r i o r i n t e g r a t e d d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t . t h e r e s u l t s f r o m p c m a s t e r v e r i f y t h e v a l i d i t y a n d p r a c t i c a l i t y o f t h e i n v e s t i g a t i o n k e y w o r d s : p m s m , s e r v o c o n t r o l , s l i d i n g c o n t r o l , f u z z y c o n t r o l , a d a p t i v e c o n t r o l ii 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。 据我所 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 为 获 得 /r g色或 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了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名: 签字日期 :年月日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解. r f m大全 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 ， 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 逝丝左笔可 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) 学位论文作者签名: 导师签名 : 签字 日期:年月日 签字 日期 :年月日 学位论文作 者毕业后去向 : 工作单位: 通讯地址: 电话; 邮编: 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 第一章绪 论 本章主要阐述了 课题的 背景和意义， 4 7 服系 统的 发展和应用，以 及永磁同 步电 机 伺服拉制系统的组成、 性能指标以及拉制策略等，并回顾了几种智能控制方法的应用， 分析了 各自 的 优缺点. 1 . 1课题背景 和意义 随 着科学技术的日 益发展， 特别是电 力电子技术、电 机制造技术以 及微处理技术 的 进步， 伺服驱动技术越发广泛地应用于工业、 农业、军事领域，如 机器人 控制、 数 控机床、 大规 模集成电 路制造、 办公自 动化、 柔性制造系统f m s 、 雷达与各种军用武器 跟随系统等。而人们对伺服控制产品的性能、功能等要求也越来越高。一场针对伺服 控制的 新技术 革命逐渐在全球范围内 展开w . 在此社会背景下， 研究与 开发高品质的交 流伺服控制系统，具有极其重要的现实意义和实用价值。 直流伺服系统控制简单，调速范围宽，稳定性高，但是直流伺服系统也有难以克 服的缺点，如 直流电 动机转子绕组的 发热大， 采用机械换向 会产生电 火花， 难以工作 在易燃、易爆的工作场合，结构复杂，制造困难，成本高等。而现代高性能的交流调 速系统的 动态 性能己 完全 可以达到甚至 超过直流电 机， 现代伺服驱动控制朝着交流伺 服电 机 驱动控制的方向发展成为一种必 然的 趋势12 近年来，随 着材料技术的不断发展， 永磁材料性能 的不断提高，以 及永磁电 机控 制技术的不断成熟，永磁电机在电动汽车、数控机床、工业机器人、家用空调、音响 设备、 航空设备等众多场合获得了广泛 应用。我国是 稀土资 源大国， 永磁材料资源丰 富， 这为永 磁同 步电 机p m s m ( p 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 s ) 的制 造打下t良 好的 基础，但是国内交流伺服系统起步于 九十年代， 相对国 外的发 展要落后， 而伺服 控制技术是决定交流伺服系统性能好坏的关 键技术之一。随 着国内 交流伺服用电 机等 硬件技术逐步成熟，以软形式存在于控制芯片中的伺服控制技术成为制约我国高性能 交流伺服技术 及产品 发展的 瓶颈。 