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浙江大学博士学位论文 摘要 永磁同步电机( p m s m ) 伺服系统在工农业牛产和航天技术等领域的应用 十分广泛,由于其自身的结构和运行特点,p m s m 的具有很多独特的优点,本 文主要从控制理沦和实际系统两个方面对永磁同步电机伺服系统进行了全面 而深入的研究,并完成了一台数控铣床的研制。 首先对p m s m 伺服系统进行了建模,在研究了其物理方程、转矩方程和等 效电路的基础上提出了p m s m 的数学模型并对仿真技术进行了简单的介绍。 基于内模控制,设计了电流环解耦控制器,改善了电流环性能,而且控 制器只有一个可调参数,简化了设计。对于嵌入式p m s m ,根据在电流幅值一 定的条件下最大输出转矩与口( 为等效电流矢量和q 轴之间的相位角) 之间的 关系,将磁阻转矩转换为输出转矩从而提高了输出转矩,改善了系统的控制性 能;在速度环采用单步模型算法控制,其计算量比较少,提高了系统的实时性 和鲁棒性。 针对传统控制方法对电机数学模型依赖性强的缺点,结合模糊控制实时 性好和预测控制鲁棒性强的优点构造了模糊预测控制器,可以解决模糊控制器 不具有消除系统稳态误差的问题,大大提高了控制系统的性能。由于传统的基 于阀值进行控制策略切换的方法使得系统具有很大的扰动,所以本文设计了一 种基于模糊规则进行切换的控制策略,很好地解决了两种控制在切换时发生的 扰动的问题,仿真和试验结果都证明该控制策略的有效性。 为了降低成本,简化系统,本文采用低分辨率的霍尔元件作为p m s m 伺服 系统的位置传感器,采用基于磁链观测法的低分辨率位置传感器控制技术,来 估计电机转子的实时位置和转速,实现电流的正弦换向,减小转矩脉动。理论 分析和仿真结果都证明了该控制方法的有效性。 结合浙江省科技计划重点项目“新一代智能型数控机床的研制“( 合 同号0 0 1 1 0 1 0 6 1 ) ,本文作者作为浙江大学”数控系统“研究小组主要成 员参加了该项目中数控机床的研制,并已于2 0 0 2 年1 0 月完成了试制工 作,经过近1 0 个月的加工试生产,系统运行平稳可靠。目前该项目已 经通过了省级鉴定。 关键词:永磁同步电动机,模型算法控制,无位置传感器控制,模糊控制, 预见预测控制 窭堂誊导茆廊意 彝垒文公布 一 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t i nt h el a s ts e v e r a ld e c a d e s ,t h ep m s m i sr a p i d l yi m p l i e do nm a n yk i n d so f d r i v e s v s t e m s ,c o m p a r e dw i t h o t h e rm o t o r s ,t h ep m s m h a sm a n yi n d i v i d u a lf e a t u r e s a t t h es a i t i et i m ei nv i e wo ft h ed e v e l o p m e n tt r e n d so fe l e c t r i cd r i v e s ,t h en o v e l c o n t r o ls t r a t e g i e s ,w h i c ha r ea i m e da tt h eu n s o l v e dp r o b l e m si nt h ec o n v e n t i o n a l p m s ms e r v os y s t e m ,a r ea p p l i e dt od r i v e s ,a tt h i sp a p e rt h et h e o r ya n di n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n a r es t u d i e d a tf i r s t t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s m i sp r e s e n t e dw h i c hi sb a s e do nt h e s t u d yo f t h ep h y s i c a la n d t o r q u ee q u a t i o n t h e n t h eb a s es i m u l a t i o nt e c h n i q u ei s p r e s e n t e d ,由e d e c o u p l i n gc o n t r o l l e ro fc u r r e n tl o o p i s d e s i g n e db a s e do nt h e i n t e m a l m o d e lc o n t r 0 1 ,a n dt h ec o n t r o l l e rh a so n l yo n ea d j u s t a b l ep a r a m e t e ra n dd e s i g n p r o c e d u r e i s v e r ys i m p l e a c c o