（电力电子与电力传动专业论文）遗传算法和模糊控制在交流伺服系统中的应用.pdf

a b s 丁r a cr a b s t r a c t b a s e do t it h ep 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 , t h ep r i n c i p l ea n a l y s i so f t h ea cs e w os y s t e ma n dt h ea l g e b r a i cm o d e lo fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o ra n dt h er e s e a r c ho nr e l a t e dn a t i v ea n df o r e i g ns c h e m e si nt h i sf i e l d ，p e r m a n e n t m a g n e ta c s e r 、，os y s t e mi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h i sp a p e rp r o p o s e st h ev o l t a g e s p a c e v e c t o rc o n t r o la st h ec o n t r o ls c h e m eo fs e i - v os y s t e mi n n e rl o o p m e a n w h i l e ，t h e s p e e dl o o pa n d t h ec u r r e n tl o o pa r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e d a f u z z y p i d c o n t r o l l e rb a s e do ng e n e t i ca r i t h m e t i ci sp r o p o s e di no r d e rt o e n h a n c et h es t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e so fp m s ma cs e c v o s y s t e m t h e p a r a m e t e ro f t h ec o n t r o l l e ri sr e g u l m e db a s e do nt h ec h a n g eo ft h ec o n t r o l l e dp l a n t t h ef u z z yc o n t r o lr u l e sa f e g e n e r a t e da u t o m a t i c a l l y w i t h o u ta n yi n c r e a s eo f r o l e s , a t h r e e t e r m f u z z yc o n t r o l l e r i s i m p l e m e n t e db yu s i n g at w o - t g 湘x l f u z z y c o n t r o l r u l e - b a s e t h ep r o p o r t i o nf a c t o rc a nb ed e t e r m i n e do n l i n eb yg e n e t i c a l g o r i t h m ，t h i s m e t h o dh a sa s i m p l e s t r u c t u r ea n dc o n t r o la l g o r i t h m sc a nb er e a l i z e do n l i n e e a s i l y t h ep m s ma c 瓢：r v os y s t e mb a s e do ng e n e t i c a l g o r i t h ma n df u z z y - p d c o n t r o