（电力电子与电力传动专业论文）模糊滑模控制技术在交流永磁电机中的应用.pdf

西华大学硕士学位论文 公司生产的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列有关技术资料，选用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 控制芯片设 计硬件试验平台进行空间矢量控制技术的研究，它提供了一套针对c 2 x x 的集成 开发环境为c c 的应用软件，在此集成环境下用c 语言编写程序，程序包括初始 化程序、主循环程序、磁场定向实时矢量控制的下溢中断子程序、电流电压采 样a d c 中断子程序，p i d 控制和模糊滑模控制程序，对这些程序进行试验调试， 达到应用实际工程的目的。 关键词：永磁同步电机，滑模变结构控制，抖振，模糊控制，模糊滑模控制， 空间矢量控制 西华大学硕士学位论文 a p p l i c a t i o no ff u z z ys l i d i n gc o n t r o lt e c h n o l o g y i na cp m s m p o w e re l e c t r o n i ca n dp o w e rd r i v e p o s t g r a d u a t ec h u a n d o n gd i n g a d v i s o rj u nw a n g a b s t r a c t t h ep m s ma cs e r v os y s t e mc o n t r o lm e t h o db a s e do nd s pi ss t u d i e di nt h i s p a p e r f i r s t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm o d e m c o n t r o lw a y sa r ei n t r o d u c e d b a s e do n t h er e f e r e n c ei nd o m e s t i ca n df o r e i g n ，t h es l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l a n df u z z yc o n t r o la r ea n a l y z e d c o m b i n gt h e i ra d v a n t a g e s ，t h ef u z z ys l i d i n gv a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o li na p p l i c a t i o no fp m s mi si n t r o d u c e d t h el i m i t a t i o ni ns l i d i n g m o d ev a r i a b l ec o n t r o li st h eh a r mb r o u g h tb yc h a t t e r i n g t h a t ss i m u l a t e db ym a t l a b s o f t w a r e t h eb a de f f e c ti sr e d u c e db ye x p o n e n tr e a c h i n gl a w , b u ti t sn o tac o n t r o l l a wr e s o l v i n gc h a t t e r i n g s ot h ea d v a n t a g eo ff u z z yc o n t r o li sa n a l y z e da n di t s a p p l i e di nm o d e ma cv a r i a b l es p e e dc o n t r 0 1 f u z z yc o n t r o li sn o tc o m p l e t e l y d i s p e n s a b l e t ot h ea c c u r a t em o d e lo fp m s m m o r e o v e r , i tc a l lo v e r c o m et h e i n f l u e n c eo fn o n l i n e a rf a c t o nf u r t h e r m o r e ，i t sw i t hf a s tr e a c t i o n ，i n s e n s i t i v et o d i s t u r b a n c ea n di td o e s n tn e e do n l i n ei d e n t i f i c a t i o n t h ec h a t t e r i n gi sc l e a r e db y e x p e r te x p e r i e n c e ，t h u sr e s o l v i n gt h eh a r mb r o u g h tb yc h a t t e r i n g b e c a u s et h es t r o n g r o b u s t n e s st oc h a