（电力电子与电力传动专业论文）pmsm伺服系统控制器增益的自动校正方法.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 t h em e t h o d so f g a i ns e l f - t u n i n go f c o n t r o l l e r sf o rp m s m d r i v e s i nt h i sp a p e r , an e wa n dp r a c t i c a lr e a l - t i m eg a i n - t u n i n gm e t h o df o rp r o l c x r t i o r , a l p l u s i n t e g r a l c o n t r o l l e r sh a sb e e nt r a t o a u c e a , u s i n gt h es p e e dc o n t r o lo f ap e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u sm o m rd r i v es y s t e ma s as t u d i e do b j e a t h i sn o v e l s t r a t e g yp r o v e st ob ea c o m p l e t e l ym o d e l - e e ea p p r o a c h , i tn o to n l y e n i 场叮c e st h e p e r f o r m a n c e o ft r a d i t i o n a lp i c o n t r o l l e r g r e a t l y , b u ta l s o 珊瑚韶t h es i m p l es t r u c t u r ea n d f e a t u r e so f p ic o n t r o l l e r s t h ee s s e n t i a li d e ao fs e l f - t o n i n gc o n t r o l l e r sd e s c r i b e di nt h i s e s s a y i sa sf o l l o w s ： a c c o r d i n gt ot h es y s t e md y n a m i c st os t e pv a r i a t i o n , t od e f i n eap e r f o r m a n c ei n d e xt oe v a l u a t e t h es y s t e m r e s p o n s e , b a s e do n t h em o n o t o n o u s r e l a t i o n s h i pb d ：w 嘲l t h ep e r f o r m a n c ei n d e xa n d a l li n t e r m e d i a t ep ig a i np a r a m e t e r , t h i sl a t t e rp a r a m e t e ri se s t i m a t e dw i t hr a m s a p p r o a c hi n o r d e rt oi m p r o v e t h e 耐缸m 缸瞄i n d e x ；f i n a l l y , p ig a i n sa l oc a l c u l a t e da n dr e n e w e da c z o r a i n g t ot h ee s t i m a t e di n t e r m e d i a t e , i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o 撇o f s y s t e mt h i sm e t h o d h a s b e e nt e s t e du n d e rd i f f m e mc o n d i t i o n ss u c ha ss m a l li n i t i a lo v e r s h o o t , b j gi n i t i a lo v e r s h o o ta n da s u d d e nl o a dv a t o n i tp r o v e db yt h ee x p e r i m e n t st h a tt h i sm e t h o di se f f e c t i v ea n da b l et o a p p l yw i d d y t oa cs 嘲v o s y s t e m s i nt h i sp a p e r , t w ok i n d s o f s e l f - t u n i n gm e t h o d so f e 鞫a na n d ak i n do f m e t h o do f n o n l i n e a r p i dc o n t r o l l e r sg a i n - m n i n gh a v eb e