li sc o m p o s e di nt h i sp a p e r b e s i d e s , m a n yp r o b l e m sh a v eb e e na n a l y z e da n d s t u d i e dt h o r o u g h 娩s u c ha sr o b u 驶删c o n t r o lp r e c i s i o na n da m i n ec o n t r 0 1 t h e i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rp r o g r a mi sd e s i g n e dw i t ht h es f u n c t i o nl a n g u a g eo f m a t l a b s c h e m e sa b o v ea r es i m u l a t e dw i t ht h es i m u l a t i o np a c k a g em a t l a ba n dc o m p a r e d w i t ht h ep mc o n t r o la n d f u z z yc o n t r 0 1 t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h eb e t t e rr o b u s t a n dt h eb e t t e rs t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e t h es i m p l i c i t ya n df e a s i b i l i t ya r e v a l i d a t e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：p e r m a n e n t m a g n e ts y n c t r o n o u sm o t o r a cd r i v e s v o l t a g es p a c ev e c t o r f u z z yc o n t r o l g e n e t i ca l g o r i t h m p a r a m e t e rs e l f - l e a r n i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位沦文足本人在导师指导下进行丘( j 砚究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作r 明确的说明并表示了谢意。 学位论文俸者签名：签字日期：年月 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤注盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 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 第一章概述 第章概述 1 1交流伺服系统的发展概况 1 1 1 同步电动机调速系统的发展综述 伺服系统是指电动机作为执行元件的伺服系统。用以驱动相应设备 如机器 人、数控机床、磁带等) 的“机械电气装置”。主要由伺服控制器、驱动电路、 伺服电动机及相应反馈检测器件组成，常构成闭环形式，其结构组成如图1 所 示，其中控制器将根据伺服类型f 位置、速度j 鼬不同丽有若不周舂勺结构。 给定指令 图卜l伺服系统的组成结构框图 ， 根据电动机的不同，可以分为直流伺服系统和交流伺服系统两大类。而交流 伺服系统又由同步电动机和异步电动机两大部分组成。 由于直流电动机具有电刷和机械换向器，存在着自身的弱点必须经常进行 维修检查，使用环境也受到限制( 如不能用于易燃易爆场合) 。限割了直流电动 机向高转速、高电压、大容量方向发展。 自上世纪6 0 年代以后，随着电力电子学、微电子技术和现代电机控制理论 的发展，为交流电气传动产品的开发直u 造了有利条彳孛，使得交流传动逐步具备了 宽调速范围、高稳速精度，快速动态响应以及四象限运行等良好的技术性能，并 且实现了交流调速装置的产品系列化，取代直流电动机调速传动已是必然的发展 趋势。 