r d i n g t ot h e r e l a t i o n s h i p o ft h e a n g l e o ft h e m a x i m u m t o r q u ea n dt h eqa x i s ,t h er e l u c t a n c et o r q u ef u rs a l l e n tp m s m i sm a d e f u l lu s eo fa n dt h es a t o rc u r r e n ta m p l i t u d ei sr e d u c e db ya l a r g ep e r c e n t a g e ,s ot h a t t h es y s t e mr o b u s t n e s si sg r e a t l yi n c r e a s e d a tt h es p e e dl o o p ,t h i sp a p e rp r e s e n t sa s i n g l e v a l u em o d e la l g o r i t h m i cc o n t r o ls t r a t e g yw h i c hi st h es i r n p l i e df o r mo f n o r m a lm o d e la l g o r i t h m i cc o n t r o la n dh a sl e s sc o m p u t a t i o nw o r kt h a nt h el a t t e r , s o t h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c ei sv e r yg o o d t h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o l s t r a t e g i e s r e s to na c c u r a t em o t o rm o d e l sa n d p a r a m e t e r sa n d i t ss y s t e mi sv e r yc o m p l e x i no r d e rt oo v e r c o m et h i sd i s a d v a n t a g e , t h i sp a p e rc o m b i n ef u z z yc o n t r o lw i t hp r e d i c t i v ec o n t r o lf o r mt h ef u z z yp r e d i c t i v e c o n t r o l l e r , w h i c hi i l a k e sb e s tu s eo f t h er o b u s t n e s so f f o z z yc o n t r o la n dt h es t a b i l i t y o fp r e d i 【c t i v ec o n t r 0 1 a n dt h es 3 7 s t e mh a sv e r yl i t t l ee v e r nn os t a b l ee r r o r a tt h e s a m et i m ed e s i g nt h es w i t c hc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nf u z z yr u l e st od e c r e a s et h e s w i t c hd i s t u r b a n c e i no r d e rt od e c r e a s et h ec o s t 、s i m p l i f yt h es t r u c t u r eo f t h ep m s ms e r v os y s t e m m a da tt h es a m eh a sr i oe f f e c to nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e ,t h i sp a d e ru s e sh a l l e l e m e n ta s 也ep o s i t i o ns e n s o r w h i e hh a sv e r yl o ws o l u t i o nb u tv e r yl o wc o s t a n d i no r d e rt or e a l i z es i n u s o i d a lc u r r e n td r i v eo fp m s m t h i sp a d e rp r e s e n t san e w r o t o rp o s i t i o ne s t i m a t o rb a s e do nf l u xe s t i m a t i o n t h et h e o r ya n ds i m u l a t i o nr e s u l t s v e r i f yt h ec o r r e c to f t h ec o n t r o ls t r a t e g y c o m b i