e n p u tf o r w a r d t oa c h i e v em m g t h eg a i no f t h ec o n t r o l l e r b ys o f t w a r ea n dd i g i t a ll o g i c a lc i r c o r s , t h i sa r t i c l et o o kt h ef i r s t m e t h o df o re x a m p l ea n d i n t r o d u c e dt h et u r a n gp r o c e s sa n dt u n i n gr e s u l ti nd 龇m e a n w h i l e , i th a sa l s ob e e nv a l i d a t e d b yt h ee x p e r i m e n t sa n dm a t l a b b e s i d e ss i m p l es t m e t o r ea n de a s yi m p l e m e l i tf o rr e a l - t i m e a p p l i c a t i o n s , t h ep r o p o s e dm 吼h o d sa l s op o s s e s s e sf e a t u r e s 呲h 船w 稿蛐，s t a b i l i t y ，a n d e f f e c t i v e n e s s i na d d i t i o n , t h e yc a nb e j o i n e di nt oe x i s t e n ts e r v os y s t e m se a s i l yi no r d e rt o i m p r o v et h ed y n a m i cp e r f o l m a n c eo fs y s t e m s t h ec o n t r a d i c t i o nb c t 3 e e l lr e s p o n ds p e e do f n o r m a lp 1 dc o n t r o ls y s t e ma n do v e r s h o o ti ss o l v e db y i o i r a n gan o n - l i n e rg a j i lb e f o r eal i n e r p i dc o n t r o l l e rw i t hc o n s t a n tg 缸 k e yw o r d s ：g a i n 伽疵n 吕l 瑚m a n e n t - m n g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r s , p r o p o r t i o n a lp l u si n t e g r a l c o n t r o l k 璐 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的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 沈阳工业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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：4 笪函晕日期：2 望：望 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 日期：渺；，6 、据 沈阳工业大学硕士学位论文 引言 现状及发展趋势 过去，在高性能工业应用领域只能使用直流电动机，但现在，通过矢量控制技术， 也可以应用永磁同步电动机。由于大多数工业应用领域的永磁同步电动机驱动系统都是 通过比例积分( p i ) 和比例积分微分( p i d ) 控制器来控制的，所以，为了达到比较好 的系统性能，在不同的操作场合获得最佳的p i 和p i d 参数的要求不断提高。 近些年来，为了提高传统p i 和p i d 控制器的性能，在增益的自调整控制领域作了 很多研究。一般来讲，为了使控制器能适应各种变化的条件，自动调整p i 和p i d 增益 有两种思路：基于模型的分析方法和非模型法。 对于基于模型的分析方法，增益调整规则基于一个假设的数学模型和其它一些假定 条件，它的有效性自然地依赖于模型的精确性和假设条件的客观性。由于系统的非线 性、扰动和噪声等普遍存在，而且在推导模型过程中的很多假设常常与实际应用不完全 相符。在某些隋况下，估计出的模型不精确，基于模型的方法也不太完善，因此将导致 控制器性能的下降。 非模型增益调节法出现的比上述方法略晚点。首先建立了执行实时控制器调整的 专家系统，然后提出了基于相关专家的增益设置经验的模糊增益调整方法，基本思想是 在增益调整过程中模仿操作员或专家的行为1 2 l j 。 实时增益调节可以通过两种信息实现：基于单步信息和基于周期信息。这两种调节 策略自然分成以下两类：基于单步的增益调节是撕0 用来源于每个单步的采样信息， 相应地调节增益；在这种隋况下，所涉及的单步信息包括误差，误差的导数，以及误差 的积分等。