在此其中，同步电动机的发展尤荬迅速，其应丽范围越来越广阔，人们对同 步电动机调速控制的研究也有了长足的进步。同步电动机的转速是由定子电流频 率和极对数决定的，电动机在固定频率下恒速运转。当负载转矩加到同步电动机 轴二时。几乎是瞬时便建立起相应的拖动转矩，以维持电动机的稳定运行。 目前，同步电动机调速系统分为以下几种结构： 1 ) 容量交交变频器供电的同步电动机矢量控制系统 目前主要用于低速大型无齿轮传动中，例如矿井提升机中，用来代替直流调 速系统而且可以在容量、设计和运行上消除直流电动机固有的限制条件目 第蕈概述 前国井已有同步电动机全数字控新系统的系列产品，容量达| 0 0 0 0 k w 以上。 2 ) 交直一交型负载换相同步电动机控制系统 目前某些系统还应用了直接转矩控制理论，主要用于负载较平稳的高速传动 设备。如高速线材的特整轧机。功率高达几十兆瓦，己实现数字化。 3 ) 永磁交流同步电动机( p m s m ) 伺服系统 目前主要用于小功率( 小于1 0 k w ) 中。 4 ) 开关磁阻电动机控制系统 此系统目前能做到2 0 0 k w ，坚固耐用，适于恶劣环境，目前用于轻工、化j ：、 机床、冶金等行业 1 】【2 】。 1 1 2 同步、异步、直流电动机调速系统的比较 目前，调速系统已经形成直流电动机、异步电动机、同步电动机三大调速系 列，并且，同步电动机、异步电动机调速系统占有主导地位，直流电动机调速系 统也并没有被淘汰，仍在电气传动中占有一席之地。 1 ) 直流电动机调速系统 和交流调速系统相比直流调速系统控制简单，调速性能好，变流装置结构 简单，长期以来在调速系统中占有统治地位。人们在大力发展交流伺服系统 的同时对直流调速系统也并未放弃。尽管直流调速系统在控制手段上取得 了长足的进步，但是和交流调速系统相比，它固有的缺点并未克服。 1 ) 直流电动机结构复杂、成本高、故障多、维护困难并且工作量大，经常 因为火花大而影响生产。 2 ) 机械还向器的换向毙力限制7 电动机豹容量、电压和这度，接触式的电 流传输又限制了电动机的使用场合。 3 ) 电枢在转子上，电动机效率低。散热条件差，冷却费用高。为改善换向 能力，减小电枢漏感，转子变得短粗，g d 2 增大，影响系统的动态性能， 2 ) 异步电动机调速系统 异步电动机结构简单、坚固耐用，维护工作量小，运行效率高，转动惯量小， 动态响窿快，可以做到高电压、大容量、高转速，无直流电动机的缺陷。速 度开环控制的异步电动枧和调速系统在数量上占交流调速的主要帮分。使量 控制的异步电动机转速闭环系统使高性能的调速系统，其动、静态性能完全 可以和直流调速系统的性能相媲美。 高性能的异步电动机调速系统可用于轧机、造纸机等要求动、静态性能较高 的场合。异步电动机伺服系统也有系列产品，在各项性能上已达到或者超过 了直流伺服系统的水平。 异步电动机调速系统也存在如下缺点： 第一童概述 1 ) 异步电动杌需从定子侧励磁，因此，电动杌功率因数低，造成交频装置输 入的功率因数也低。和同容量的同步电动机相比，所用变频装置容量大。 2 ) 在高性能的矢量控制异步电动机的调速系统中，转子参数受温度影响将发 生变化，产生控制误差，影响其控制精度，因此，需要增加补偿措施或者 采用其他控制方式，如直接转矩控制等。 3 ) 异步电动机为提高其功率因数及效率，需要尽量减小定转子之间的空隙， 这使得制造困难，并且不适合工作于冲击振动大的场合。 3 ) 同步电动机调速系统 普通同步电动机在结构上要比异步电动机复杂，但是比直流电动机简单。 和同容量的直流电动机相比，它具有效率高、过载能力大、体积小、转动惯 量小、维护费用低等优点。 和异步电动机调速系统相比，它具有功率因数高、转子可测、效率高、定转 子气隙大、控制性能好等方面的优势。特别是对于低转速、负载不断冲击的 生产机械，同步电动机矢量控制系统作为主传动己经取得国内外电气传动专 家和工程技术人员的认同，其运行性能达到并且超过了直流调速系统的水 平。 尽管如此，同步电动机调速系统也具有以下缺点： 1 ) 同步电动机( 除永磁式外) 需要在转子侧另加一套励磁装置，无论是无 刷励磁，还是有刷励磁，和异步电动机相比，都要增加维护量。 