n e dw i t ht h e z h e j i a n gp r o v i n c ei m p o r t a n t s c i e n c em a dt e c h n o l o g y r e s e a r c hi t e m “an o v e li n t e l l i g e n tn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l ”( t h en u m b e r i s :0 0 1 1 0 1 0 6 1 1 an u l i l e r i c a lc o n t r 0 1m a c h i n et 0 0 1h a sb e e nc o m p l e t e di na u g u s t 2 0 0 2 ,a n di th a sb e e nu s e di i lp r o d u c et h ep a r tf o rn e a r l y1 0m o n t h s ,a n dn o w t h e i t e mh a sp a s s e dt h ec h e c k k e y w o r d s :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 , m o d e la l g o f i t h n f i cc o n t r o l , s e n s o r l e s s p o s i t i o nc o n t r o l ,t o r q u ec o n t r o l ,f u z z yc o n t r o l ,p r e v i e wp r e d i c t i v e 一1 i 一 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 伺服系统发展概述 随着科学技术的飞速发展,人类在微电子、计算机、电力电子和电机制造等 技术领域都取得了巨大的进步,特别是在控制理论方面的突破与发展,使得伺服 控制技术在许多高科技领域中都得到了广泛的应用。诸如在各种数控设备、工业 机器人、大舰模集成电路制造、载人宇宙飞船、电动工具以及家用电器等领域的 应用都日益广泛。 从二十世纪六十年代开始,电伺服系统就丌始了取代液压伺服系统的征程。 但是七十年代以前的电气传动伺服系统中其执行电机大多都是采用功率步进电 机,结构上系统属于开环系统,控制精度不高。从七十年代到八十年代中期直流 伺服系统丌始在伺服系统中占据主导地位。由于d c 大惯量伺服电机具有良好的 调速性能,输出转矩大,过载能力强,电机惯性与机械传动部件惯量相当,构成 闭环系统后调整比较方便等优点,所以其应用也逐渐广泛。它所采用的大功率晶 体管脉宽调制驱动装置以及中小惯量直流伺服电机具有抗频繁启动、制动、快速 调节的特点“2 “3 1 。直流传动系统的优点是:控制简单,输出转矩可以线性控制; 响应速度快、无超调;可以逆运行,可以方便的实现正转和反转;定位精度和跟 随精度都比较高;可以在很宽的范围内实现无级调速;具有良好的输出特性,刚 性好,速度稳定性高。因此,长期以来,在要求调速性能比较高的场合,直流传 动系统一直占居着主导地位,但是在实际应用中人们也发现直流电机具有许多缺 点,例如电机电刷和换向器易磨损,需要经常维护,并且直流电动机的结构复杂, 成本也比较高“ 。 为了克服直流电机的这些缺点,各国学者不断地研究交流电机调速系统。8 0 年代伺服控制技术开始进入了交流时代,在8 0 年代末期交流伺服系统就逐渐取 代了直流伺服系统成为伺服系统的主流“1 。交流电动机没有直流电动机上述的缺 点,它的转子惯量远比直流电动机要小,而输出功率比同体积的直流电动机要大 得多,动态响应也比较好。但是交流电动机的调速比直流电动机要复杂的多,这 就使得在短时期内交流伺服系统不可能完全取代直流伺服系统,所以在一定时期 内交流伺服系统和直流伺服系统将会并存。按交流传动伺服系统所采用电动机类 浙江大学博士学位论文 型米划分,目前交流伺服系统主要有感应异步电动机交流伺服系统和永磁同步电 动机交流伺服系统两大类。 感应异步伺服电动机制造容易、价格低,不需要作特殊得维护,在控制方法 上j 般都采用矢量控制、直接转矩控制等新型控制策略,很容易实现弱磁条件下 的高速运行。它的缺点是转子散热比较困难,转子的电阻阻值随着温度的变化而 变化,影响磁场定向的准确性,也就影响了所建立的数学模型的准确性,因而限 制了系统的控制性能的提高。在交流伺服系统发展得初期,感应异步电动机交流 伺服系统得到了较快的发展,主要应用在机床的主轴传动系统巾。但是随着永磁 材料性能的大i 嘧度提高和价格的降低,各种交流永磁同步伺服电动机及其控制系 统成为交流伺服系统的主流。 在永磁交流伺服系统中,应用较为普遍的永磁交流伺服电动机主要有两种: 无刷直流电动机( b r u s h l e s sd cm o t o r 简称b d c m ) 和永磁交流同步电动机 ( 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 简称p m s m ) 。