基于周期的增益调节是指利用由每步参考值的变化得到的调节增益的信 息，以提高阶跃响应的性能；在这种情况下，通常应用的周期参数包括超调、上升时间 等。 迄今为止，仅仅获得了基于单步增益调节控制器的仿真结果，而目前的商业系统大 多数是基于周期信息的。其中。f o x b o r oe x a c t 和s a t t c o n t r o l 的增益调节控制器，由 沈阳工业大学硕士学位论文 于它们很简单，具有良好的性能，已经在实际应用中褥到广泛接受。他们经常被研究人 员作为基准系统来使用，用来比较最新发展的调节方法的性能。 f o x b o r oe x a c t 自调节控制器使用由b r i s t o l 发展的，也被y o k o g a w a 采用的模式 识别技术。它的操作是通过对误差信号的连续监视，不断调整控制器设置以满足用户的 特殊阻尼环境的要求，甚至在负载扰动或设置点变化的情况下，限制被控系统响应的超 调量。误差信号上出现或不出现相关的变化( 波峰和或波谷) ，它们之间的时间间隔 以及静态误差被假定作为调节输入，它与超调量和阻尼通过一个合适的调节规则集合 ( 库) 建立联系。通过估计开环响应过程对控制器进行初始化，同时可以获得预调模 型。f o x b o r oe x a c t 自调节控制器的主要缺点是需要大量的设置点变化来触发调节过 程；要使用大量的调节( 控制) 规则；而且在正弦扰动的情况下性能较差。 s a t t c o n t r o l 是基于继电调节技术，由a s t r o m 首先提出的，并且应用于f i s h e r 控 制。此技术需要将系统( 被控对象和控制器) 处于被控自振荡状态，以测量其幅值和周 期。这些量与在被控对象的乃奎斯特曲线上的增益穿越位置有关，然后可以用他们来调 节p i d 控制器。更确切地说，由于使用了带延迟的继电特性，利用合成的增益和相位的 边界规则来代替传统的z i e - n i c h d s 调节公式。在更多的特征值当中，当设置点变化较大 时，s a t t c o m r o l 的调节器可以防止被控值的超调。作为一个缺点，有入提到在调节过程 中缺少积分控制，需要一个自偏差特性补偿陋 。 p i d 调节方法具有控制原理简单，使用方便，适应性强，鲁棒性好等优点。常规的 线性p i d 调节器增益参数是固定的，因而这种纯线性的控制器有其根本性的难以克服的 基本矛盾。若要超调小，则难以保证快速性；而若要动态过程快，则超调量将必然增 大。这一点想仅凭线性控制器自身加以克服不太容易。针对这一问题，很多学者提出了 非线性p i d 的思想，设计出多种多样的非线性p i d 控制器来解决这一问题。 本课题完成的主要工作 为了实现控制器增益的自校正，首先要建立自校正问题的数学模型，即找到性能指 标和p i 增益之间的关系。然后，选择有效的方法进行调节，在更新控制器增益之前， 要经过严格的计算、判断。 - 2 沈限工业大学硕士学位论文 本课题要完成的主要工作是：首先通过分析、推导得到自动调节理论。选择适 当的方法实现自动校正调节。用实验来验证本课题理论的正确性。系统学习了关于 非线性p i d 控制理论，掌握了非线性p i d 控制器的性自最及特点。运用计算机仿真来 进一步验证所提方法的正确性。 本课题研究的意义 对于上述提到的系统和其它己知的自调节控制器，大多数在慢速的过程控制( 比如 化学过程) 已经得到证明，但对于快速过程控制( 比如电气驱动的情况) ，则很少有关 于普遍的和实际的调节方法的报告。 本文提出和实现了一种新型的非模型的增益调节方法，提出的方法是基于周期信息 的，起源于对p m s m 驱动的速度暂态响应的精确分析。p i 增益自调节机构的基本思想 如下：按照对单步变化的系统动态性能，在每个周期定义一个性能指标来估计系统的 响应。基于性能指标和p i 增益参数中间值之间的单调关系，通过改进的二分查找算 法来估计的p i 增益参数中问值是沿着提高性能指标的方向。按照估计的增益参数中 间值来计算和更新每个周期中的p i 增益。 通过上述观点，可以实现了对p i 控制器的增益的自调节。这种自调节控制器最显 著的特点是：( ! 垛留了传统的控制器结构，所以现有的系统可以通过增加简单的审查标 准很容易地升级。可以充分地利用过去在控制器设计和调节方面获得的知识。该方 法不依赖于精确定义的数学模型。它不仅在实际应用中容易实现，而且还具有多用性、 稳定性和有效性等特点。 3 沈阳工业大学硕士学位论文 1 永磁同步电动机伺服系统的简述 1 1 永磁同步电动机 1 1 1 永磁同步电动辊概述 永磁同步电动机主要由转子和定子两大部分组成，在转子上装有特殊形状的永磁 体，用以产生恒定磁场。转子上的永磁材料可以采用铁氧体或稀土永磁材料等高性能而 价格适宜的永磁材料，为提高电动机的伺服性能和实用化提供了条件。由于转子上没有 励磁绕组，由永磁体产生磁场，因而不需要引入励磁电流，电机内部的发热只取决于电 枢电流。在电动机的定子铁心上绕有三相电枢绕组，接在可控制的变频电源上。结构 上，定子铁心直接裸露于外界空间，因此散热情况良好，也使电动机易于实现小型化和 轻量化。 