2 ) 同步电动机的矢量控制比异步电动机的矢量控制复杂，需要准确检测转 子位置或转子磁链位置。 综上所述，在三种调速系统中，直流调速系统虽然历史悠久，技术成熟，并 且在不断的完善自己，但是由于直流电动机的固有缺陷，必然被交流调速系统所 取代，与异步电动机传动系统相比，同步电动机传动系统，已经引起了人们的极 大兴趣，在电气传动领域中占有很大比重，从国内外研究和国内引进设备来看， 同步电动机调速系统越来越受到电气传动专家、学者、工程技术人员的广泛重视， 相信不久的将来，在取代直流调速系统方面其作用将超过异步电动机调速系统 4 】。 1 2 控匍j 理论的研究现状和发展 自动控制理论发展至今已有1 0 0 多年的历史，随着工业和科学技术的发展， 现代化工业设备越来越复杂，特别是2 0 世纪8 0 年代以来，计算机和计算技术的 高速提高，对控制系统精度、响应速度、系统稳定性和适应能力的要求越来越高， 使得过去那种依靠物理定律利用数学解析表达式描述复杂系统的方法变得越来 第一奄 母【述 越困难，因此入彳、，积极寻技新的方法来获得良好的控制效果，这就大大推动了控 制理论的发展。纵观控制理论和控制策略的发展历史，可以分为经典控制、现代 控制和智能控制三个阶段。每种控制理论和控制策略都有其特长，同时也在某方 面存在问题。 1 2 1 经典控制 经典控制理论主要是对单输入单输出系统的控制，形成了p i d ( 比例积分 微分) 控制、传递函数、频率特性、b o d e 图法等许多行之有效的控制方法，芳 得到了广泛的应用。其中p i d 控制是具有几十年应用经验的一种算法，虽然到目 前为止，大多数( 9 0 以上f 2 】) 工业控制回路仍采用各种形式的p i d 算法，在解 决线性定常系统的控制问题上十分有效，。但是p b ) 控制器只能用于固定参数的 系统，且在某一条件下能达到稳定的系统，但可能在另一操作条件下完全无法使 用。因此对工件点发生变化、或参数随时问变化、或非线性的、多输入多输出的 系统，i ) i d 控制方法常常不能得到满意的结果甚至无法求解。 1 。2 2 现代控制 现代控制主要是对多输入多输出系统的控制，主要解决线性或非线性、定 常或时变系统的最优控制问题。它通常采用时域分析方法，不同于经典控制理论 中的频域分柝，因面更有利于计算，两且状态变量钓选取具有很大的自由度。现 代控制理论主要内容有：能控性、能观性分析，l y a p o v 稳定性理论，最优控制 等。现代控制理论虽然弥补了经典控制理论对时变系统、非线性系统和随机系统 的控制无能为力的缺陷但对复杂的不确定性系统又显的过于烦琐或难于实现， 如有些现象由于影响因素过多、参数和条件过于多样和复杂，其相应的微分方程 将要包括许多已知的、未知的和随机的变量，要列出它们的微分方程非常困难， 甚至无法列出，求解就更困难了。 l ，2 3 智能控制 由于世界工业向着大型、连续、综合化发展，所以自二十世纪八十年代以来， 控制系统变得越来越复杂，而根据不确定性原理，系统越复杂，清晰度越低，人 们使其达到精礴能力鞍其行为的具体播述能力也将随之减弱，这使得系统的不确 定性( 包括对象的不确定性和环境的不确定性) 成为控制理论所要面对的难题， 也是对传统控制理论的挑战。为消除工业应用领域中控制对象参数及结构变化、 非线性、环境干扰等不确定因素的影响，人们将自动控制与人工智能相结合形成 智能控制，为解决该难题带来了生机和括力。 与经典控制和现代控制理论相比，智能控制具有以下特点： 1 ) 它以专家或熟练操作人员的知识为基础进行推理，按实际效果进行控制， 4 第一章概述 用启发式来引导问题求解过程，因而可以不依赖或不完全依赖于控制对 象的数学模型，突破了传统控制理论中必须基于数学模型的框架。 2 ) 智能挖制可以达到非线性控制，这一点与人脑思维相近。 3 ) 智能控制方法可以实现在线辨识、分层信息处理和决策或总体自寻优 提高了系统控制的实时性，控制精度。 1 2 4 各种控制理论的渗透和结合 如果各种控制策略相互结合，就能克服单独控制策略的不足具有更优良的 性能，应用前景更为广阔。因此控制理论的发展趋势必然是各种控制理论和控制 策略的互相渗透，取长补短，形成复合的控制策略。