前者一般采用方波电流驱 动,而后者一般是三相正弦波电流驱动,由于p m s m 伺服系统在工作原理i 二能够 克服b d c m 系统所固有的一些特点,控制也比较方便,可以应用到高精度、高性 能的场合,诸如工业机器人、高精度数控机床和航天技术等领域,所以目前国内 外对永磁交流伺服技术的研究也主要集中在p m s m 伺服系统上”“。 1 2 伺服系统的种类 12 1 按照系统是否闭环分类 按照系统是否闭环,伺服系统分为开环、半闭环和全闭环伺服系统三种: ( i ) 开环伺服系统开环伺服系统就是系统的输出没有反馈到系统的输入 信号中,即没有位置反馈的伺服系统。开环伺服系统一般使用的驱动元件是功率 步进电机和电液脉冲马达,系统的输出位移与脉冲个数成正比,所以在控制整个 系统时,只要精确地控制输入脉冲的个数就可以准确地控制系统地输出,但是这 种系统精度比较低,运动不是很平稳。由于开环系统结构简单,所以在一些要求 比较低的场合还有着比较广泛的应用。 ( 2 ) 半闭环伺服系统半闭环伺服系本身属于闭环系统,它具有位 置反馈环节,所以在原理上它具有闭环系统的一切特性和功能,但是由于 浙江大学博士学位论文 它的位置信号在中间经过了一个机械传动部件的位置转换,对实际位置移 动采用| 日j 接测量的方法,然后反馈到系统的输入,所以半闭环伺服系统存 存着测量转换误差,而且环外的误差也没有得到补偿。 ( 3 ) 全闭环伺服系统全闭环伺服系统足一种真正的闭环伺服系统, 在结构上与半闭环伺服系统是一样的,只是它的位置检测元件直接安装在 系统的最终运动部件上,系统反馈的是整个系统真正的最终输出,所以呵 以把整个系统内部的误差进行有效的补偿,全c j j 环伺服的控制精度也是最 高的。 1 2 2 按照系统信号特点分类 按照系统信号的表现形式可以把伺服系统分为模拟和数字伺服系统两 种: ( 1 ) 模拟伺服系统模拟伺服系统全部采用模拟元器件构成,系统的 控制信号、中闯信号和输出信号也都是模拟信号。它的优点就是抗干扰能 力比较强,一般不会象数字伺服系统那样因为峰值噪声而可能产生误动作, 系统比较稳定,整个系统的性能基本上取决于硬件的设计和配合情况;模 拟伺服系统对微弱信号分离比较困难,在零点附近容易产生漂移,系统的 精度不是很高,并且不容易进行升级和换代。 ( 2 )数字伺服系统 数字伺服系统的控制和调节都是采用数字技 术,也就是说它的输入位置指令和反馈信号都采用逻辑电平信号而不是模 拟电平信号。数字伺服系统的优点是:精度比较高,整个系统的控制精度 的提高可以通过升级系统的c p u 来达到目的,而不是更改全部系统硬件, 通过对软件的改动可以很容易地进行科学试验,进行复杂控制策略的研究 和试验。但是数字伺服系统也有其本质的缺点:当噪声峰值大于逻辑判断 电平时,容易出现误动作,尤其是当这种干扰出现在数据的最高位时干扰 的后果更严重,甚至无法进行正常工作。“”。 浙江大学博士学位论文 1 3 交流伺服系统控制策略 1 3 1 引言 目自d ,随着伺服控制技术的迅速发展和矢量控制技术的应用,伺服系 统正向着交流化方1 门发展。正是由于矢量控制技术、微电子技术和微处理 器技术的飞速发展,使得高性能的交流伺服系统也不断得到实现和应用。 电诈是由于现代控制理论能够很好地应用于交流伺服系统之中,才使得交 流伺服系统的性能日益提高,所以寻求更优良的控制策略对交流伺服系统 进行控制是提高其性能的比较有效途径之一”3 。 1 3 2 控制理论 交流电动机的模型是强耦合、时变的非线性系统,其控制策略也比较 复杂,所以交流伺服系统的凋速性能与它所采用的控制策略有着直接的关 系,每一次控制理论的突破与新型控制理论的诞生都会伴随着交流伺服系 统调速性能的迅速提高,历史的发展已经清楚地证明了这一点。目前交流 伺服系统的控制策略主要有转速开环恒压频比( u f = 常数) 控制、转差频率 控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、自适应控制、滑模变结构 控制、预测控制以及智能控制等”1 。 任何电机调速控制的关键都是对其转矩的有效控制,转速是通过转矩 改变而改变的,因此在伺服控制技术中转矩控制始终都是个关键技术。开 环恒压频比( u f = 常数) 控制只控制了电机的气隙磁通,而不能调节其转 矩,所以其控制性能不是很高;而转差频率控制能在定程度上控制电机 的转矩,所以在控制性能上有所提高,但它依据的只是稳态模型,并不能 真正控制动态过程中的转矩,所以还得不到理想的动态控制性能。 矢量控制理论是由德国西门子公司的f b l a s c h k e 于1 9 7 1 年提出的,它的 诞生把交流电机调速的发展向前推进了一大步,使交流电机控制理论获得了第一 次质的飞跃,也是交流电机控制理论发展的一个旱程碑。矢量控制理论的基本思 想就是以转子磁链这一旋转空间矢量为参考坐标,将定子电流分解为相互正交的 两个分量,一个与磁链同方向,代表定子电流的励磁分量,另一个则与励磁方向 浙江大学博士学位论文 f 交,代表定子电流的转矩分量,然后分别划其进行独立的控制,可以获得象直 流电机一样良好的动态特性。这种控制策略目前已经比较成熟,并且已经形成商 品化的产品。 尽管矢量控制具有上述的优点,但是矢量控制方法太理论化,从理论上讲 它可以使异步电机调速系统的动态性能得到显著的改善,但是在具体实现的时候 需要进行复杂的坐标变换,而且整个控制模型对电机的参数依赖性很大,即使电 机参数与转子磁链被精确测量,但也只有在稳态的情况下才能实现完全解耦,弱 磁时耦合仍然存在。