1 1 2 永磁同步电动机的结构 为了适应高性能伺服驱动的要求，采用三相永磁同步电动机( p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r ，简称p m s 函f ) 。p m 蹦的结构特点是：用永磁体取代绕线式同步电动 机转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷；转子磁场形状呈抛物线形， 在气隙中产生的磁通密度尽量呈正弦波形分布；定子与绕线式同步电动机基本相同，其 定子电枢绕组采用短距分布式绕组，能最大限度地消除谐波磁动势；要求输入定子的电 流仍然是三相正弦的，每相感应电动势应该为正弦波。 转子结构有：凸装式、嵌入式和内埋式三种基本形式。凸装式交流永磁伺服电动机 实质上是一种隐极式同步电动机，因为永磁材料的磁导率十分接近于空气，所以交、直 轴电感基本相同。而嵌入式和内埋式结构属于凸极式同步电动机，其交轴电感大于直轴 电感，这样除电磁转矩外，还产生了磁阻转矩。由于凸极性是产生磁阻转矩的原因，磁 阻转矩的大小与两轴电感间的差值成正比。利用磁阻转矩可以提高转j 彰电霸t 之比，即 降低永磁体励磁，减小空载电动势。这样不仅可以避免高速区由于过电压造成的危险， 又可在弱磁方式下进一步拓宽速度范围。利用凸极式转子的凸极性，可进行较为灵活的 设计，以此改进电动机的输出和调速特性，又为节省永磁材料提供了可能。 4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 永磁材料的选择综合考虑性能和经济两个方面。目前广泛应用的有铁氧体、稀土钴 和钕铁硼永磁材料。铁氧体材料：价格便宜，矫顽力较高，有一定的抗去磁能力，但剩 磁通密度低，趋向用于电机成本比高性能更为重要的场合。稀土钴材料：与铁氧体材料 比，矫顽力和剩磁通密度都高得多，抗去磁能力良好，但成本高，趋向用于高性能小容 量的伺服驱动系统。钕铁硼材料：矫顽力和剩磁通密度远大于铁氧体，成本比稀土钴低 得多，但也有一缺点即居里温度较低( 约为3 1 04 c ) 和易受腐蚀，但总体来讲是种很 有应用前景的永磁材料- 】。 l13 永磁同步电动机的矢量控制 高性能的永磁同步电动机调速系统一般采用转子磁场定向的矢量控制技术。所谓 “矢量控制”是对电枢电流的幅值直接控制，就可将永磁同步电动机模拟为一台他励直 流电动机，以获得与直流电动机同样的调速性能。由于既需要控制定子电流空间相量的 相位，又需要控制其幅值，所以称它为“矢量控制”。即矢量控制是通过控制d q 轴电 流经过矢量变换或坐标变换实现的，对交直轴电流可以各自独立控制，即对转矩和气隙 磁通可实现独立控制，而且转矩与交轴电流具有线性关系。 图1 1 永磁同步机调速系统工作原理图 5 沈阳工业大学硕士学位论文 永磁同步电动机采用自控式变频调速方法，在电动机轴上安装转子磁极位置检测 器，能检测出转子的磁极位置，控制定子侧变频器的电流频率和相位，使定子电流和转 子磁链总是保持确定的关系，从而产生恒定的转矩。见图l - l 是简单的调速系统工作原 理框图。 图 一 一 - e 、谢 一 19 女；音密磁同啦南旱h n 士日m - 圆 相量图( i d = 旬) l 1 0 图1 3 对电流相位进行控制的同步电动杌 恒转矩调速区 永磁同步电动机的矢量控制原理分析。三相凸极式永磁同步电动机的一相电压 电流相量图如图1 2 所示，其中产u 是端电压，e 是感应电势，i 是相电流，r 是电枢 电阻，墨，) ( q 分别为电枢绕组的纵横轴电抗。若对电流相位进行控制，使i 与一e 同相 位，则其相量图变为图1 3 。 1 14 永磁同步电动机的数学模型 假设同步电动机是线性的，参数不随温度等变化，忽略铁心饱和与磁滞、涡流损 耗，转子无阻尼绕组，永磁材料的电导率为零，相绕组中感应电动势波形为正弦的。图 为p m s m 的d - q 模型原理图。 子电压方程 基于转子坐标系( d - q 轴系) 中的永磁同步电动机定子磁链方程为： f ? ：厶：4 + 吩( 1 - 1 ) l l 虬= 。 其中：吩是转子磁钢在定子上的藕合磁链；厶，厶为永磁同步电动机的直、交轴 主电感；，为定子电流矢量的直、交轴分量。 6 沈阳工业大学硕士学位论文 a b c 轴系甜。= 毽，+ t i d i , + 9 d ? ( y r e “) d q 轴系 fz ，d = r 十p y d 一y 口 = r i q + p y q + 叫d i 却o = r s i o + p y o 其中：“一，甜。为定子电压”。的d , q 轴分量；国为转子角频率；p 为微分算子。 整理方程得： r 甜d = r f d + d p i d c o l g i q l 甜口= r d q + 三e 口+ m 己d i d + c o y ， 图1 4p h c 湖的d - q 模型原理图 7 一 ( 1 - 2 ) ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 磁转矩方程 乙= n y ， ( 卜5 ) d q 轴系 虮= + j 帆 i ，= i d j i q t 。= p 。( 矿。j 。一矿。i 。) = p 。p ，j 。+ d 一三。) 屯i 。j ( i - 8 ) 其中：凡为极对数。