从目前来看自适应模糊控 制、模襁变结构控制、摸期预测控制、专家p i d 控制、模糊p t d 复合控割、模 糊神经网络控制、专家模糊控制等应用较为广泛。 各种控制理论的渗透和结合有下述特点： 1 ) 且前应用最广的是模糊控制，而与模糊控制形成的复合控制策略也最多； 2 ) 专家控制对其它控甫4 策略的渗透在研究上有很大的意义能形成性能十 分优秀的控制方法： 3 ) 与神经网络和遗传算法渗透形成的复合控制策略可以具有较高的性能； 4 ) 模期控制和秭经网络优势互补，所以在模糊控制农神经礴络结合约基础 上，再与其它智能或传统策略结合，可以形成更高层次并且性能更优的 控制策略f 6 】。 1 3 交流伺服系统与智能控制理论结合 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，经过电流内环改造后，其 结构同直流饲缀系统一撵，可以建立统一抟数学模型。并且并不复杂，采用传统 控制如p i d 算法就能取得基本满意的效果。但是，实际上，交流伺服系统并不如 理想模型那样一成不变，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。许多扰动( 如电网扰动等) 具 有不确定性因素。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 象的数学模型基础上的，不能在各种工况下都保持设计时的性能指标，因此如果 电机参数交亿或具有菲线性特性对。系统性能将会受到影璃，系统静害棒性差。 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，文献 6 】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其非线性、变结构、自寻优等各种功能来克 第一章概述 服电气传动系统的变参数、菲线性等不利因素，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、 p i 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，进行速度调节。 用于交流传动的智能控制器应具有如f 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p i d 控制) 相结合，优势互补f 1 2 】【1 6 j 。 1 4 本课题研究的主要内容 虽然永磁交流伺服系统运用矢量控制经过内环改造后，其转矩环的结构同直 流电气传动系统的一。样，但是，考虑到永磁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，而且，永磁交流电机本质上是一个非 线性的被控对象，拖动负载含有弹性或机械间隙等非线性因素等情况，当采用经 典控制和现代控制时，系统控制性能会受到影响，不能在各种工况下部保持设计 时的性能指标，系统的鲁棒性差。 基于此，本课题作了以下内容的研究： 1 ) 随着电力电子器件和计算机技术的迅速发展，交流传动取代直流传动已 经成为必然趋势。本文深入研究永磁同步电动机的数学模型和基本原理、 矢餐控制以及电压空间矢量控制方法，设计了永磁交流伺服系统控制方 案。并且设计了速度环调节器，分析并验证了其可行性，提高了交流伺 服系统的传动性能。 2 ) 永磁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，考虑到电机参数和拖动负载的参数( 如转动 惯量) 等情况，如果采用传统p i d 调节器显然不能满足要求。本论文将 模糊控制和遗传算法引入调速系统，采用复合控制策略研究并提出了 基于遗传算法的模糊p i d 控制器，该模糊控制器具有较高的动态性能， 提高了伺服系统的鲁棒性，算法简单，适合于实时控制。 3 ) 为提高系统的动、静态性髓本论文将遗传算法和模颧控制等智能算法 用s - f u n c t i o n 语言程序实现，经过调试，大大提高了系统的实时性，同 时利用s i m u l i n k 工具构造了基于遗传算法的模糊p i d 控制器的永磁交流 伺服系统的仿真模型，并且进行了相关的理论仿真。 