研究具有自 主知识 产权的 高性能交流伺服控制技术， 尤其是最具 应用前景的永磁同 步电 动机伺 服控制技术， 是非常必要的w 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 . 2伺服系统介绍 l . 2 . 伺服系统组成 2 2 4 伺服系统( s e r v o s y s t e m ) 亦称随动系统，属于自动控制系统中的一种。它用来控 制被控对象的转角( 或位移) ，使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规 律。 它 通常是具有负反 馈的闭 环控制系统， 有的 场合也可以 用开 环控制 来实现其功能。 伺 服控制 系统一 般包括控制器、 控制对象、 执行环节、检测环节等几部分， 其系 统结构如图1 - 1 所示。 图1 - 1 伺服控制系统结构图 在实际 应用中， 一般以 机械位置或角度作为 控制 对象的自 动控制系统， 例如数 控 机床、机器人以及缝纫机等。而控制器一般采用微控制器或数字信号处理器d s p ( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ) 来实现。 使用在伺服系统中的执行元件是控制系统最基本的组成部分。执行元件受放大后 的信号驱动，直接带 动控制 对象完成控制 任务。常 用的 执行元件包括电 动机、 液压马 达和气动马达。其中 应用最广的 是电 动机， 这类专用的电 机称为伺服电 机， 要求具 有 响应速度快、定位准 确、 转动惯量较大等 特点。 其基 本工作原理和普通的交 直流电 机 没有什么不同。该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为伺服，一般 其内部包括电流、速度和/ 或位置闭环。 检测元件 是伺服系 统的 重要组成部 件， 选择是否 合理直接关系到 系统的静态及动 态特性。目 前常用的 位置 传感器主要有高 分辨率的旋转 变压器和光电 编码器等，而电 流传感器一般为霍尔电流 传感器， 它是利用霍尔效应制 成的 检测电 流及功率的 装置， 能够测量 各种波形的 交直流电 流及功率， 且输出电 位是隔离的e 浙江大学 硕士学位论文第一章 绪论 1 . 2 . 2伺服系统发展与 应用 伺服系统是自 动控制系统中的一 种。 它是伴随电的 应用而 发展起来的， 最早出 现 于 2 0 世纪初。 伺服系统控制技术的 发展， 一方面是生产需求的激 励， 尤其 是军事需 求; 另一 方面 也与控制器件、 执行机构和功率驱 动装置的发展息息 相关。1 9 3 4 年第一次 提 出了 伺服机构 ( s e r v o m e c h a n i s m ) 这个词，1 9 4 4 年第一个伺服系统诞生， 第二次世界 大战 期间 对伺服系统提出7 大功率、高精 度、 快速响应等一系列高 性能 要求， 2 0 世纪 5 。 至 6 0 年代电 液伺服发展日 趋完善，同时 无刷电 机和直 流电机实 现了 产品 化， 并在计 算机 外围 设备和机械设备上获得了 广泛的 应用， 7 0 年代是直流伺 服电 机的 应用最为 广 泛的时 代。自 2 0 世纪8 0 年代以 来，随着 现代电机 技术、 现代电力电子技 术、 微电子 技 术、控制技术及计算机技术等支撑技术的快速发展，交流伺服控制技术的发展得以极 大的 迈进， 使得先前困 扰着交流伺服系统的电机 控制复杂、调速性能差 等问 题取得了 突破性的 进展。 到了 9 0 年代， 交流伺服系统己经 在许多场合取代了直流 伺服系 统， 某 些性能甚至超过了直流伺服系统。从伺服驱动产品当前的应用来看，直流伺服产品正 逐渐减少， 交流伺服产品 则日 渐增加，市 场占有率逐步扩大。在实际应 用中，精度更 高、 速度更快、使用更方 便的 交流伺服产品已 经成为主 流产品 【 1 2 ) 7 ) 4 ) 现代伺服控制技术及 其系 统的 特征可以 概括 为图 : ( 1 ) 全控电力电子器件组成的p w m 技术在伺服功率驱动中得到广泛应用。 ( 2 ) 微处理器特别是d s p 在伺服系统中的普遍应用， 使得现代控制理论逐渐实现 工程实用化。 ( 3 ) 各种伺服控制元 件向 着集成化、数字 化、功能 化、 模块化、智能化以 及用 计算机控制的方向发展。 ( 4 ) 伺服系统的可靠性设计 及其自 诊断技术伴随着系 统功能、 性能以及复杂 化 程度的升级引起人们的 普遍重视。 