从上式可以看出，永磁同步电动机的电磁转矩基本上取决于 定子交轴电流分量和直轴电流分量，在永磁同步电动机中，由于转子磁链恒定不变，故 均采用转子磁链定向的矢量控制方式来控制永磁同步电动机。这时b = n 2 ，t ( 虬) 与 i f ( p ，) 正交与岛同相因此每安培定子电流产生的转矩值最大，即可获得最高的 转矩电流的比值，电动机铜耗也最小。 在基速以下恒转矩运行区中，采用转子磁链定向的永磁同步电动机相量图见图 l 4 ，定子电流矢量位于q 轴，无d 轴分量( f 。：o ) ，即定子电流全部用来产生转 矩，这时其电压方程可写为： 严2 篡q l q ，2 - i 吒， ( 1 栅 1 甜目= 足+ 三q p + 脚眇，= r , i ，+ 口p i 。y ， 。 。 其电磁转矩方程可写为： 无。= n 吩j p = p 。竹 ( 1 - 8 ) 该种控制方式最简单，只要能准确始检测出转子空间位置( d 轴) 通过控锚逆变器 使三相定子的合成电流( 磁动势) 位于q 轴上，那么，永磁同步电动机的电磁转矩只与 定子电流的幅值i 成正比，即控制定予电流的幅值，就能很好地控制电磁转矩，这和永 磁直流电动机的原理类 以。 在基速以上，永磁同步电动机也可以运行在恒功率区，采用定子弱磁的方法， f 。 和矿方向相反起去磁作用，功能是扩展恒功率运行时的速度范围，或者利用屯调节转 矩一速度特性，提高输出功率，改善功率因素等。由于转子采用永磁材料，定、转子有 效空隙大，因而这种“利用电枢反应进行弱磁控制”的方法就要求更大的定子直轴电流 8 沈阳工业大学硕士学位论文 乙= j p ( 国- - ) + b ( - - - ) + z ( i - 9 ) p 。p 。 州瑟o s ( e - - 警争- ) 稀 嫦肿爿髓c c oc 。s 8 ：磊- s i n8 斟辱l r 纠 蚴 9 沈阳工业大学硕士学位论文 离散进行的。有时在一个伺服系统中，兼取连续和离散两种信号形式，组成了所谓混合 式伺服控制。 实际上，从交流伺服电动机的转矩、速度和位置等被控制量来看，无论在模拟控制 还是数字控制方式中，由于有电磁惯性和机械惯性存在，转矩和速度都是连续的模拟 量，而位置这一被控制量由于被脉冲编码器所离散，因而是非连续的。 在模拟控制伺服系统中，输入的指令信号和输出信号都是模拟量，中间的调节器是 模拟式，系统中的电流及转速的检测信号也都是模拟量。由于系统中各处的控制信号都 是模拟信号，因此，使用模拟控制的伺服系统具有以下特点： 由于控制信号是连续的，故整个控制系统控制信号的响应很快。 系统虽然存在着来自内部渐变噪声的影响以及来自外部扰动的影响，使系 统的输出产生误差，但这种误差一般来说不是致命性的，仍可维持系统工作。 控制系统内部和输出状态及变化容易用仪器仪表观察、记录。 然而，模拟控制系统存在如下所述的致命缺点，限制了在高精度伺服控制中的 应用。这些缺点主要有： 由于模拟伺服系统是模拟电子器件构成的系统，模拟电子器件特性具有分 散性，使系统的调整困难，工作点不易准确地调整到设定值。这样作为伺服控制系统驱 动的坐标轴之间会产生增益误差。 模拟器件的工作状态极易受温度影响而产生漂移，破坏已调整好的运行状 态。 由于模拟控制伺服系统基本上是由硬件器件组成，缺少柔性，缺乏复杂的 计算能力，不能发挥软件技术的优势，很难应用现代控制理论的某些成果来改善伺服系 统的性能。 就伺服电动机控制技术的发展过程来看，模拟控制系统是比较成熟的，在数控机 床、工业机器人等机电一体化装置中得到了极为广泛的应用，直到目前为止，仍是伺服 装置产品的主流，它的快速性及低成本对用户还是有吸引力的。模拟控制技术可用于直 流伺服电动机控制，也可用于交流伺服电动机控制。目前在交流伺服电动机控制中仍然 被大量采用。随着数控机床等机电一体化产品的不断发展，对伺服技术的要求越来越 - 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 高，模拟控制技术由于存在上述缺点，已不能满足高精度、高柔性的控制要求，促进了 传统的模拟控制技术向数字控制技术的发展。近年来由于微处理器技术的进步及成本的 降低，为数字控制技术提供了强有力的物质基础。最近，数字控制的伺服系统蓬勃地了 展起来，并广泛用于高精度的机电一体化产品中。数字控制之所以得到如此迅速的发 展，这主要是由于数字控制技术具有以下优点： 因为是用数字信号传送信息的，所以不易受温度影响。 由于采用数字信号交换信息，所以容易实现与上位计算机通讯，容易使伺服系 统纳入整个自动化系统，成为其中的一个有机组成部分。 具有完成复杂规律的计算能力，充分发挥软件技术的优势，使系统具有较高的 柔性，容易应用现代控制理论，使系统具有更高的性能。 采用以微处理器为基础的数字控制技术，实现数字软件伺服，使伺服系统具有 高精度、高智能、高可靠性及快速响应等一系列优良特性。当然，数字控制也存在 一些不足： 控制的响应速度由数字运算单元的运算速度所决定，因而响应速度存在上 限，不及模拟系统快。 一旦受到噪声的严重影响，控制作用可能导致失败。 在目前，数字系统的成本仍然较高。 在实际应用中，针对不同的具体问题，或者采用模拟控制技术或者采用数字控制技 术，有时也采用模拟数字混合控制技术。究竟采用何种方式，要傲具体分析“1 。 1 2 交流永磁同步电动机伺服系统 12 1 永磁衙步电动机伺服系统概述 交流伺服系统由于克服了直流伺服电动机存在电刷和机械换向器而带来的各种限 制，因此在工厂自动化中获得了广泛的应用。