4 ) 由于时间限制，对永磁交流伺服系统的控制精度、控制实时性进行了仿 真研究，对这种控制算法的d s p 实现以及实验并没有进行。 6 第二章永迸交流伺服系统 第二章永磁交流伺服系统 2 1 永磁交流伺服系统的研究现状 正如第。一章所述，随着现代工业生产方式日益自动化发展的需要，对交流伺 殿系统丘勺性能和技术要求越来越高，而正弦波永磁同步电动机( 简称p m s m ) 因其卓越的性能已日渐成为伺服系统执行电动机的“主流”。因此加强研究和发 展以新型、商性能的p m s m 伺服系统来满足精密数控机床、特种机器人等负载 驱动的要求，具有重要的理论意义和实用价值。 随着永磁材料技术及相关技术的侠速发展，永磁同步电动机性能得到了侠速 的提高，与感应电动机和普通同步电动机相比，其控制简单、良好的低速运行性 能及较高的性价比等优点使得永磁无刷同步电动机永磁成为交流伺服系统执行 电动机! ；主漉。永磁无剧同步电动机又分为采用方波电流驱动的无刷直流电动机 ( 简称b l d c m ) 和采用正弦波驱动的永磁同步电动机( 简称p m s m ) 两种。相比之 下，b u ) c m 具有较p m s m 控制简单、成本低、检测装置简单等优点，但b l d c m 原理上存在的固有缺陷使其存在转矩脉动较大、铁心附加损耗大的缺点，从而 限制了b l d c m 伺服系统在高精度、商性能要求的伺服驱动场合的应用( 尤其在 低速直接驱动场合) 。而p m s m 具有比b l d c m 及其它交流伺服电动机优越的性 能尤其是低速或直接驱动场合，加之永磁材料技术及控制技术等的飞速发展，使 碍p m s m 性价比得到了进一步的提高，从两使得由p m s m 作为执行元件构成的 永磁交流伺服系统具有逐步占居现代伺服驱动系统主流( 尤其是中小容量的高性 能要求领域) 的趋势。 与此同时，随着工业生产方式的日益自动化和复杂化，尤其是一些特殊的生 产设备发展的需要，使得现代伺服系统朝着“高性能、智能化、柔性化、数字化” 方向发展。作为当前高性能伺服系统代表的p m s m 伺服系统也就日渐成了研究 热点之一，研究和发展高性能的p m s m 伺服系统已成为国内外广大同仁的共识。 纠对上述“问题0 主要有两种解决方法，并取猖了丰硕的成果： 1 ) 以“硬形式”方式来解决，即从提高包含p m s m ，逆变器、检测元件等在内 的性能的角度来提高永磁交流伺服系统的性能，如文献 1 4 】采用高性能的永 磁材料和加工技术改进p m s m 转子结构和性能。以通过消除自u 弱因齿槽转矩 所造成的p m s m 转矩脉动对系统性能的影响； 2 ) 阻“软形式”方式来解决，即从通过改变控制策略，以提高p m s m 伺服系统 性能，盘u 文献 3 】采用了“卡尔曼滤波法”估汁p m s m 的转子位置而实现了转 子位置捡测的“无传感器化” 文献f ilj 采用了潺模控摹p 綮赂。通过提赢畚统 7 第二章永磁交流伺服系统 鲁棒性，以提高系统对参数摄动的自适应能力；文献f 15 】将传统p d 控制方 法与自适应控制相结合，以提高系统对非线性负载类的调节和自适应能力。 总的来说，作为“硬形式”存在的p m s m 、逆变器及相应反馈检测装置等 性能的提高受到材料等许多客观因素的制约，虽然可以提高伺服系统的性能但 是相应的成本也要提高：而以“软形式”解决方案具有较大的柔性，近年来随着 控制理论的发展，尤其智能控制方法的兴起和不断成熟，加之计算机技术、微电 子技术的迅猛发展，使得以智能控制理论为基础的先进控制策略和基于传统控制 理论( 含现代控制理论) 为基础豹传统控制策略的相结合得以实现，并为其实际应 用奠定了相应的物质基础【1 1 】。因此，结合控制理论发展，从通过“软形式”的 角度着手，通过提高控制器性能，进而提高p m s m 伺服系统性能已日渐成为国 内外广大同仁热衷采用的手段和研究的焦点之- 1l 】【1 2 】 1 3 】。 纵观p m s m 伺服系统的研究现状，国内外广大同仁在围绕提高p m s m 性能 及性价比目标从不同角度着手进行了大量的研究和实践，并取得了一些令人可喜 的成果；尤其近年来围绕提高伺服控制器性能，在控制策略上作了大胆的探索和 研究，采用了具有智能性的先进控制策硌，并取得了一些具有实用性意义的成果 【5 】【6 】【8 】 1 4 】。 