n g e a b l ep a r a m e t e r sa n dd i s t u r b a n c e ，t h es l i d i n gm o d ev a r i a b l e c o n t r o lc o m b i n e dw i t ht h ef u z z yc o n t r o lw i l lb ew i d e l yu s e di na cm o t o rv a r i a b l e s p e e dc o n t r o ls y s t e m i tc a nr e s o l v et h ep r o b l e mt h et r a d i t i o n a lc o n t r o lc a n td o ， e s p e c i a l l yf o rm u l t i p l ei n p u t , m u l t i p l eo u t p u t ，n o n l i n e a ra n ds t r o n gc o u p l i n gi nt i m e v a r y i n gs y s t e m t h ec o n t r o lw a ya b o v ei su s e di nm o d e mt i m e s ，t h ed s pi st h e r e s u l to fm i c r o e l e c t r o n i c s ，d i g i ts i g n a lp r o c e s sa n dc o m p u t e rt e c h n i q u e i ns e r v o c o n t r o lf i e l d ，m o d e mc o n t r o lt h e o r yw i t hf u l l d i g i t a l c o n t r o l t e c h n i q u e i st h e 西华大学硕士学位论文 e s s e n t i a lw a yf o rh i g hp e r f o r m a n c es e r v oc o n t r o ls y s t e m f o rt h eh i g hs p e e d c a l c u l a t i n ga b i l i t y a n dp a r t i c u l a rh a r d w a r es t r u c t u r e ，d s ph a v et a k e np l a c eo f c o m p u t e ra n ds i n g l e c h i pc o m p u t e ri nm a n ya p p l i c a t i o ns y s t e m s a f t e rl e a m i n gt h e m a t e r i a la b o u tt m s 3 2 0 c 2 0 0 0p r o d u c e db yt ic o m p a n y , t h es p a c ev e c t o rc o n t r o l t e c h n i q u ei ss t u d i e db yu s i n gt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t od e s i g nt h eh a r d w a r et e s tp l a t f o r m i tp r o v i d e st h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ec a l l e dc ct ot h ec 2 x xi n t e g r a t e de n v i r o n m e n t t h ep r o g r a mi sc o m p i l e db ycl a n g u a g ei nt h i se n v i r o n m e n t t h ep r o g r a m si n c l u d e si n i t i a lp r o g r a m , m a i nc y c l ep r o g r a m , o v e r f l o wp r o g r a m o fm a g n e t i cf i e l do r i e n t e dc o n t r o l ，v o l t a g ea n dc u r r e n ts a m p l i n ga d c i n t e r r u p t i o n s u b p r o g r a m , p i d - c o n t r o la n df u z z ys l i d i n gm o d ec o n t r o lp r o g r a m a f t e rt h et e s t , i t c a nb ea p p l i e di np r a t i c a lp r o j e c t s k e y w o r d s ：p m s m ，v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ，c h a t t e r i n g ，f u z z ys l i d i n gm o d e c o n t r o l ，s p a c ev e c t o r c o n t r o l 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学术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。