伺服系 统技术的日 趋成熟，使 得其应用 几乎 遍及社 会的 各个领域。伺服系统在 机 械制造行 业中 的应用最为广 泛， 各种机床运动部分的速 度控制、 运动控制轨迹、 位置 控制等都是依靠各种伺服系统完成的。它们可以完成的运动控制精度高、速度快，远 非一般人工 操作所能达到。 此外， 伺服系统还 用于冶金 工业中的电 弧炼钢炉、 粉末冶 浙江大学硕士学位论文第一章 绪论 金炉等的电 极位置控制， 运输行业中电 气 机车的自 动调速、 高层建筑中电 梯的 升降控 制、飞机的自 动驾驶等。 在军事上，伺服系统的 应用更加 普遍， 雷达天线的自 动瞄准 跟踪控制、高射炮、 战术导 弹发射架的瞄准 运动控制，鱼 雷的自 动控制等等l “ 。 伺服系统的应用越来越广泛，大至控制1 0 。 。 k g 级的巨型雷达天线，可及时准确地 跟踪人造卫星的发射，小至用音圈电机来控制电视放像机的激光头，涉及国防、工业 生 产、 交 通 运 输 及 家 庭 生 活 ， 而 且 必 将 发 展 应 用到 更 新 的 领 域7j 。 随着交流伺服控制的 应用越来越广，用 户对伺 服驱动技 术的 要求也越来越高， 而 交流伺服控制的发展，是与电机运行理论、电力电子技术、自 动控制理论和微机控制 技术等相关技术的进步密切 相关的.目 前其发展方向 主要表 现在以 下方面8 : 1 .交流化 交流伺服系统克服了直流伺服系统存在电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺 点，其优越性日益凸现，交流伺服系统在工厂自动化 ( fa)等各个领域得到了广泛的 应用。因此可以预见， 伺服控制技术将继续迅速地由 直流伺服系统转向交流伺服系统。 2 .全数字化 采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机 (ds p) 的伺服控制单元将全面代替 以 模拟电子器 件为主的伺服 控制单元， 从而实现完全数字化的伺 服系统。全数字化的 实 现， 将原有的硬件伺服控 制变成了 软件伺服控制， 从而使在 伺服系统中应用现代控 制理论的先进算法 ( 如最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等)成为可能。 全数字伺服系统一般采用位 置控制、 速度控制和电 流控制的三 环结构。系统硬件大 致 由以 下几部分组成: 电源单 元， 功率 逆变和保护单元， 检测器单元， 数字控制器单元， 接口单元。 3 .采用新型电 力电 子半导 体器件 目 前，伺 服控制系统的 输出 器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体 器件， 主要有大功率晶体管( g t r)、 功率 场效应管 ( 朋s f e t)和绝缘门 极晶体管( i g b t) 等。 这些先进器件的应用显 著地降 低了 伺服单元输出 回路的功耗， 提高了系统的响应 速度，降低了运行噪声。最新型的伺服控制系统已经开始使用一种把控制电路功能和 大功率电 子开关器件集成在一起的 新型模块，称为智能 控制功率 模块 i ntell i g ent po we r mo du le s ， 简 称 ip m)。 这 种 器 件 将 输入 隔 离、 能 耗 制 动、 过 温、 过 压、 过 流 保 护 浙江大学硕士学位论文第一章 绪论 及故障 诊断等功能 全部集成于一个不大的 模块 之中。 其输入 逻辑电 平与 t t l 信号完全兼 容，与 微处理 器的 输出可以 直接接口。 它的 应用显著地简化了 伺服单元的设计，并实 现了 伺服系统的小型 化和微型化( 9 4 .高 度集成 化 新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模 块的做 法，代 之以 单一的、 高度集成化、 多功能的控制单元。同一个控制单元，只要 通过软件设置系 统参数， 就可以改 变其性能， 既可以 使用电 机本身配置的传感器构成 半闭环调节系 统， 又可以 通过接口与 外部的 位置或速度或力矩传感器构成高精度的全 闭环调节系统。高度的集成化还显著地缩小了整个控制系统的体积，使得伺服系统的 安装与调试工作都得到了简化。 5 .