但是p m s m 具有一定非线性、强耦合性及时变性，同时负载也存在一定的 不确定性和非线性特点，加之系统运行时还受到不同程度的干扰、因此按传统控 制策略很难满足高性能p m s m 伺服系统的控制要求。如何将传统控制理论与智 能控制理论相结合，形成复合控制策略，以提高p m s m 伺服系统中的调节器性 能，以弥补p m s m 伺服系统的不足，成为当前发展高性能p m s m 伺服系统的一 个主要“突破口”。 正是基于上述分析。本论文将模糊控制和遗传算法引入调速系统，采用复合 控制策略，研究并提出了基于遗传算法的模糊p i d 控制器以提高p m s m 伺服系 统性能。 2 2 永磁同步电动机的矢量控制 2 2 1 电动机统控制理论 电动机调速的核心是通过改变转矩来调节转速，从转矩到转速遵循下述公 式： 罴百d n = 瓦一疋 式中，g d l 电机和负载机械的飞轮力矩； n 转速： ( 2 一1 ) 第二章永磁交流伺服系统 t d 、t l _ 一电动机的电磁转矩和负载转矩 从上式bj _ 以看出，电动机的转速只与转矩相关因此，只要控制好转矩，就 ”r 强很好控割转速。 无沦是直流电动机还是交流电动机，都有定子和转子两部分组成，它们分别 产生定子磁通势矢量f 8 和转子磁通势矢量f r ，将f 8 和f r 合成，得到合成磁通势 矢量f 。，如图2 1 所示。 图2 一l电机磁通势矢量图 由电磁场理论，可以得到统一的电动机转矩公式： t = k 。f 5 f 7s i n 以( 2 - 2 ) 电动机转矩公式还可以写成： t = k 。f 5 ，”f i n 艮( 2 - 3 ) 7k。f7f。sin(2-4) 式中，k 耐一比例系数； 0 广矢量f r 与p 的夹角； 8 。矢量f 与p 豹夹角； 0 厂矢量f r 与f 。的夹角； 上式适用于各种电机。由式可知，电动机的转矩等于磁通势矢量、和中任意 两个量的模和它们之间的夹角正弦值之积，即矢量平行四边形的面积，只与这些 矢量的大小和相对位置有关，而与绝对位置、是否转动无关。 2 2 2 永磁同步电动机的数学模型 永磁同步电动机不同于直流电动机和其他交流电动机，它具有三相定子分布 绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证定子感应电动势具有正弦波形， 同时由逆变器提供的定子电压和电流也应为正弦波形。 假设p m s m 是线性的，参数不随温度等变化。忽略磁滞、涡流损耗，转- i f 无阻尼绕组等，由子二永磁同步电动机其有正弦的反电动势波形邴么基于转子坐 9 第_ 二章永磁交流伺服系统 标系( d q 轴系) 的永磁同步电动机的磁键、患压和屯磁转矩方程为； d3 上a + y ，( 2 - 5 ) y q2 l q i 口 d = r l d + p v d 一脚缈。 ”q = r ，口+ p g q + c o g g 瓦= i5 o 帆i 。一。，。j 式中：1 l r 厂一转子上的永磁体产生的磁场，为已知常数 。矾。一，为转子角速度； p = 礅分算子； n 厂极对数。 永磁同步电动机的矢量图见图2 - 2 。 q y s 风。太 二l di d 1 q 崛刀1 。：l 彳6土 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 图2 2 跗到矢量图 a 如图2 - 2 所示，电动机定子电流在d 轴和q 轴上的分量可以表示为： ? 8 i “争 ( 2 1 0 ) l = ，c o s 屁 ”7 柳，= 居， 1 广电机每相定子电流幅值 a o 电机电流矢量超前q 轴的角度。 由式( 2 - 9 ) 可以得到： o 第二章承递坌流饲腰系缓 瓦= 1 _ 5 n y ，i 。一( p 一1 ) l d i d i 。】 ( 2 一1 1 ) ， 式中：凸极率p = 一d 其中永磁转矩t 。为： 咒21 5 n ，吩名( 2 - 1 2 ) 磁阻转矩t ，为： 7 j = 一15 髓，一1 ) t d i 。f 。 ( 2 1 3 ) 宙上式可以看出。