采用普通p i 调节器的矢量控制系统,其性能受参数变化以 及各种不确定性影响比较严重,即使在参数匹配的条件下可以取得比较好的性 能,可一旦系统参数发生变化则会导致性能变差”“。 1 9 8 5 年,德国的德彭御罗克( d e p e n b r o l k ) 教授提出了一种新的交流电机 调速控制方法即直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ,简称d t c ) 方法。这种 控制方法的主要特点就足将矢量控制中的以转子磁通定向更换为以定予磁通定 向,通过转矩偏差和定子磁通偏差来确定电压矢量,没有复杂的坐标变换,在线 计算量比较小,所以实时性比较强。直接转矩控制不需要将交流电动机与直流电 动机作比较、等效、转化等程序,不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。 它只是在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,强调对电机的转矩进行直接 的控制,省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算,所以直接转矩控制从一诞生 起,就以其新颖的控制思路,简洁明了的系统结构,优良的静态和动态性能受到 人们的普遍关注。 直接转矩控制的研究虽然已经取得了很大的发展,但是它在理论和实践上 都还不够成熟,如在低速性能、带负载能力等方面都还不是很令人满意,另外由 j 二它对控制的实时性要求很高,在线计算量比较大,所以如果没有新的更高速的 微处理器的出现,要实现直接转矩控制还是有一定的难度的“2 “”1 。 从本质上说,交流电机是一个非线性多变量系统,所以应用非线性控制理论 研究其控制策略,应该更能揭示问题的本质,控制效果也应该更好。在1 9 8 7 年, m a r i j a1 1 i c 一s p o n g 等人首次将基于微分几何理论的非线性反馈线性化理论应 用到开关磁阻电机控制当中,并取得了优良的控制性能,而k r z e m i n s k iz 在慕 尼黑的i f a c 大会上发表了感应电动机非线性控制的论文,从而使非线性反馈线 浙江大学博士学位论文 性化理论在交流传动中的应用得到了迅速的发展。异步电动机的非线性控制是通 过非线性状态反馈和非线性变换实现系统的动态解耦和全局线性化,将非线性、 多变量、强耦合的异步电动机系统分解成两个独立的线性译变量系统,其巾转子 磁链子系统由两阶惯性环节组成,转速子系统由一个积分环节和一个惯性环节组 成,两个子系统的调节器按线性控制器理论分别设计,从而使系统的设计比较简 币,同时控制性能也可以达到预期的指标。 山于非线性系统反馈线性化理论采用坐标变换以及状态或输出反馈校正非 线性系统的动力学特性,如果单纯对线性化了的系统进行鲁棒性控制器设计,并 不定能得到满意的控制效果。并且非线性系统反馈线性化的基础是已知参数的 电动机模型和系统动态的精确测量或观测,而交流电动机在运行过程中这些参数 是都会发生变化的,这些变化都会影, 1 6 j n 系统的鲁棒性,情况严重时甚至会使系 统的控制性能恶化,所以这种理论离实用还有很大的一段距离”4 “”“1 。 2 0 世纪6 0 年代初,前苏联学者欧曼扬诺夫( s v e ) 、犹金( v i ) 和依特克 斯( u | l ) 等人开始研究变结构控制系统v s c 。滑模变结构控制的主要特点在于其控 制的不连续性,具有一种使系统的“结构”随时变化的开关特性,依据系统的状 态使系统的“结构”以阶跃方式有目的地变化。当滑动模态发生时,系统被强制 在开关平面附近滑动,因而滑模控制对系统耦合、外部扰动、参数时变等因素均 不敏感,表现出良好的鲁棒性,并且滑模变结构控制不需要任何在线辨识,很容 易实现。但是滑模变结构控制在本质上的不连续开关特性使得系统存在“抖动” 问题,主要原因是:( 1 ) 对于实际的滑模变结构控制系统,其控制力不会如理论 上无穷大,而总是有限的,从而使系统的加速度有限。( 2 ) 系统的惯性、切换丌 关时间、空间滞后等误差,特别是对于计算机的采样系统,当采样时间较大时, 形成“准滑模”等,这些问题给滑模变结构控制的应用带来了困难。7 “1 ”1 。 自适应控制所需要的关于模型和扰动的先验知识比较少,需要在线获取这 些信息,不断地在系统运行过程中提取有关模型的信息,所以它对模型参数的依 赖性比较小,可以克服参数变化对控制精度的影响。在电机控制领域的自适应控 制方法有模型参考自适应控制、参数辨识自校正控制和非线性自适应控制。自适 应控制存在一个影响其在实践中的具体应用的问题就是它的数学模型和运算繁 琐,控制的实时性不好。”。 浙江大学博士学位论文 上述的各种控制策略基本上都是根据经典的和现代的控制理论提出来的, 它们具有一个共性那就是依赖于电动机的模型,当模型受到参数变化和扰动作用 的影响时,系统性能将受到很大的影响,所以如何抑制这种影u 向一直都是工、控 制领域的一大课题。一般:) 乏说,自适应控制和滑模变结构控制可以在一定程度上 解决这个问题,但其本质决定了它们各自有自己的不足之处。而智能控制由于它 能摆脱对控制对象数学模型的依赖,能够在处理有不精确性和不确定性的问题中 获得可处理性、鲁棒性,所以近年来智能控制得到了迅速的发展。“o “。 