智能化 传统控制 器的 设计通常要求被控对象有非常精确的 数学模型， 而交流电 机是一 个 非线性、多变量系统， 难以 确定其 精确的 数学模型， 按照近似模型得到的 最优控制在 实际中易受建模动态、非线性及其他一些不可预见参数变化的影响。智能控制无需对 象的精确数学 模型并 具有较强的鲁 棒性，随着 d s p技术的 不断 发展， 智能 控制技术如 模糊控制、人工 神经 元网 络控制、专家系 统等 先进控制方法不断应用到交流伺服系统 的研究中。 对于使用伺服单元的用户来说， 这是 新型伺服系统最具吸引力的 特点 之一。 综上所述，伺服系统将向两个方向发展。一个是满足一般工业应用要求，对性能 指标要求不高的 应用 场合， 追求低成本、少维护、 使用简单等 特点的 驱动产品， 如变 频电 机、变频器等。 另一个就是代表着伺服系统 发展 水平的主导 产品 一伺服电 机、 伺 服控制器，追求高性能、高 速度、 数字化、智能 型、网 络化的 驱动控制，以 满足用户 较高的应用要求。 3永磁同 步电 机伺服系统 1 . 3 . 1系统组成 伺服系统最常用的执行元件为电动机，按照电动机的类型通常可分为直流伺服系 统和交流伺服系统，而交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大 浙江大学硕士学位论文第一章 绪论 实现交流电 机调速的同时，为维持电 机磁路工 作点按要求变化， 必须同时按 一定规律 调 节电 机 端电 压 。 在 基 频 以 下 ， 为 了 维 持 气隙 磁 通 不 变 ， 定 子 端电 压u ， 与 定 子 供电 频 率石 始终 保 持 协 调 控 制， 二 者 之比 为 恒 定 值， 称 为 恒 压 频比 控 制 。 在 基 频 以 下 时 应 提 高电 压以 补 偿 定 子 压 降 ; 在 基 频以 上 时 ， 当 频 率 从 额 定 频 率厂 、 往上 升 高 时 ， 电 压u ， 只 能 维 持 在 额 定电 压 “ ， ， 迫 使 磁 通 与 频 率 成 反比 地降 低， 实 现 弱 磁 控 制 。 该 控 制 方 式 简 单，控制系统价格低廉，但仅是在转矩平均值概念上的控制，无法实现转矩的瞬时值 ( 动态转矩)的控制，因此控制性能较差。 ( 2 ) 矢量控制l 矢量控制即磁 场定向 控制f oc( f i eld ori en t ed control)，即 把磁场矢量的方向 作 为坐标轴的 基准方向 ，然后在此坐标系下去研究电 机的电 气方程和动力学方程，实 现 对电机转矩的动态控制，以达到高的运行性能。矢量控制是通过控制定子电流矢量来 间接控制电磁转矩，这种方式实现的关键在于能否获得精确的转子位置，故对位置传 感器的 要求较高。 ( 3 ) 直接转 矩控制t ， f， 6 1 幻 直接转矩控制dtc(di r ec七t orq ue control) 主要思想是通过选择合适的空间电 压矢量，控制定子磁链的运动，以迅速改变功角，实现对转矩的直接控制。与经典的 矢量 控制 相比 较， d tc避免了复杂的 旋转坐标变换， 在静 止坐标系中 对电 机的 转矩和磁 链进行直 接控制。目 前d tc面临的 主要问 题是 转子初始位置检测、 适合d tc无传感器运 行的速度估算算法等。 1 . 3 . 4智能控 制方法 现代伺服控制系 统越来越复杂，比 如具有不确定性系统模型的伺 服控制 系统， 具 有高度非线性控制 对象的伺 服控制 系统， 具有复 杂任务如智能机器人系统的 伺服控制 系统， 借助于数学模型描述和分析的传统控制理论己经难以解决这类系统的控制问题。 针对这些问 题，智能 控制在 伺服控 制系统中的 优越性逐渐受到了 人们的 重视。目 前在 伺服系统中常用的智能 控制 方法有模糊控制、 神经网 络控制、 最优控制、 滑模变结构 控制、自适应控制以及复合控制等等。 浙 江大学 硕士学位论文第一章 绪论 1) 模糊控制叫 模糊控制 是以模糊集合论、 模糊语言变量及模糊逻辑推理为 基础的一 种计算机数 字控制。自从1 9 6 5 年控制理论专家z adeh教授创建模糊集理论和1 9 7 4 年英国的e. h . m a m d ani 成功地将模糊控制应用于 锅炉和蒸汽 机控制以 来， 模糊控制得以 广泛发展并 在工业生 产中 得到成功应用。模糊 控制是一种非线性控制。模糊逻 辑本身提供t由 专 家构造语言信息并将其转化为控制 策略的 一种系统的 推理方法，因而能 够解决许多无 法建立精确数学模型的复杂系统的控制问题，是处理控制系统中不确定性和不精确性 的一 种有效方法。