在异步笼型交流伺服电动机和同步型交流 伺服电动机动机这两种类型中，目前，在数控机床、工业机器人等小功率应用场合，转 子采用永磁材料的同步伺服电动机驱动获得了比前者更为广泛的应用。这主要是因为现 代永磁材料的性能不断提高，价格不断下降，控制相对异步电动机来说也比较简单，容 易实现高性能的优良控制之故。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 2 2 永磁同步电动机伺服系统的结构 图1 5 永磁同步电动机伺服系统结构图 永磁同步电动机伺服系统主要由永磁同步电动机、速度和位置传感器、功率逆变器 和p w m 生成电路、速度控制器和电流控制器四部分组成。图1 5 为永磁同步电动机伺服 系统的结构图： 增量式光电编码器概述 增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应一个增量位移角，但不 能通过输出脉冲区别出是哪一个增量位移角，即无法区别是在哪个位置上的增量，编码 器能产生与轴角位移增量等值的电脉冲。这种编码器的作用是提供一种对连续轴角位移 量离散化或增量化以及角位移变化( 角速度) 的传感方法，它不能直接检测出轴的绝对 角度。 增量式光电编码器由以下四个基本部分组成：光源、转盘( 动光栅) 、遮光板( 定 光栅) 和光敏元件。 转动圆盘上刻有均匀的透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期。遮光 板上刻有与转盘相应的透光缝隙，以用来通过或阻挡光源和位于遮光板后面光敏元件之 问的光线。通常，遮光板上所刻制的两条缝隙使输出信号的电角度相差9 0 ，即所谓两 路输出信号正交。同时，在增量式光电编码器中还备有用作参考零位的标志脉冲或指示 脉冲，圆盘每转动一周，只发出一个标志脉冲。因此，在转动圆盘和遮光板相同半径的 对应位置上刻有一道透光缝隙。标志脉冲通常与数据通道有着特定的关系，用来指示机 械位置或对累积量涛零。 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 123 永磁同步电动机的控制系统 系统主回路的组成有：脉宽调制( p 喇) 变频器，永磁同步电动机，转子位置检测 器，电流传感器和速度传感器。 系统控制回路的组成有：速度调节器，矢量变换电路，电流调节器，p 聊生成器及 驱动电路和转速变换电路。 功率逆变器主要由整流器和逆变器两部分组成。整流器将输入的三相交流电整流成 直流电，经过电容器滤波平滑后提供给逆变器作为它的直流输入电压。逆变器的作用是 在p 啊( 脉冲宽度调制) 控制信号的驱动下，将输入的直流电，变成电压与频率可调的 交流电，输入到伺服电动机的电枢绕组中。p w m 回路以一定的频率产生出触发功率器件 的控制信号，使功率逆变器的输出频率和电压保持协调关系，并使流入的电枢绕组中的 交流电保持良好的正弦性。 变频器的整流器采用集成的三相全波三极管整流桥模块，使主回路小型化。逆变器 所用的电子开关可采用全控制电力电子器件，如g t r 、i g b t 或m o s f e t 等。主回路的结 构决定了变频器为交鱼交电压型p w m 逆变器，控制目标为电压。从电机的控制理论 知道：高性能调速系统的关键是控制电动机的电流矢量，即按磁场定向控制的要求控制 好电流矢量的幅值与相位。又由于正弦型永磁同步电动机采用转子磁链定向控制，电流 矢量的相位由转子位置检测器和矢量变换电路保证，电磁转矩只与定子电流的幅值成正 比。因此，必须对电压型逆变器进行改造，变成以电流为控制目标的电流型逆变器。简 单的方法是改造成电流跟踪型p 啊逆变器，它的控制目标是让输出电流在一定的误差范 围内，跟随给定电流的变化。图1 6 是滞环电流跟踪型p w m 逆变器单相结构示意图。其 工作原理是：当反馈电流的瞬时值i ，与给定电流i 丰之差达到滞环的上限值时，即i ，一i 木 皿2 ( 鹏为滞环宽度) 时，逆变器( 见图l _ 6 ) 的v 。关断，v i 导通，电动机接电压_ u ，i 。下 降；相反，当i f _ i 木- h b 2 时v l 导通，v 。关断，电动机接电压+ u ，i 。上升。这样，通过 v ，、v 交替通断，使i f - i 丰m 2 达到i f 跟踪i 丰的目的。 1 3 沈阳工业大学硕士学位论文 图1 7 滞环电流跟踪型p 肼逆变器单相结构示意图 这种电流跟踪型p 眦逆变器兼有电压型和电流型逆变器的优点：结构简单，工作可 靠，响应快，谐波小；采用电流控制，特别适用于高性能的矢量控制系统。又因其电流 动态响应快，系统运行不受负载参数的影响，实现方便，所以常用于高性能的交流伺服 系统中。由于永磁同步电动机定子三相常接成星形，且中点悬空，故三相中有一牛耳不独 立，考虑到三相平衡，故回路中电流检测只有两相，另外一相的反馈电流通过被测两相 电流相加取反后得到。 电流调节器( 滞环型) 与p 附回路组合成电流跟踪型p 哪逆变器，可以认为逆变器 的实际输出电流就是给定电流。这样，控制系统只需根据转子磁场定向控制的要求，解 决好给定电流i 丰的幅值、频率和相位就行了。 