模糊理论是1 9 6 5 年由美国加里福尼亚大学著名的控制论专家l a z a d e h 教 授提出来的,模糊控制器能模仿熟练操作人员和专家的控制经验和方法,可以克 服非线性等因素的影响,对调节刈象的变化具有较强的鲁棒性。模糊控制策略在 伺服系统中的典型应用有:电机速度控制模糊控制器、电机参数的模糊辨识以及 电机效率的优化模糊控制等。虽然模糊控制在理论和实际应用都有比较成功的例 子,但是一般的模糊控制器没有积分作用,在系统中出现负载扰动时会出现静差。 而增加了积分效应的模糊控制器,虽然相当于变系数p i d 控制器,i q 以实现无静 差控制,但是单纯地将一个简单的传统的模糊控制器应用于一个高精度的伺服系 统,还是不能得到令人十分满意的性能,会出现系统的动态响应轨迹不能被定量 地控制,而只能得到模糊控制特性等问题。所以模糊控制一般只有与其他控制方 法相结合,才能取得比较优良的控制性能。”1 “4 ”2 5 ”2 。 人工神经网路的研究开始于1 9 4 3 年,它起源于心理学家w s m c c u l l o c h 和 数学家w p i t t s 所提出的mp 模型,1 9 4 9 年心理学家d 0 h e b b 提出了神经元之 问突触强调调整的假设,也就是著名的h e b b 学习规则,而直到现在,i l e b b 学习 规则仍然是人工神经网络中的一个极为重要的学习规则。后来f r o s e n b l a t t 提 出了著名的感知机模型,这是第一个完整的人工神经网络。1 9 6 9 年美国麻省理工 学院著名的人工智能学者m m i n s k y 和s p a p e r t 提出了著名的x o r ( 异或) 问题, 这一问题的提出使得神经网络的研究步入一个相对缓慢发展的低潮期,在经过一 段低潮之后,1 9 8 2 年美国加州理工学院生物物理学家j j h o p p f i e l d 提出了一个 新的神经网络模型- - h o p f i e l d 网络模型,这个模型的提出又极大地推动了神经网 络地研究,引起了神经网络研究地又一次热潮”1 。 神经网络在解决非线性系统的自适应控制中显示出了极大的优点,其原因 浙江大学博士学位论文 就在于神经网络具有很强的非线性逼近能力和自学习能力。虽然如此,神经网络 控制在交流伺服系统中的应用仍然处丁起步阶段,最开始的尝试是用神经网路控 制来代替传统的p i d = | 窀制,后来由于在实际应用中比较广泛的矢量控制表现出对 系统参数特别敏感的缺点,为了准确检测电机参数的变化,提高控制的性能,有 人将神经网络用于电机参数的在线辨识、跟踪,并对磁通以及转速控制器进行自 适应调整。再后来也有在感应电机的矢量控制中为了准确知道转子磁通的瞬时位 置和幅值,用神经网络束精确估计转子磁通幅值和位置等等“”“”。“。“。 虽然神经网络包括模糊控制等智能控制在交流伺服系统中的研究已经取得 了一些成果,但是还有许多问题需要解决,比如学习算法需要进一步研究和优化, 如何提高网络的收敛速度和算法的稳定性,而且智能控制器的设计目前主要还是 凭经验,在交流伺服系统巾还只是一种方法,还不能成为理论,等等。 预测控制理论是近年来发展起来的一类新型计算机控制算法,它不足某一 种统一理论的产物,而是在2 l , k 实践过程中独立发展起来的,到目前为止预测控 制理论已经有几十种方法,可以统称为预测控制算法,最早应用于工业过程的预 测控制算法有r i c h a l e t 、m e h r a 等提出的建赢在非参数模型脉冲响应基础上的模 型预测启发控制( m p h c ) ,或者称之为模型算法控制( m a c ) ,还用c u l t e r 等提出 的,建立在非参数模型阶跃响应基础上的动态矩阵控制( d m c ) 等,这些算法用 来描述过程动态过程行为的信息,是直接从生产现场检测到的过程响应( 即脉冲 响应或阶跃响应) ,并且不需要事先知道过程模型的结构和参数的有关先验知识, 也不必通过复杂的系统辨识来建立过程的数学模型,即可以根据某一个优化指标 设计控制系统,确定一个控制量的时间序列,使得未来某一段时间内被控量与经 过柔化后的期望轨迹之问的误差为最小。”4 “。 预测控制算法具以下有三个基本特征:( 1 ) 建立预测模型方便,用来描述过 程动态行为的预测模型可以通过简单的试验得到,不需要通过复杂的系统辨识等 建模过程即可获得预测模型;( 2 ) 采用滚动优化策略,预测控制算法与通常的离 散最优控制算法不同,它不是采用一个不变的全局优化目标,而是采用滚动的时 域优化策略,优化过程不是一次离线进行,而是在线滚动实施,提高了系统的控 制效果;( 3 ) 采用模型误差反馈校正在预测控制算法中,采用检测实际输出与 模型输出之间的误差进行反馈校f 来祢补,使滚动优化建立在预测模型输出误差 浙江大学博士学位论文 反馈校丁f 的基础上。”3 。 yr ( k 巫。 矧ii模型算法控制系统原理图 模型算法控制 m a c m o d e la i g o r i t h m i ec o n t r 0 1 ) 是6 0 年代末在法国工业企 业中的锅炉和分馏塔的控制中首先得到了应用,在1 9 7 8 年由m e h r a 等人又对其 进行了研究并取得了很大的成果。它采用基于脉冲响应的非参数模型作为内部模 型,用过去和将来的输入输出信息,根据内部模型,预溯系统未来的输出状态, 经过用模型输出误差进行反馈校正以后,再与参考输入轨迹进行比较,应用二次 型性能指标进行滚动优化,然后再计算当前时刻应加于系统的控制动作,完成整 个循环。