模糊控制的突出 特点是: 不需 要建立被控对象的精确数学模型: 系统 的鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞后问题;以语言变量 代替常规的数学变量:推理过程 模仿人的 思维过程， 借鉴专家的知识、 经验，能够处 理复杂的控制问题。 ( 2) 神经网 络控制侧 神经网络是指用工程技术手段模拟人脑神经的结构和功能的一种信息处理系统。 神经网 络的研究从四 十年代初开始， 八十年代神经网 络理论取得了突破性进展，成为 智能控制的一个重要分支。 神经网 络模型用于模拟人脑神经元活动过程，包括信息的 加工、处理，存储等。神经网络模型分布式存储信息，容错能力强;每个神经元存储 多种信息的部分内容，部分神经元的损坏和信息破坏只导致网络的部分功能减弱。自 学习 和自 组织能力强，能进行在线或( 和) 离线学习。 对信息的 处理及推理的 过程具有 并行的 特点。能遥近任意非线性函数，适 合于处 理难于 用模型或规则描述的 系统。 总 而言 之，神经网络是以 对信息的分布式储 存和并 行处 理为基础，具有自 组织、自 学习 的 功能， 具有模拟人的 形象思维的能力，反 映了 人脑功能的 若干基本特性。 ( 3) 滑模变结 构控制臼 0 滑模变结构控制方 法s mc ( s l i d i n g 枷d e cont rol) 是根据系统当 前的 状态， 有目 的 地不断变化控制量， 通过切换 控制 量使系统按照预 定 “ 滑 动模态” 的 状态轨迹运动， 从而使系统在受到参数摄动和外界千 扰时 具有不 变性。由于 滑动模态可以 进行设计且 与对象参数及扰动无关， 使得滑模变结构 控制具 有快 速响 应、 对参数变化及扰动不灵 敏、 无须系统自 动辨识等优点， 缺点是当 状态轨 迹到达 滑模面 后，难以 严格地沿着滑 模面向 着平衡点滑动，而是在滑模面两侧 来回穿 越，从 而产生颤动。 这种方法出 现于 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 2 0 世纪 5 0 年代， 经过5 0 多年的发展，己 在现代实际工 程应用中 得到推 广应用， 如电 机 与电 力系统控制、 机器人控制、 飞机控制等。 ( 4 ) 自 适应 控制。 幻 自 适应控制 是一种基于数学模型的 控制方法，它所依据的关于 模型和 扰动的先 验 知识比 较少， 而是在系统的运行过程中 不断提取 有关模型的 信息，使 模型逐步完善。 具体地说，可以 依据对象的输入输出 数据， 不断地辨识 模型参数， 这个过程 称为系 统 的在线 辩识。随 着生产过程的不断进行， 通过在线辩识， 模型会变得 越来越 接近于 实 际，基于这种模型综合出来的控制作用也随之不断的改进，因而控制系统具有一定的 适应能力。自 适应控制适合于那些对象特性或扰动特性变化范围很大，同时又要求经 常保持高性能指标的一类系统，缺点是 自 适应控制比常规反馈控制要复杂的多，成本 也高的多。 事实上， 各种控制策略既有其自 身优点，也 存在一些不足.因此，将各种控制 策 略相互渗透复合，克服单一控制策略的不足，提高整个系统的性能，以满足各种应用 场合的需要，己是当前的研究热点。 4本文主要研究内容和结构安排 在 对交流 伺服系统的研究 和分 析基础 上， 本文 对基于d s p 5 6 f 8 3 5 7 e v m 的 永磁同 步电 机伺服 控制系 统进行了 研究， 包括 永磁同 步电 机控制方式的分析、 模型的 建立、智能 控制方法的运 用、 系统的软 硬件平台、以 及仿真与试验结 果的分 析。 论文各章节安排 如下: ( 1 ) . 第一 章绪论， 主要阐述了 课题的 背景和 意义， 伺服系统的 发展和应用，以 及 永磁同步电 机伺服控制系 统的组 成、性能指 标以 及控制 策略等， 并回 顾了 几种智能控 制方法的 应用， 分析了各自 的 优缺点，最 后介绍了 本文主 要的 研究内 容。 ( 2 ) . 第 二 章 首 先 分 析 了 永 磁同 步 电 机 矢 量 控 制 的 原 理 和 特点 ， 选 取了 基于 i 二 。 的 转子磁场定向 控制方式， 确立了 基于空间矢量脉宽 调制 ( s v p w m ) 的三闭环伺服 控制 系 统实施方案，并 在m a t l a b / s i m u l i n k 中建 立了 永磁同 步电机伺 服控制 系统的 仿真模型， 最后分析了仿真结果。 