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，也不包含为获得西华大学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。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果 归西华大学所有，特此声明。 作者签名：5 佛专、妒缉月髫日 导师戤_ 千细日 9 3 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 随着电力电子技术、微处理机技术、传感技术、现代控制理论的发展以及电 机制造技术的巨大进步，使得交流伺服系统控制技术的研究与发展应用取得巨大 成果，其动、静态性能已达到可以与传统直流伺服系统相媲美，由于直流电机结 构上机械换向器和电刷的存在，使得其可靠性和实用性大大降低，所以交流伺服 取代直流伺服这一愿望正在逐步变为现实。交流永磁同步电机是从绕线式转子同 步电机发展而来的，它用强抗退磁的永磁转子代替绕线式转子，因而淘汰了易出 故障的绕线式转子同步电机的电刷，克服了其致命的弱点，同时它兼有气隙磁密 度高、转矩脉动小、结构简单、体积小、重量轻、低惯性、效率高及转子无发热 等特点。由于现代永磁材料的性能不断提高，价格不断下降，控制相对比较简单， 因此很快便在高性能的伺服系统中得到了广泛地应用，例如航空航天、工业机器 人、数控机床、柔性制造系统、军用武器跟踪系统等各种自动化设备领域。交流 伺服系统控制技术正在向数字化、高集成化、智能模块化发展。随着新的控制理 论和新型电力电子器件的出现，又为电气控制技术的发展开拓新的途径。 1 1 交流伺服系统n 1 在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的 系统称为随动系统，亦称为伺服系统。伺服系统由伺服驱动装置和执行元件( 即 伺服电机) 组成，高性能的伺服系统还有检测装置及反馈实际的输出状态，它的 作用在于接受上位控制装置的指令信号，驱动被控对象跟随指令信号运动，并保 证动作的快速性和准确性，使用交流电动机作为执行元件的称作交流伺服系统。 按控制方式划分有开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。 1 1 1 交流伺服系统的发展状况1 二十世纪六十年代前，伺服系统主要以步进电机驱动液压伺服系统或以功率 步进电机直接驱动，位置控制多为开环系统，虽然控制方式简单，但控制精度很 差。七、八十年代前，直流伺服电机的出现并快速取代了步进电机驱动的液压伺 服系统，由于它控制方式简单，响应速度快，定位精确、跟踪精度高及稳定性好， 并具有良好的输出特性。因此直流伺服系统一度占据着速度控制和位置控制的统 治地位。但是，直流电机结构复杂、成本高、故障多、难维护而影响生产，机械 换向器限制了它的容量和转速，接触式的电流传输方式及电刷产生的火花又限制 1 西华大学硕士学位论文 了它的使用场合，电枢在转子上造成效率低下，转子散热条件差，这些固有的缺 陷使得直流伺服系统的进一步发展受到了限制。 从八十年代开始，交流伺服电机由于克服了直流伺服电机存在电刷和机械换 向器而带来的限制，使得交流伺服技术取得了长足进步，并开始逐渐取代直流伺 服系统。按交流电机类型分类，目前的交流伺服系统主要包括感应电机交流伺服 系统、同步电机交流伺服系统和永磁电机交流伺服系统。感应电机因为结构简单、 体积小、重量轻、价格便宜、维护方便的特点，在生产和生活中得到广泛的应用。 由于计算机技术的发展及近二十年来新型快速的电力电子元件的出现，才使得感 应电机的调速成为可能，并得到迅速的普及。其控制方式常采用矢量控制和直接 转矩控制，易实现高速运行下的弱磁控制，但由于转子磁场的位置依靠数学模型 计算，特别是在低速运行时，误差较大，控制精度不高，还存在效率低下，发热 严重等技术难题，使得感应电机伺服系统只能应用于控制精度要求不高的领域， 例如风机、泵类、传送带等。相对于感应电机，同步电机具有功率因数高、转子 参数及磁场可测的优点，且转速由电枢电流的频率和极对数共同决定，故控制也 相对简单，但同步电机的转子通过直流励磁，仍然需要滑环和炭刷装置，直流励 磁电源，从而加大了成本和维护负担。永磁电机是近几年发展比较快的新型电机， 其结构上类似于同步电机，用永磁体替代转子励磁绕组来产生恒定的转子磁场， 从而省去了转子滑环和炭刷装置，克服了同步电机的不足。根据电机反电动势波 形的不同可分为两类：反电动势波形为方波的永磁电机称为无刷直流电机( b l d c ) ； 反电动势波形为正弦波的永磁电机称为永磁同步电机( p m s m ) 。随着控制技术的成 熟，永磁同步电机在现代工业自动化领域中的应用越来越广，目前已经成为交流 伺服控制系统中的研究热点之一。 1 1 2 永磁同步电机在交流伺服系统中的应用1 自1 8 3 1 年世界上第一台电机诞生以来，电机已经广泛地应用于国民经济生产 的各个领域和人们的日常生活中间。