12 4 永磁同步电动机伺服系统的工作原理 p m s m 伺服系统工作原理简述如下：速度指令和速度反馈信号在速度控制器的输 入端进行比较，速度控制器的输出信号为电流指令信号，这是一个表征电流幅值的直流 量。但电动机是交流电动机，要求在其定子绕组中通入交流电流。因此，必须将速度控 制器输出的直流电流指令交流化，该交流电流指令的相位由转子磁极位置决定，电流指 令的频率由转子磁极的旋转速度来决定，并且把电流指令矢量控制在与磁极所产生的磁 通相正交的空间位置上，这样就可以达到与直流伺服电动机相似的转矩控制。为此，将 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 位置检测器输出的磁极位置信号，在乘法器中与直流电流指令值相乘，从而在乘法器的 输出端就获得了交流电流指令。交流电流指令值与电流反馈信号相比较后，差值送入电 流控制器。依靠电流控制回路的高速跟踪能力，使在电动机定子电枢绕组中产生出波形 与交流电流指令相似但幅值要高得多的正弦电流，该电流与永磁体相互作用产生电磁转 矩，推动永磁同步电动机运动【4 】。 1 5 沈阳工业大学硕士学位论文 2 控制器增益自动校正理论的论述 2 1 控制器简述 21 1 比例积分( p 1 ) 控制规律 u ( t ) + 图2 1p i 控制器 具有比例积分控制规律的控制器，称p i 控制器( 如图2 1 所示) 。其输出信号1 1 1 ( t ) 同 时成比例地反应输入信号e ( t ) 及其积分，即 r e ( t ) = k p e ( ，) + 等卜( t ) d t i 其中珞为可调比例系数，t i 为可调积分时间常数。 在串联校正时，p i 控制器相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也 增加了一个位于s 左半平面的开环零点。位于原点的极点可以提高系统的型别，以消除 或减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能；而增加的负实零点则用来提高系统的阻 尼程度，缓和p i 控制器极点对系统稳定性产生的不利影响。只要积分时间常数t i 足够 大，p i 控制器对系统稳定性的不利影响可大为减弱。在控制工程实践中，p i 控制器主 要用来改善控制系统的稳态性能。 p i 控制器在控制领域中己被广泛应用，尤其在永磁同步电动机交流伺服系统中更为 普遍，它己成为伺服系统必不可少的组成部分。 2 1 2 比例积分微分( p 口d ) 控制规律 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 图2 2p i d 控制器 具有比例一积分一微分控制规律的控制器称为p i d 控制器( 如图2 2 所示) 。这种 组合具有三种控制规律的各自特点。p i d 控制器的输出是： m 一讣鲁胁) d r 竭掣 相应的传递函数为： g ( 5 ) = k p ( 1 + 去+ s ) 在串联矫正中，采用p i d 控制器可以提高系统的型别，并提供两个负实零点。较 p i d 控制多出一个负实零点，从而在提高系统动态性能方面具有更大的优越性。p i d 控 制器广泛应用于工业控制中。其参数的选择通常按照如下原则，应使积分( i ) 部分发 生在系统频率特性的低频段，以提高系统的稳态性能；使微分( d ) 部分发生在系统频 率特性的中频段，以改善系统的动态性能。 为了比较各控制器的控制效果，对于同一被控对象在相同阶跃输入下，不同控制器 对应的系统阶跃响应显然是具有三作用的p i d 控制器控制最好。但这也并不意味着，在 任何情况下采用三作用的p i d 控制器都是合理的。因为，如果控制器参数整定不当，那 么也无法发挥出控制器应有的作用i “】。 模拟p i d 控制器 p i d 控制器是由高放大倍数( 可达1 0 5 - - 1 0 8 ) 的运算放大器并引入不同性质的深度 负反馈组合成的，又称为有源补偿电路。图2 3 为两种不同形式的模拟p i d 控制器结构 图。 1 7 沈阳工业大学硕士学位论文 ( a ) ( b ) 图2 3 两种不同形式的模拟p i d 控制器结构图 图a 对应的控制器传递函数为： 矿蟑) = t 2 t 3 $ 2 + t 2 丽( 1 + - s ) + t 3 s + 1 式中，= 墨c l ，e = r c ：，五= r c 3 。 图a 对应的控制器传递函数为： 形(s)：(t2t3+t3t4+t4ts)s：+it2+t3+t4+tss+1 。t , s ( t , s + 4 、 式中，五= rc l ，瓦= r 2 c 2 ，五= r c l ，l = r 4 c ：，瓦= r c l 。 模拟p i d 控制器不仅可以对信号幅值起大放大作用外，还可以对信号产生超前或滞 后作用，并且具有响应快速的特点。模拟p i d 控制在自动控制系统中得到了广泛应用。 但是模拟器件自身的固有缺点，如器件的工作状态极易受温度影响而产生漂移，破坏已 调整好的系统运行状态：模拟器件的分散性，使系统调整困难，工作点不易准确的调整 1 8 沈阳工业大学硕士学位论文 到设定值；特别是模拟器件缺乏柔性，缺乏复杂的计算能力，不能发挥出软件技术优势 这一缺陷极大的限制了模拟p d 的应用，使其难以实现高精度、高性能的控制要求。 