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 (3) . 第三章在分析了永磁同步电机的数学模型后，针对伺服系统的非线性和不确 定性， 设计出 一种基于自 适应模糊算法的 滑模控制器， 并将此控制器用于永磁同步电 机伺 服系统的位置控制. 在 m atl ab/ s i m ulin k 仿 真环境下 建立模型， 进行了 一系列仿真 研究，并与pl控制的结果作了对比分析。 (4 ) . 第四章首先介绍了基于 d s p 5 6 f 8 3 5 7evm的整个永磁同步电 机伺服系统的软硬 件设计， 然后根据第二、 三章的 理论研究，在此试验平台上进行了 一系列实验，并用 p cm a ster观察了 实验结果， 对实验结果进行了 分析。 本文结尾则对全文工作做了 全面的总结和展望，指出了 今后有待继续深入研究的 一些问题。 浙 江大学 硕士学 位论文第二章 永磁同 步电 澡 叫空 制模型 及仿真 成矢量有6 种有效值及两个零值，如图2 一 5 ( 2)所示。 件髦碧 u 砚 咚2 .月 ; 九 . 群从 快 气叽ull 图 2 一 5 ( 1 )三相电压型逆变器的功率级示意图图2 一 5 ( 2) 开关状态和空间电压矢量图 图2 一 5 空间矢量脉宽 sv四m 调制技术原理 在图2 一 5 中， 6 个有效值把坐 标轴等分成6 个 扇区， a为 合成矢量与第一个分量的 夹 角， 可知00 “ 6 00。 s vpwm调制的基本原理就是把任意一个空间电压矢量分解为矢量 所在扇区相邻的 两个开关电 压矢量和零矢量，以 第一扇区为 例，由 平均值等 效原理 可 得: uo 兀 + u 6d 几“ u， 军(2 一 6) 且:兀 = 兀 + 毛 + 场( 2 一 7) 其 中 : to 为 u 口 的 作 用 时 间 ，踢为u 。 的 作 用 时间 ， u， 为 此 时 的 合 成矢 量，兀 为 开 关 时 间，几。 为 零矢量作 用时间。 由 平 行 四 边 形 的 合 成 可 得 此 时 。 ， 的 分 量 为 孕 、 ， 、 的 分 量 为 孕 u 。 ， 因 此 : 1 ， ， 几._ _ _二 u ， 一 赏 u “ 5 ，n ” 犷 气 一 艺 u ” 十 典 t anou 由图 2 一 5 可知6 个有效矢量值相 等， 假定最大 相电 压为1 ， 那么uo = u ， = 互 = 兰 ( 兀2扬厂。 ， ) 一- 几一兀 浙江大学硕士学位论文第二章 永磁同步电和 le 制模型及仿真 为 保 证 平 均 值 等 效 原 理 的 有 效 性 ， 应使t o+ t . 。 d = 劣 / j u = i g 那么， 简化后的 系统 最终模型为: o = f * b + g u + d 在 id = 。 控 制 方 式 下 ， 电 机的 控 制 量 为 渤 定 子电 流 ! q , ( 3 - 8 ) ( 3- 9) ( 3 -1 0) 因此式 ( 3 - 1 0 )中u 为 浙江大学硕士学位论文 第三 章 自 适应模糊滑 模控制器设 计及仿真 系统控制输入。 3 . 2位置伺服系统控制策略 从 式 3 - 6 可以 看 出 ， 永 磁 同 步 电 机的 状 态方 程 中 包 含 有 机械 角 速 度口 。 和 定 子 电 流 d - q .1油 分 量 i d . 1; 的 乘 积 ， 还存 在 电 流d - rf 油 分 量 d ; 之 间 的 乘 积 ， 故 该 数 学 模 型是一个多 变量、 非线性的状态方程。 永磁同 步电 机伺服系统通常 存在参 数时 变、 负载扰动以及交流电动机自身和被控对象的严重非线性、强祸合等不确定因素，单 纯 采用常规 p i 控制难以 满足位置 伺服系 统高 性能的要 求。 针对这种情况， 现 代智能 控制 技术 在永磁同步电 机伺服系 统上的 应用越来越 广。 ( d 滑模变结构 控制7 l 滑模变结构控制的 基本理论 和设计 方法是在 六七十年代奠定和发展起来的， 它 是一种高速切换的 反馈控制。 其基本思想是: 给定状态空间的 若干切换曲 面， 在每 个 切 换 面 的 不 同 侧 施以 不 同 的 控 制 规 律 ， 当 运 动 在 切 换 面 不 同 侧时 ， 系 统的 相 轨 迹 拓扑就不同， 如果 这样的控制能使得切换面或 其部分都是可能的相轨迹的终 止点， 就称该控制为 变结构控制。 