本世纪二十年代，美国g b 公司利用铁氧体磁 钢研制出第一批微型永磁同步电机以来，从1 9 8 4 年起，各工业发达国家竞相研制 高性能的永磁同步电机，是由于它有自身的特点：l 、电机的转速与电源频率间始 终保持准确的同步关系，因此控制电源的频率就能控制电机的转速。2 、具有较硬 的机械特性，对于因负载的变化而引起的电磁转矩扰动具有较强的承受能力。3 、 转子用的永磁体，无需励磁，因此可以在低速下保持同步运行且调速范围宽。和 西华大学硕士学位论文 异步电机相比，优势在于：1 、节能效果明显。用永磁体代替电励磁，无励磁损耗， 定、转子同步，转子没有铁损耗，因此永磁同步电机的效率较电励磁同步电机和 异步电机高的多，且不要从电源中吸取滞后的励磁电流，从而大大节约了无功功 率损耗，极大地提高了电机的功率因数。2 、稀土永磁同步电机较其他电机在同功 率密度的情况下，体积大为减小，重量降低。3 、转子结构简化，提高电机运行的 稳定性。正是由于永磁同步电机具有如此优异的特性，引起国内外专家、学者的 广泛关注。1 9 7 1 年，由德国f b l a s c h k e 提出了交流电机矢量变换控制理论n 躬， 它是以转子磁场定向，在同步旋转坐标系下，把定子电流矢量分解为：一个分量 与转子磁链矢量重合，产生磁通，称为励磁电流分匕：另一个分量与转子磁链矢 量垂直，产生转矩，称为转矩电流分量i 。通过控制定子电流矢量在旋转坐标系 的位置和大小，即可控制励磁电流分量和转矩电流分量的大小，实现交流电机象 直流电机那样对磁链和转矩控制的完全解耦。该控制方法首先应用在感应电机上， 取得了很好的控制效果，很快就移植到同步电机上，同样取得令人满意的控制效 果。由于矢量控制采用了坐标变换，计算量大，所以对控制器的运算速度、处理 能力等要求较高。1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的教授d e p e n b r o c k 提出的异步电机直 接转矩控制技术是继矢量变换控制之后在交流调速领域里出现的一种新型变频调 速技术。直接转矩控制较矢量控制不同，它把转矩直接作为被控制量进行控制， 具体控制思想是：用空间矢量分析法，直接在定子坐标系中计算与控制交流电机 的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生脉宽调制( p w m ) 信号， 直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得高动态性能。直接转矩控制摒弃 了矢量控制的解耦思想，在很大程度上克服了矢量变换控制计算复杂，控制效果 受转子参数变化较大等缺点。直接转矩的控制系统结构简单、转矩响应速度快、 鲁棒性强、控制性能优良及控制思路新颖，受到很多学者的关注。直接转矩控制 迟迟不能推广到同步电机上的原因是同步电机和异步电机运行机理有着本质差 别。异步电机直接转矩控制是建立在对电机转差角频率控制的基础上；而同步电 机理论上是不存在所谓的转差角频率。因此，直接转矩控制应用于同步电机上首 先需要解决的是其控制理论问题。 1 1 3 交流伺服系统的控制策略n 0 【3 2 】 高性能交流伺服系统的发展离不开先进控制策略的成功应用，优良的控制策 略不但可以弥补硬件设计上的不足，而且能进一步提高控制系统的性能。将控制 西华大学硕士学位论文 理论的最新成果引入伺服系统的控制之中。随着微电子技术的迅速发展，各种高 性能的微处理器不断地推出，使得许多以前在模拟控制中难以实现的先进复杂的 控制策略得以应用到伺服系统中。 目前，在交流伺服系统中应用的各种控制策略大致可以分为三类：1 、针对交 流电机数学模型的控制策略，即传统的控制策略。如p i d 控制、反馈控制、矢量 控制、直接转矩控制等。其中p i d 控制算法蕴涵了动态控制过程中的过去、现在 和将来的信息，通过最优化配置可以满足常规场合需求，是交流伺服系统中最基 本的控制方式，其应用广泛，与其它新型控制思想结合，形成许多具有使用价值 的控制策略晗别。在对象模型确定、参数不变化且为线性，以及操作条件、运行环 境确定的情况下，采用传统控制策略具有简单有效的优点。2 、基于现代控制理论 的控制策略。如自适应控制、变结构控制、鲁棒控制、最优控制、预见控制等。 现代控制理论策略考虑了对象的结构与参数变化、各类非线性影响、运行环境的 改变以及环境干扰等时变和不确定因素。3 、基于智能控制思想的控制策略。如模 糊控制、神经网络控制、专家控制、遗传算法等。智能控制策略具有不依赖对象 的数学模型，有很强的鲁棒性，能够很好地克服伺服系统中模型参数变化和非线 性等不确定因素的影响。在这三类控制策略中，传统控制策略最为简单有效，但 是纯粹基于电机的数学模型控制策略是其很大的弱点，即不可避免地要受到电机 参数变化的影响，而且对交流电机数学模型的认识还需要进一步提高。一个高性 能的交流伺服系统必须具有良好的快速性、稳定性、对系统干扰和系统参数变化 的鲁棒性。由于交流伺服系统存在参数时变、负载扰动以及交流电机自身和被控 对象严重的非线性、强耦合性等不确定因素，对控制策略方面的要求很高，而这 些要求不是一般传统控制策略能满足的。理想控制策略不仅要满足系统具有良好 的动、静态性能，而且还应对系统负载扰动和电机参数变化具有强鲁棒性。