数字p l d 控制器 图2 , 4 数字p i d 控制器的原理图 计算机技术的不断发展为数字化控制技术提供了良好的物质基础。由于计算机具有 运算速度快、精度高、存储量大、编程灵活及很强的通信能力等特点，因此广泛应用于 各种工业控制中。特别是近年来，由于微处理器技术的进步及其成本的降低，为数字控 制技术提供了强有力的工具。 数字控制技术具有如下主要优点： 1 ) 在数学控制中，因为采用数字信号传送信息，所以不易受温度的影响。 2 )由于采用数字信号交换信息，所发容易实现与上位计算机的通讯，容易使伺 服系统纳入整个自动化系统，成为其中的一个有机组成部分。 3 )数字控制技术能够充分发挥出软件技术优势，具有完成复杂控制规律的计算 能力，使系统具有较高的柔性，容易应用现代控制理论，使系统具有更高的性能。 p i d 控制是工业控制中应用最广泛的一种基本控制规律。常用的数字化p i d 控制算 法有 i 位置型p i d 算法 位置型p i d 算法以连续系统的p i d 控制规律为基础，然后将其数字化，写成离散 形式。图2 4 为一典型p i d 数字控制系统。 在连续系统中，p i d 控制规律可表达如下： 删= 坼扑鲁r e ( t ) d t 蝎警 式中，t i 为积分时间常数，t d 为微分时间常数。 1 9 沈阳工业大学硕士学位论文 即： 选择采样周期为t ，初始时刻为零。将上式的积分用求和代替，微分用差分代替， 胁矽z ，喜哟 d e ( t ) 。e ( n ) - e ( n - 1 ) a r tt 式中，e ( n ) = r ( n ) 一y ) 表示n 第次采样时刻的偏差值，将式带入。则可以得到如 下差分方程。 硼m ，b 专扣寺咖棚廿 = k p e + 蜀s + 如k ( 拧) 一e 一1 ) 】 式中，局= 足，号称为积分系数；k d = 足，等称为微分系数。 由位置型p i d 算法可以看出，控制器的输出为全量数学户。在计算过程中不仅需要 当前时刻与上一时刻的信号偏差。( n ) 和e ( n - 1 ) ，而且还要对历次偏差信号a e ( i ) 进行累 加。这样不但使计算繁琐。而且还为保留i ) 占用很大内存。此外，当计算机出现计算 误差时，会使输出u ( n ) 产生大幅度变化，对控制十分不利。为了改善这种情况，常将全 量输出改为增量输出。 增量型p i d 算法： 增量型p i d 算法广泛应用于控制中，其特点是在前一次输出的基础上，本次只做增 量计算。算法推导如下。由式可得： 岍驴髟卜，专静辱k 旷妒2 ) 】) 得输出增量为： ( 帕= 甜伽) - u ( n 1 ) = 砟 一e 加叫】+ i te + 等p 一知伽- 1 ) + e 。一2 ) 】 = 置，k 伽) 一e ( n 1 ) 卜p o ，) + 足。k 即) 一2 r ( n 1 ) + e o 一2 ) 1 2 0 沈阳工业大学硕士学位论文 上式表明，计算的结果为一增量值。即在每一次输出的基础上叠加一个增量。这 样，当计算机在某一拍计算出错时也不至于对系统运行产生过大的影响。因此，增量型 p i d 算法比较可靠，而且算法简单。在实际应用中，通常为编程方便而采用简单的控制 形式。只要将式改为： a u ( n ) 2 ( k p + 墨+ k 0 ) p ( 疗) 一( k p + 2 k d 弦一1 ) + 足j e ( n 一2 ) 若令： a = k p + k i + k 。，b = k p + 2 k 。，c = k d 则可写成： 盯( 玎) = a e ( ，0 一b e ( n 1 ) + c 匆( 门一2 ) a 、b 、c 三个动态参数为中间变量。由式已经反映不出比例、积分和微分的作 用，它只反映各次采样偏差对控制作用的影响。因此称式为偏差系数控制算式。 数字控制与模拟控制相比，虽然优点突出，但仍存在着以下不足之处： 1 ) 模拟控制属于连续控制方式，即控制作用每时每刻都在进行，而数字控制属 于离散控制方式，即控制量在个采样周期内是不变化的。 2 ) 由于计算机的数值运算和输入输出需要一定的时间，所以控制作用在时间上 存在延迟。 3 ) 数字控制系统一旦噪声的严重影响，控制作用可能导致失败。 为此，必须发挥计算机运算速度快、逻辑判断能力强、编程灵活等优势。这样才能 建立许多模拟控制器难以实现的特殊控卷8 规律，从而在控制性能上超过模拟控制器。为 了改善p d 数字控制器的控制质量，目前已在p i i ) 数字控制算法中引进了许多改进措 旖，形成了多种形式的改进p d 算法。随着数字控制技术的发展，数字p d 控制已经 得到越来越广泛的应用【9 】。 2 2 控制器自动校正数学模型建立 2 2 1 北森氏部分模型匹配法 为了决定各种控带规律( p i 、p d ) 的增益，可以采用有关书中所介绍的频率特性 法和根轨迹法。这里仅介绍日本学者兹森氏提出的部分模型匹配设计法，该方法只适用 - 2 1 沈阳工业大学硕士学位论文 于控制对象的传递函数已确定的情况。在这种情况f ，各种控制作用的增益可以通过比 较简单的代数运算就能唯一确定，因而在工程上有一定的应用价值。 现在，假设包括控制器在内的系统闭环传递函数为 日( o ：鱼垫兰毕( 2 - 1 ) 口o + o i s + a 2 s + 式中6 pb 、b ：、n 。、a