滑模变结 构控制本质上是 一类特殊的 非线性控制， 其非 线性性 表现 为控制的不 连续性。 滑模变 结构控制 与其他 控制方 法的 不同 之处在于， 系统的结构并不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态 ( 比如偏差及 其各阶导数等) 有 目的地不断变化，迫使系统按照预定 “ 滑动模态”的状态轨迹运 动。 滑模变结 构控制的原 理如图 3 - 2 所示。 图 3 - 2 滑模变结构控制原理图 考 虑一 般的 二 阶 系 统， 在 状 态空 间 中 ， 有 一 个切 换面s ( x ) = s ( x jr, ) = 0 ， 此 切 浙江大学硕士学位论文第三章 自 适应模糊滑模控制器 设计及仿真 换面 把状态空间分成两部分5 0 以 及5 0 时，运动速度的方向 ( 矛 ) 必须向下;当运动点 在滑模面下方，即5 0 。 设估计 值为盆， 实际 值为k ， 则 7! k = 元 一 k . 定 义 l y a p u n o v 函 数 【491 v = 1 / 2 m s 2 + 1 / 2 m g l k *4 k 2 ( 3 - 2 0 ) 由 前 面 可 知g = p 竹/ j 0 , k o ， 因 而v o o 由 式 ( 3 - 1 0 )、 ( 3 - 1 4 ) 可知系统尚 未达到 稳定时的控制输入应为: u = l l g ( c e + r - s - f b - d ) ( 3 - 2 1 ) 那么， s = - g u + c e + r 一 f * e 一 d = - g u + 1 / g * g ( c e + r 一 f * o - d ) 代 入 式 ( 3 - 1 0 ) ， u 二 1 / 9 。 ( 十 r 一 f e 一 d ) ， 那 么， s = g ( u - u ) ( 3 - 2 2 ) 因此， v = s s 十 g l k + qm k 浙江大学硕士学位论文 第 三章 自 适应模糊滑模 拉制器 设计及仿真 = 研 (u 一 u ) + 9 / k 吧 朋无 = 塔 伪 一 u ) + 9 / 云 * ( 戈 一 尤 沂 又由式 ( 3 一 1 9) 可得， 才= 舌 1， 1( 3 一 2 3 ) 代 入 式( 3 一 1 7 ) ， u = u ， + k * 5 卿( 5 ) ， 那 么 ， 护 = 59 矿 一 u ， 一 k * slgu(s ) + 9 /k * 伏一 k ) 才 = 移 ( u 一 : ，x ) 一 k l s l g + (盆 一 k ) 1 5 1 9 = 59 和 一 、 ) + 无 15 1 9 一 2 k ls lg 因 为 本 文 采 用 模 糊 控 制 帐来 逼 近 理想 控制 输 入u ， 可 令 逼 近 误 差 为 咨 = 赵 户 一 u ， 那么， 护 = 59 杏 + 广 ; ! 9 一 2*k ， 19 = 9 ( 跨+ k 5 ! 一 2 . k 5 1 ) = 9 ( 5 歹 一 k 5 1 + k】 5 一 k】 5 ! ) = 9 跨一 k 5 + 1 5 ( k一 k) = 9 5 5 妙 ( 5 ) 百 一 k仍 若令: k之 5 妙( 5 ) 杏 祖k( 3 一 2 4 ) 其 中 ， 口 k = 元 一 k 为 估 计 误 差 ， 咨 = 、一 u 为 逼 近 误 差 。 那么， 5 妙( 5 ) 杏 一 k 祖k 0( 3 一 2 5 ) 因为9 0 ， 5 阵 0 ， 那么护 0 。 根据l yapunov 稳定性 判据第二法50) 知， 若系 统取值满足式 ( 3 一 2 4) ， 此时采用 式 ( 3 一 1 9 )的自 适应方 法时， 系统能 趋于渐进稳 定。 3 . 4自 适应模糊滑模控制系统仿真研究 根据前面对 自适应模糊滑模控制系统的建立，从输入控制量上不难分析其特 浙江大学 硕士学位论文第三章 自 适 应模糊滑模控制器 设计及仿真 ( 1)对比 传 统以 误差已 由为模糊输入的模糊 控制，自 适应模糊滑模控制以 滑 模面5 、 山为模糊输入，而滑模面s= c e + de，这综合考虑了 误差及其倒数e de的 协调性。 如果c 选择很 大， 那么 滑模面5 偏向 误差e ， 相当于以误差ede为模糊输 入的模糊控制，这样的话，在目标值快要接进，即e 输入量很小时，系统容易出现 超调;如果c 选 择很小，那么偏差及其导数的衰减很 慢， 意味着系统的 响应速度变 慢。 