算法具体如图卜1 所示,模型算法控制的基本思想是首先预测系统未来 的输出状态,再去确定当前时刻的控制动作,即先预测后控制,具有预见性,明 显优于先有信息反馈,再产生控制动作的经典反馈控制系统。模型算法控制可以 分为单步、多步、增量型、单值模型算法控制等多种形式“。 动态矩阵控制d m c 是预测控制算法种比较重要的,一种,与模型算法控制不同 的是,它采用工程上易于测取的对象阶跃响应作为模型,算法比较简单,计算量 比较少,鲁棒性比较强,适用于有纯时延、开环渐进稳定的非最小相位系统。近 年来已经在冶金、石油、化工等部门的过程控制中得到成功的应用。动态矩阵控 制有多步、极点配置、双值和自校正动态矩阵控制等多种形式。动态矩阵控制d m c 的基本思想是:在输入端加上一控制量后,在各个采样时刻t = t 、t = n t 在系 统输出端测得一序列采样值,用动态系数q 、a 。表示如图卜2 ,采用动态系数 和输入量来描述各个采样时刻的系统输入和输出关系的过程特性,就是被控对象 的非参数模型。一般把实测值或者估计值的动态系数矗,上面加一个“。即昂来 表示。 随着以脉冲啊应和阶跃响应的非参数模型为基础的预测控制算法的发展和 应用,1 9 8 4 年c l a r k e 提出了基于参数模型的广义预测控制( g p c ) 。广义预测控制 浙江大学博士学位论文 图卜2 系统阶跃响应曲线 是随着自适应控制的研究而发展起来的一种预测控制方法。c l a r k e 在保持最小方 差白校正控制的在线辨识、输出预测、最小方差控制的基础卜,吸取了m a c 和d m c 中滚动优化的策略,提出了广义预测控制算法( g p c ) ,g p c 具有优良的控制性能 和鲁棒性,广泛应用在各种工业过程控制中,并取得了明显的经济效益“”“7 “。 采用脉冲响应或者阶跃响应这种非参数模型作为预测模型以后,控制器应 该如何设计才能获得所期望的动态和静态性能则是一个迫切需要解决的问题。 g a r c i a 提出的内模控制( i m c ) ,由于它的设计简单、跟踪调节性能好、鲁棒性强、 能消除不可测干扰的影响,是一种设计和分析预测控制系统的有力工具。 i m c 产生的背景主要有两个方面:一是为了对当时提出的两种预测控制算法 即m a c 和d m c 进行系统分析,其次是作为s m i t h 预估器的一种扩展,使没计更加 简便,提高系统的鲁棒性以及抗干扰性能。目前已经证明,已经成功应用于火量 工业过程的各类预测控制算法在本质上都属于i m c 类型,在其等效的i m c 结构中 特殊之处只是其给定输入采用了未来的超前值( 预检控制系统) ,这不仅可以从 结构上说明预测控制为何具有良好的性能,而且为其进一步的深入分析和改进提 供了有力的工具“”。 常规的预测控制算法在线卷积运算量较大,需整定的参数比较多,采样周 期难以选得较小以适应电动机较快的动态过程,使得预测控制在交流伺服系统中 的应用必须加以改进和完善”。1 。 由于历史的原因异步电机的发展要比同步电机完善的多,与异步电机相比 同步电机控制有许多不同,比如异步电机矢量控制以转子磁链为基准,同步电机 矢量控制均采用气隙磁链定向;同步电机的磁链主要靠励磁电流或永磁体来建 髟 浙江大学博士学位论文 立,异步电机转子电流和磁链靠感应来产生,无须外加励磁等等。针对同步电机 矢量控制存在的缺点和不足,人们试图将各种控制理论应用于同步电机传动系 统,以改善其性能。 综上所述,各种控制策略都有其特长又都有其自身难以克服的缺点,所以 要想取得比较好的控制性能,各种控制策略必须h 相渗透,取长补短形成各种控 制效果更好的复合控制策略,这样可以克服各种单一控制策略本身的缺点,更好 地满足系统控制的需要,所以今后在很长一段时间内,交流伺服控制领域的一项 重要的工作就足把各种控制理论加以综合,走交叉学科、复合控制的道路来解决 实际问题”3 。 1 4 相关技术的发展 1 4 1 电力电子技术 交流传动伺服系统由电力半导体电源变换器、交流电机、控制器和检测器 四个部分组成,它覆盖了多个技术领域,所包含的技术含量也相当高,是一个极 具挑战性的领域,它所包含一个重要方面就是电力电子技术,这是电动机控制技 术发展最重要的物质基础。电力电子的大功率半导体器件的发展水平制约着电动 机控制的水平,而电源变换器主要是由s c r 、g t o 、i g b t 、m o s f e t 等电力半导体 器件构成的,其作用就是控制输出的电压和频率。i g b t 则是集m o s f e t 的电压控 制与双极型大功率晶闸管的大电流、低导通电阻的特点于一体。目前一般水平的 i g b t 的开关频率在1 0 到2 0 k h z ,比g t r 高一个数量级,电流浪涌耐量、电阻阻断 峰值,导通电流密度、门级驱动功耗等电压电流指标均超过g t r 。i g b t 的趋势是 丌关频率越来越高,目前达到1 5 0 k h z ,接近于m o s f e t 的水平,耐压量逐渐提高, 导通电阻不断减少,体积越来越小,功耗越来越低,效率越来越高,随着封装技 术的发展和新材料的出现,这种发展的趋势还会持续下去“3 。 日本和德国等西方国家推出了i p m 智能功率模块。