滑模 变结构控制属于现代控制的范畴，以其对系统的数学模型精确性要求不高，对系 统的不确定参数、参数变化、数学模型描述不准确性以及外界环境的扰动具有完 全的自适应性，在交流伺服系统控制领域展示了良好的应用前景。尤其可贵的是 其算法简单，易于工程实现，使得这种控制方法得到了人们的重视和深入研究。 4 西华大学硕士学位论文 1 2 滑模变结构控制n 钔呛明 1 2 1 滑模变结构控制发展状况皿儿朝 变结构控制理论在2 0 世纪5 0 年代末由前苏联学者s v e m e l y a n o v 倡导，其 后由v i u t k i n 等追随研究。7 0 年代，变结构系统以其独特的优点和特性引起了 西方学者的广泛重视，并进而被众多学者从不同的理论角度，运用各种数学手段 对其进行了深入的研究，使得变结构控制理论逐渐发展成为一个相对独立的研究 分支n 刚 2 3 。到目前为止，变结构控制理论研究大致可以分为三个阶段：1 、从滑模 控制理论的诞生到单输入控制系统的时期( 1 9 5 5 - - 1 9 7 0 ) 。这个时期的研究主要是 由前苏联学者集中在规范空间中进行的，其研究重点可以归纳为以下几点：滑动 模态的存在性，滑动模态的稳定性，参数随时间变化的系统系统参数变化与外 界干扰的影响和状态非完全可测系统。2 、多输入多输出系统的滑模控制阶段 ( 1 9 7 0 1 9 8 0 ) 。在此期间，一般线性系统的滑动模态控制理论得到进一步确立， 但此阶段建立起来的滑模控制系统大多是理论上的研究成果，真正在工业上得到 应用的例子还是不多见。3 、高速发展的现阶段( 1 9 8 0 - - 现在) 进入8 0 年代以来， 滑模控制系统理论得到了迅速发展，其表现在两方面：一是从理论上对复杂的系 统确立了滑模控制系统的设计方法；另一个是完全阐明了滑模控制系统对系统参 数摄动以及外干扰的鲁棒特性，其结果是从理论和应用两个方面都加速了滑模控 制系统的研究和发展。进入9 0 年代后，滑模控制理论在一般线性的研究基础上， 正在向其他控制系统渗透，主要表现有：非线性系统、具有概率分布参数系统、 时间延迟系统和复合系统的滑模控制。变结构控制( v s c ) 本质上是一类特殊的非 线性控制，其非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略的特点在于系统的结 构并不固定，而是可以在动态过程中根据系统当前的状态，如偏差及其各阶导数 等，有目的地不断变化，迫使系统沿预定的“滑动模态”的状态轨迹运动，所以 又常称变结构为滑动模态控制( s m c ) ，即滑模变结构控制。 1 2 2 滑模变结构的研究应用啪h 3 3 1 k d y o u n g 等从工程的角度对滑模控制进行了全面的分析，并对滑模控制所 产生的抖振进行了精确的分析和评估，针对连续系统中的抑制抖振给出了七种解 决方法，并针对离散系统在三种情况下的滑模设计进行可分析，为滑模控制在工 程上的应用提供了有益的指导。对变结构控制的研究大多集中在滑动模态上，而 j 西华大学硕士学位论文 对进入切换面之前的运动，即正常运动段研究较少。我国学者高为炳院士等首先 提出了趋近率的概念，列举了诸如等速趋近率、指数趋近率、幂次趋近率直到一 般趋近率；还首次提出了自由递阶的概念。 在解决十分复杂的非线性系统的综合问题时，变结构系统理论作为一种综合 方法得到了重视。但是滑模变结构对系统的参数摄动和外部干扰的不变性是以控 制量的高频抖振换取的，由于在实际应用中，这种高频抖振在理论上是无限快的， 没有任何执行机构能够实现；同时这样的高频输入很容易激发系统的未建模特性， 从而影响系统的控制性能，因而抖振现象给变结构控制在实际系统中的应用带来 了困难。由于人们认识到变结构系统中的滑动模态具有不变性，这种理想的鲁棒 性对工程应用也是很有吸引的。高精度伺服系统存在着许多不利于控制系统设计 的因素，如非线性因素、外部干扰及参数摄动等。由于离散滑模变结构自身的缺 点，将其直接应用到高精度伺服系统中将会有一定的困难，因为控制输出的高频 抖振会损坏伺服系统中的电机和其他设备。要将离散变结构控制进行改进，并针 对抖振现象改进离散滑模控制器，将有害的抖振减小到一定程度，并且又要保证。 滑模控制的不变性。 1 3 模糊控制瞄1 1 3 1 模糊控制发展状况口幻 以状态空间法为基础的现代控制理论从2 0 世纪6 0 年代初期发展以来，已经 取得了很大进展，特别是在航天、航空等领域取得了辉煌的成果。利用状态空间 法分析和设计系统是设计控制系统的手段，它提高了人们对被控对象的洞察力， 对控制理论和控制工程的发展起到了积极的推动作用。但是随着科学技术的迅速 发展，现代控制理论的局限性日益明显。这主要表现在以下三个方面： 1 、现代控制理论的基础是被控对象要建立精确的数学模型。然而，随着科学 技术和生产的迅速发展，各个领域对自动化控制的控制精度、响应速度、系统的 稳定性与适应能力的要求越来越高，所研究的复杂工业过程，其数学模型要么很 难建立，要么建立的数学模型的结构十分复杂，难以设计和实现有效的控制。 2 、系统在实际运行中由于各种原因，其参数要发生一些变化，而且生产环境 的改变和外来扰动的影响给系统带来可很大的不确定性，这使得按理想模型得到 的最优控制失去了最优性并使控制品质下降。在实际应用中，人们往往更关心的 西华大学硕士学位论文 是控制系统在不确定性因素影响下仍能保持良好的控制性能，而不是追求理想的 最优性。