如果c 选择适当， 那么系统在误差已经很小时 ， 因 为模糊输入综合考虑了e，de， 可以 减小超调。 ( 2) 自适应控制输入量与滑模面5= 姆 +de的平方成正比，因此当电机出现参 数变化或负载扰动， 使得5 出 现较小的变化时，自 适应项的输入变化较大， 使得系 统能较快作出 反映， 从而 增强系统抗干扰能力。 为进一步 用试验分析自 适应模糊 滑模控制 系统的特点， 并验证 其可行性与 优越 性，下面进行各种仿真研究。 3 . 4 . 1系统可行性仿真研究 自 适应模 糊滑模控制系统仿真模型如图3 一 7 所示: 图3 一 7 系 统仿真模型 为便于与传统 pl控制系统作对比 研究， 用于仿真 研究的 永磁同 步电 机参数同第 二章， 仿真时间仍设 为0 . 1 25，并且位置给定 值仍为 6 。由 前面分析，式 ( 3 一 1 3 )、 ( 3 一 14)中 系数c 的 选择对系统性能的 影响很大，c 选择愈大， 偏差及其导数的衰 减愈 快， 意味着系统的响 应速度愈 快， 但是， 如果c 过大又会带来超调，而这是伺 服系 统所不允许的， 通过反复的 仿真对比， 本文取 = 2 50。 式 ( 3 一 1 9) 中正常数k 的 选取与干扰项有关， 先假设系统无负载扰动和参 数变化，任意取k = 2 0 00。 在无负载扰动和 参数变化时， 永磁同步电机的 位置波形、 速度波形、 三相电流 浙江大学硕士学位论文第三章 自 适应模糊 滑模控制器设计及仿真 波形、口 勺轴的电 流 波形、电 磁转 矩波形及经自 适应模糊滑 模控制器的 速度环给定 电流波形如下所示。 8即ec 月. 一 _ 电 机 实 际 速 度 值 鱿 pe民5 u夕.。已 2o 2o 0山006 目的 翎 15 ao日0 ，q 1 2 图3- 8 永磁同步电机位置 波形 司扩一下而 图 3 一 9永磁同步电机速度波形 0s叨 口 月2u 00 舫叫 复 以 2 月 荟 日 02月 刁刁 0刀口 住 “昭 盆佃“ 朋认 ， q ， 2 压02压. 习让0eo08 目 而 曰细 众 ， 01 2 补!j叮|以、 刁刁刁 图3 一 10 永磁同步电机 三相电 流波形图3-11 永 磁同 步电 机价q 轴电流 波形 轰5 电 陇 转 矩 了 . 25 泣度环给定q 轴电流 的吐01 uo之口9 1 弓 浮。 心卜钊侣j， d心 引舰们 0也q 以 湍 0 力旧众 1吐 1 2 ， 钻o d 口qo日 喘老 众080 吃众1 2 图3 一 12永磁同步电机电磁转矩 图3-13 速度环 对q 轴的给定电 流值 图3 一 8 到图3 一 13的仿真结 果与图2 一 8 到图2 一 13的 传统pl控制仿 真结果 作对 比 研究，结果 表明 在无负载扰动和 参数变化时，自 适 应模糊滑模控制具 有满意的 控 3 7 浙江大学硕士学位论文 第三 章 自 适应模糊滑模控制器设计及 仿真 制效果，能较快地跟踪位置指令值的变化， 电机在低速段更平稳。 将图2 一 与图 3 - 8中的位置曲线组合、 且位置超调很小;转速曲线平滑过渡， 放大后的比较图如图3 - 1 4 所示。 6 . 0 8 6 . 0 8 6 .0 4 仁 rn ， 卫 - 一 帽 令 值 牛二i 1 w目 - - - 沼孟 ，一一 且一 传统pi 调节 5 .8 6 1 f产 自适应模糊滑模控制器 0 . 1 0 .1 0 5 0 .1 1 0 . 1 1 5 0 .1 2 ti me / s 图 3 - 1 4 坐标放大后的位置对比图 图 3 - 1 4表明自 适应模糊滑模控制跟踪速度较较之于传统 p i控制速度更快， 位置超 调更小， 对比 结果验证了自 适 应模糊滑模控制用于永磁同步电 机三闭 环伺服 系统中位置环的优越性。 对比图3 - 1 3 与图2 - 1 3 可 看出， 自 适应模糊滑模控制器的9 轴给定电 流值存在 小幅度脉动，这使得图 3 - 1 0中的三相电流在系统达到稳定后仍存在电流脉动。分 析其原因可知，采用了自 适应控制后，当电机参数变化或存在外界扰动时能较快地 调整运动点在 滑模两边的 位置， 但同 时使得系统的 抖振加大， 这一点无 法与 传统p i 调节器比拟。 3 . 4 . 2系统抗干 扰性能 仿真研究 为了 验证系 统的 抗干扰能力， 系统控制参数 保持不变， 用于仿真研究的 永磁同 步电