i p m 由于其使用方便,性 能可靠,已经被许多用户所接受,i p m 是向第四代功率器件一功率集成电路的过 渡产品。i p m 模块不但具有提供一定功率输出的能力,还具有控制、传感、检测、 保护和自诊断等功能,所以称之为智能模块。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。用户只需要提供p w m 信号给智能模块,就 浙江大学博士学位论文 可以实现复杂的主电路以及外围电路的功能,所以集成化智能模块是今后大功率 半导体器件发展的方向”7 ”1 。 随着电力电予半导体器件的发展,各种电源变换器和交流电动机也随之发 展起来了。电源变换器有成交一直一交变换器和交一交变换器两种,而交一直一 交变换器又包括电压源型和电流源型两种,交一直一交系统在传统电压型和电流 型变换器的基础上正向着脉宽调制( p w i v l ) 型变换器和多重化技术方向发展。交 一交变换器则主要用在大容量可逆系统,但是其对电网污染较严重,发展前景不 是很乐观。交流电动机主要有永磁同步电动机、开关磁阻电动机、鼠笼型感应电 动机、绕线感应电动机等等。”“。 1 4 2 工业控制器 要实现优良的控制策略必须有优良的控制器作为物质摹础,如果主要用分 离元件的模拟电路来实现控制器,那么整个控制器的体积难免会比较大,町靠性 就低,抗干扰能力也弱。近年来电机控制专用集成电路发展比较快,但是各个厂 家的产品并没有一个统一的标准,所以当前电机控制的发展越来越趋于多样化, 复杂化”1 。 复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和现场可编程门阵列( f p g a ) 由于其可以方 便地实现软件级修改、升级换代,集成度特别大,一般一片芯片可以有几十万个 等效逻辑门,所以用f p g a 和c p l d 可以实现非常复杂地逻辑和控制,等效更多的 集成电路和分立元器件组成的电路。“。 以前的伺服系统、通用变频器的控制器大都采用单片机控制,比如8 0 1 9 6 、 8 0 5 1 等,往往达不到实时| 生的要求,现在的高性能伺服系统大都采用数字信号处 理器d s p 为控制器。d s p 具有很高的集成度,运算速度快,存储容量大,电机控 制专用的d s p 一般都有内置的a d 和采用保持电路、捕获电路、p w m 波生成电路, 并且+ 般d s p 都为精简指令集计算机器件,一般的指令可以在一个周期内完成, 加匕并行处理的流水线技术,使得d s p 可以在一个指令周期内完成多条指令。高 性能的d s p 一般采用哈佛结构,一般都具有硬件乘法器,所以具有强大的运算能 力。? 。 目前在电机控制领域已经有比较成熟的专用d s p 产品问世,比如美国德州 仪器公司推出的电机专用d s p t m s 3 2 0 f 2 4 x ,它采用t i 公司的1 6 位定点技术, 浙江大学博士学位论文 集成了一个电机控制事件管理器,可以支持电机的转向、数据通信、p w m 输出和 系统临控等功能,足第。个数字电动机控制器专用d s p 系列,可以提供单片式数 字电动机控制方案。与此同时其他厂家比如美国模拟设备( a d ) 公司、英特尔公 司、摩托罗拉公司( m o t o r o l a ) 公司和国家电器公司( n e c ) 等都有自己的产品问 世,并且随着d s p 集成度的大大提高,其价格和相关开发工具的价格已经大幅度 降低,所以说在电动机控制领域d s p 器件取代单片机的时代已经到来”“”。 ”1 。 1 4 3 计算机辅助设计 控制系统计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dc o n t r o ls y s t e md e s i g n ,简称 c a c s d ) 是最近二十几年发展起来的个新学科,其主要内容包括模型建立与处 理、分析、设计和仿真等。这样计算机辅助设计就为设计人员提供了一种新的设 计模式和试验手段,它所采用的方法是先对控制策略、算法模型、确定参数的电 路进行仿真,观测其功能效果,随时对方案、电路、参数进行修改,这样就大大 加快了系统的设计进度,减少了设计成本,并具有直观、快捷、准确等优点,尤 其是在控制理论的研究、教学、工程设计i 和工业生产中发挥着巨大的作用,已经 成为控制理论研究与教学不可缺少的工具“。 控制系统c a d 技术在控制系统的理论研究与实际应用中占据着举足轻重的 地位。1 9 8 0 年,m o l e r 于l u n di i n s t i t u eo ft e c h n o l o g y 召丌的关于控制系统 数值计算的学术会议上,正式公布了矩阵数值计算软件m a t l a b 的丌发成功,m o l e r 称之为s o f t w a r e l a b o r a t o r y f o rm a t r i x a n a l y s i s 。该软件的问世在控制 界产生了巨大的影响,其算法子程序来源于l i n p a c k 和e i s p a c k ,在这以后m a t l a b 迅速被许多大学采用,在控制界被当作c a c s d 软件的基石并以此丌发出了多种 c a c s d 软件。 m a t l a b 在电力传

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