这些来自实际的原因阻碍了现在控制理论在工业过程中的有效应用。 3 、为了克服理论与应用之间的不协调，2 0 世纪7 0 年代以来，人们开始加强 对生产过程的建模、系统辨识、自适应控制、鲁棒控制等方向的研究，取得了一 定的实际效果，但范围有限，仍没有打破传统控制思想的束缚。其原因在于：系 统建模、辨识和自适应控制方法本身的复杂性难以被生产现场的操作人员接受； 没有将人的经验、直觉推理运用到系统设计中，因此不能满足对复杂控制系统设 计的要求。 在工程实践中，人们发现，一个复杂的控制系统可由一个操作人员凭借丰富 的实践经验得到满意的控制效果。这说明，如果通过模拟人脑的思维方法设计控 制器，可实现复杂系统的控制，由此产生了模糊控制。 为了用数学方法描述和处理自然界中出现的不精确、不完整的信息，如人类 语言描述和图像处理。美国加利福尼亚大学的自动控制理论专家l a z a d e n 教授 最先提出模糊控制理论。1 9 6 5 年，他在i n f o r m a t i o n c o n t r o l 杂志上发表了f u z z y s e t 一文，首次提出了模糊集合的概念，并很快被人们接受。1 9 7 4 年，英国学者 m a m d a n i 首先把模糊理论用于工业控制，取得了良好的效果。从此，模糊逻辑控 制理论和模糊逻辑控制系统的应用发展很快，展示了模糊理论在控制领域中良好 的发展前景。作为对模糊理论的认同，世界最大的工程师协会i e e e 从1 9 9 2 起每 年举办一届模糊系统年会，并于1 9 9 3 年起创办了i e e e 模糊系统会刊。模糊逻辑 控制已成为智能控制的重要组成部分。模糊控制的发展可分为3 个阶段：l 、1 9 6 5 1 9 7 4 年，为模糊控制发展的第一阶段即模糊数学发展和形成阶段。2 、1 9 7 4 1 9 7 9 年，为模糊控制发展的第二阶段，产生了简单的模糊控制器。3 、1 9 7 9 年至 现在，为模糊控制发展的第三阶段即高性能模糊控制器的应用阶段。模糊控制的 研究对象一般具备如下一些特点： 1 、系统的不确定性。传统的控制是基于模型的控制，这里的模型包括控制对 象和干扰模型。对于传统控制，通常认为模型已知或者经过辨识可以得到。而模 糊控制的对象通常存在严重的不确定性，这里所说的模型不确定性包含三层意思： 一是模型未知或知之甚少；二是模型的结构和参数可能在很大范围内变化；三是 模型的结构已知，但模型中所包含的函数未知。无论哪种情况，传统方法都难以 对它们进行控制，这正是引用模糊控制的原因之一。 西华大学硕士学位论文 2 、系统的非线性、多变量和未建模动态。当系统具有高度非线性、多输入多 输出、时变和未建模动态等综合特征，系统的数学模型非常复杂或根本就不存在， 虽然也有一些非线性、解耦和鲁棒控制方法，但总的来说，这些理论还很不成熟， 而且方法比较复杂。模糊控制时建立在对过程的语言型经验上，不需要精确的数 学模型。模糊控制的发展方向主要有以下几个方面： 1 、f u z z y p i d 复合控制f u z z y p i d 复合控制是将模糊控制与常规p i d 控制 算法相结合的控制方法，以此达到较高的控制精度。它比单用模糊控制和单用p i d 控制具有更好的控制性能。 2 、自适应模糊控制自适应模糊控制能自动地对模糊规则进行修改和完善， 以提高控制系统的性能。它具有自适应、自学习的能力，对于那些具有非线性、 大时变、高阶次的复杂系统有着更好的控制效果。 3 、专家模糊控制专家模糊控制是将专家系统技术与模糊控制相结合的产 物。引入专家系统，可进一步提高模糊控制的智能水平。专家模糊控制保持了基 于规则的方法和模糊集处理带来的灵活性，同时又把专家系统技术的知识表达方 法结合进来，能处理更广泛的控制问题。 4 、神经模糊控制模糊控制规则和隶属函数的获取与确定是模糊控制中的 “瓶颈”问题。神经模糊控制是基于神经网络的模糊控制方法。该方法利用神经 网络的学习能力，来获取并修正模糊控制规则和隶属函数。 5 、多变量模糊控制多变量模糊控制有多个输入变量和输出变量，它适用于 多变量控制系统。多变量耦合和“维数灾 问题是多变量模糊控制需要解决的关 键问题。 1 3 2 模糊控制的研究应用 模糊控制理论技术是控制领域中非常有前途的一个分支，在工程上已经取得 了很多成果的应用。1 9 7 4 年，英国学者m a m d a n i 利用模糊语言构成模糊控制器， 首次把模糊控制理论应用到蒸气机和锅炉的控制中，取得了优于常规调节器的控 制品质，标志着模糊控制从理论走向应用，其特点是把人的经验转化为控制策略， 为模型未知的复杂系统控制提供了简便的模式。随后，o s t e r g a r a d 和s u g e n o 分 别将模糊控制成功地应用于热交换器、水泥窑的生产和汽车的控制上，取得了很 好的控制效果。1 9 7 9 年，英国学者p r o c y k 和m a m d a n i 研究了一种自组织的模糊 控制器，它在控制过程中不断修改和调整控制规则，使控制系统的性能不断完善。 8 西华大学硕士学位论文 自组织模糊控制器的问世，标志着模糊控制器智能化程度进一步向高级阶段发展。 应用是推动学科进步的最有效手段。1 9 8 3 年日本富士电机开创了模糊控制在水净 化处理中的应用。到2 0 世纪8 0 年代末期，随着计算机技术的发展，日本科学家 成功地将模糊控制理论运用于工业控制和消费产品控制，在世界范围内掀起了模 糊控制应用的高潮。目前，各种模糊产品充满日本、西欧和美国市场，如模糊洗 衣机、模糊吸尘器、模糊电饭煲和模糊摄像机等。 与现代控制理论相比较，模糊系统理论还有一些重要的理论问题没有得到很 好的解决。一方面是由于模糊控制是一门年轻的学科，另一方面，模糊控制本质 上是非线性控制，而非线性控制理论还不成熟，加之模糊系统算法及结构的复杂 性，语言变量的不确定性，因而研究模糊控制的理论问题远非像现代控制理论那 么简单。目前模糊控制主要研究的理论问题如下： 1 、控制器的设计。模糊控制器的设计是模糊控制系统中的最重要问题之一， 但目前关于模糊控制系统的可控性和可观性问题还没有得到解决，因此模糊控制 器的设计还没有形成统一的设计准则，这使得控制器的设计存在随意性。 2 、稳定性。我们知道任何一个控制系统首先必须是稳定的，否则系统将无法 正常运行，所以稳定性也是评价模糊控制的一个重要指标。虽然目前国内外学者 提出了关于模糊系统稳定性的一些判据，但是各种判据都是基于具体的控制对象， 而且假设条件是千差万别的，还没有统一的方法，所以稳定性仍然是模糊控制领 域研究的最重要问题之一、 3 、鲁棒性。由于模糊控制系统实际所依据的模型都带有不确定性，如其中某 些部件的特性发生变化，它能否仍然保持满意的品质? 这就是所谓的鲁棒性问题， 因此，模糊控制系统的鲁棒性研究具有重要的意义 1 4 本课题研究的意义与内容 对基于d s p 的p m s m 伺服系统进行研究具有如下意义： 1 、我国的稀土总储量约占全球稀土资源的8 0 。随着稀土材料研究的发展， 价格不断下降，当前稀土永磁同步电机已经在航空航天中得到成功的应用，同时 民用稀土永磁同步电机正在逐步走向规模化生产，所以对稀土永磁同步电机控制 系统的研究对我国的国防建设和国民经济的发展都具有非常重大的战略价值，充 分发挥我国稀土资源优势，大力开发高性能的永磁电机对实现节能降耗具有重要 9 西华大学硕士学位论文 的现实意义。 2 、矢量控制方法从理论上讲可以使交流传动系统像控制直流电机一样的控制 方式，但需要实现复杂的坐标变换，同时对电机的参数依赖性很大，难以保证完 全解耦，使其控制效果大大折扣。传统的p i d 控制器，其性能受参数变化和各种 不确定性影响严重，即使在参数匹配良好的条件下取得很好的性能，一旦其发生 变化，还会导致性能变差。为了提高伺服系统具有较强的抗干扰能力，将现代控 制理论的最新成果引入伺服系统控制中，这正是这篇文章的初衷。把滑模变结构 控制和模糊控制相结合的策略用在电力传动控制领域倍受青睐，设计出的模糊滑 模变结构控制器不需要精确的数学模型，具有良好的控制性能。 3 、微处理器的发展促进了电力电子系统中数字化技术的应用。以状态空间为 基础的现代控制理论计算复杂，控制必须依靠计算机完成。特别是d s p 等高速处 理器的出现，使很多功能和算法可以应用软件技术来完成，为交流电机的控制提 供灵活的控制方法，使伺服系统朝着更高的性能化方向发展。数字化控制克服了 模拟控制的缺点，是现代交流调速系统的发展方向，同时数字控制的硬件简单、 体积小、能耗低、可靠性更高。 研究主要内容包括以下几个部分： l 、永磁同步电机矢量控制理论分析。分析p m s m 工作原理以及非线性、强耦 合的特点，利用矢量变换进行电机模型的解耦，建立了永磁同步电机的速度环和 电流环双闭环控制的数学模型和矢量控制仿真睛1 。 2 、研究了滑模变结构控制在p m s m 位置控制，用指数趋近率方法减弱抖振带 来的影响，设计了滑模变结构控制器，通过仿真实验证明了它比传统的p i d 控制 的优越性。研究模糊控制与p i d 控制结合构成模糊p i d 应用于伺服系统中的p m s m 的控制试验，得到了很好控制效果。由于滑模变结构抖振问题的存在，通过模糊 控制规则利用人工经验来柔化控制信号，设计模糊滑模控制器，通过仿真实验证 实了模糊控制的意义能够消除滑模控制的抖振现象，而且变结构控制的优点依然 不受影响。这是三、四、五章的主要内容n 2 】n 6 】 2 。 3 、设计了基于一台i k w 三相永磁同步电机交流伺服系统的控制实验平台。整 个电机控制平台包括主电路部分和以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心的控制部分，控制系 统设计包括了控制主电路，过流、过压、欠压保护电路，r s 2 3 2 通信、c a n 总线通 信电路，参数设置和显示电路，辅助电源电路阳1 。 1 0 西华大学硕士学位论文 4 、在c c s 的编译环境下用c 语言开发了控制系统的软件，软件采用中断的方 式控制，空间矢量技术的模糊滑模控制策略都在中断程序中实现，包括电流的采 样和定标、速度采样和定标、转子位置计算、坐标变换的实现、s i n 臼和c o s 9 计算、 调节器的实现以及s v p w l v l 调制等程序模块。证明了控制程序的可行性和参数选择 的合理性，初步掌握了基于d s p 的程序开发和调试的特点。 第二章永磁同步电机交流伺服系统的理论 三相交流永磁同步电动机( p m s m ) 是由绕线式同步电动机发展而来，它用永 磁体代替了电励磁，从而省去了励磁线圈、滑环与电刷，其定子电流与绕线式同 步电动机基本相同，输入为三相对称正弦交流电，故称为三相交流永磁同步电动 机。交流永磁同步电动机克服了直流电动机存在电刷和机械换向器而带来的各种 限制，具有优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围， 适应了高性能伺服驱动的要求。随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低， 永磁同步电机在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺 服系统的主流。 2 1 交流永磁同步电机伺服系统的组成b 交流永磁同步电机伺服系统结构如图2 1 所示，主要由以下几部分组成：1 、 交流永磁同步电动机。它主要由转子和定子两大部分组成，转子用永磁材料制作 无明显磁极的隐极式，采用适当的几何结构，使得磁势波形接近空间分布正弦波。 定子的结构形式和感应电动机一样，导磁的定子铁心和导电的三相绕组以及固定 用的铁机座和端盖等部件组成。当定子流过相位相差1 2 0 。的三相正弦交流电时， 定子产生空间均速旋转的磁场，磁场旋转的速度与定子正弦波频率有关，定子将 接受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 得转子旋转，完成电能到机械能的转化。在结构上，定子铁心直接裸露于外界空 间，永磁体散热性能良好，也使得电动机易于实现小型化。2 、速度位移传感器。 为了检测电动机的实际运行速度，通常在电动机轴的非负载端安装速度位移传感 器，如光电编码器等。对于永磁同步伺服电机来说，还必须安装转子永磁体的磁 极位置检测器，检测出磁极位置，并以此为依据使电枢电流实现矢量控制，在实 际应用中，检测电动机的转子旋转速度，磁极位置和系统的定位控制这三个功能 可用一个光电编码器或旋转变压器来完成。3 、功率驱动单元。它用于交流电机的 11 西华大学硕士学位论文 三相功率驱动，主要由整流滤波单元、逆变单元、驱动单元、保护单元及制动单 元构成。功率驱动单元一般采用全桥不控整流，三相电压型p w m 逆变器变频的 a c d c a c 结构。对于中小功率的伺服系统，逆变部分一般采用集成驱动电路、保 护电路和功率开关于一体的智能功率模块( i p m ) 。4 、控制单元。它时整个交流伺 服系统的核心，包含系统的位置控制器、速度控制器和电流控制器。一般情况下， 位置、速度控制器采用经典p i d 控制规律。速度控制器的作用主要是为了能进行 稳定的速度控制，以使其在定位时不产生振荡。当然，在伺服系统中为了进行位 置控制，要求速度环有快速响应速度指令的能力，并在稳态时具有良好的特性硬 度，对各种扰动具有良好的抑制作用。电流控制器作为速度环的内环，直接反映 出控制器性能的好坏。霍尔传感器时利用霍尔效应制成的检测电流装置，能够测 量各种波形的交直流，且输出电位是隔离的。电流控制器通常也采用p i d 控制规 律，要求它具有更高的快速性，以适应对电流瞬时值跟踪控制的要求。 ：磊磊菇吾! | 千 l i l i i il 速度控制卜叫电流控制 - h - 算速度 功率驱动 模块 f i g 2 1s t r u c t u r eo f a c s e r v os y s t e m 图2 1 交流伺服系统结构 2 2p m s m 基本运动方程n 3 电流反馈 位移反馈 p m s m 的定子和普通电励磁三相同步电动机的定子是相似的。如果永磁体产生 的感应电动势与励磁线圈产生的感应电动势一样，也是正弦的，那么p m s m 的数学 模型就与电励磁同步电动机基本相同。模型是对现象、过程、系统的模拟，在建 立数学模型时，为了简化分析过程，常忽略一些影响较小的参数。分析永磁同步 电机时，假设：l 、反电动势是正弦的。2 、定子磁场呈正弦分布，不考虑谐波与 饱和。3 、不计涡流和磁滞损耗。4 、转子上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作 用。3 相2 极对的永磁同步电机的物理模型如图2 2 所示，p m s m 是利用定子三相 交流电产生的旋转磁场和转子永磁体产生的固定磁场相互作用，产生电磁转矩驱 动转子的转动。转子的转速是由定子电流的频率决定的，其关系为： 西华大学硕士学位论文 n = 6 0 f p 。( r m i n ) ( 2 1 ) 其中n 为同步转速，为定子电流的固定频率，p 。为p m s m 的极对数。当定子电流 的频率发生变化时，转速就会同步发生变化。 图2 3 中定义所标出的定子每相绕组的电流的方向为正方向，将正向电流流 经一相绕组时产生的正弦磁动势波轴线定义为相绕组的轴线，图中a 相绕组轴线， 并将其作为空间坐标的参考轴线。假定感应电动势的正方向与电流正方向相反， 取逆时针方向为转速的方向，为每极下永磁励磁磁链空间矢量，方向与磁极磁场 轴线一致。定子电流矢量为： 一广 = j ( + o f + 口2 屯) ( 2 2 ) b f i g 2 2p h y s i c a lm o d e l o fp m s m f i g 2 3r e l a t i o no fs t a t o ra b c a n dd qc o o r d i n a t e 图2 2p m s m 的物理模型图2 3 定子a b c 与d q 坐标系关系 两相相位正交对称绕组通以两相相位相差9 0 0 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的。在永磁 交流伺服电动机中，建立固定于