永磁同步忘动规豹电磁转矩疋基本上取决，卜交轴( q 轴， 电流分量i 一和直轴( d 轴) 电流分量i 。如果电磁转矩t e 已知，那么可以得到无 穷多个交轴电流分量i d 和直轴电流分量i 。，因此产生了不同的控制策略，分别具 有相应的效率、功率因数咀及输出能力等。 2 2 3p m s m 的矢量控制 常用的p m s m 电流控制方法主要有i d = o 控制、力矩电流最大控制、c o s 巾= l 控制等方法，这些方法具有各自的特点，适用于不同的运行场合，一些文献对此 作了研究 2 7 2 9 3 0 1 1 3 2 1 。 i d = o 控制是一种最简单的p m s m 电流控制方法，这种方法转子磁链定向，定 子电流矢量位于q 轴，无d 轴分量( 即i f 0 ) ，利用这种方法可以防止电枢的去 磁作用。此时，各矢量之闭静关系鲡图z - 3 所示。 q 图2 3 p m s m 当i d = o 时的矢量图 如果- a 叼，则电动机输出的电磁转矩为永磁转矩： 疋= 乙= 1 5 n p 矿，f 口( 2 1 4 ) 此时，嫩链和电压方程为： 第二章取避奁流伺服系绕 y d = y r 矿口=lqiq(2-is ) “d2p v t 一蝴4 弧q = r i tq + p t ；，q 七vd _ i 是，电磁转矩与定子电流的幅值成正比，和直流电机的控制原理变得一样。 另外，只要能够检测出转子空间位置( d 轴) ，控制逆变器使三相定子电流的合 成矢量位于q 轴上就可以了，因此，控制方法非常简单。 采用转子磁链定向并且使驴o 的p m s m 调速系统原理如图2 - 4 所示。 图2 - 4p m s m 矢量控制原理结构图 如图2 - 4 所示，和直流调速系统类似，转速调节器a s r 的输出正比于电磁转 缒给定值。 k = i ：s l 缈+ = 一i ：s i n 口 ，：= - cs i n ( 0 - 1 2 0 。j ( 2 - 1 6 ) i= o ：s i n ( e + 1 2 0 。l l 一 o 图中的变频环节本论文采用电压空间矢量的控制策略，具体的方法见后面部 分。 如果需要p m s m 伺服系统达到墓速以上的弱敲调速，最简单的方法是利用 电枢反应肖盯弱永久励磁也就是控制定子电流的直幸螽羹，使其起到去磁作用。但 是利用电枢反应弱磁的方法需要较大的定子电流直轴分量，这时因为永磁材料的 磁导率与空气接近，磁阻很大，相当于定转子之间有很大的有效气隙。这种方法 适用于短期内弱磁竭速。长期弱磁运行对必须粟用特姥的弱磋方法。 总的来说，通过利用丰专子磁链定向并使诗= o ，可以使p m s m 调速系统定子电 流与转子磁通解耦，这种控制系统简单，转矩恒定性好，可以获得很宽的调速范 围，适用于有高性能的数控机床、航空航天、机器人等领域。但这种方法有固有 缺点，只适用于中小容量的调速系统其主要缺点育； 第二章水磁交流伺服系统 1 )当p m s m 伺服系统负载增加时定子电压矢量和电流矢量的夹角增加，由 于电枢反应电抗压降大，造成功率因数低。 2 ) 当负载加丈时，定子电流增大，出于电枢反应的影响，造成气隙磁链耜定子 反电动势都加大，迫使定子电压升高。为r 保证足够的电源电压，电控装置 必须有足够的容量，有效的利用率却很低。 2 ，2 4p m s m 的电压空间矢量控制 p m s m 伺服系统最终目的是利用圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。 如果把逆变器和电机结合起来，作为被控对象，按照跟踪圆形旋转磁场来控制 p w m 电压，称为磁链跟踪控制，磁链跟踪的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的， 所以电压空间矢量的方向与磁链运动方向一致，称为空间矢量控制。 1 ) 电压空间矢量 电压空间矢量是按照电压所加绕组的空间位置来定义的。 b 图2 5 电压空间矢量示意图 图2 - 5 中，啦为互差1 2 0 的三提电压。其矢量相加的合成空间矢量拓， 是一个旋转的空间矢量，并且幅值不变为每相电压的1 5 倍。当频率不变时，它 以速度。1 旋转，那一柜电压为最大时，合成电压矢量就落在该相轴线上。电压 矢量“。可以表示为： z ：1 1 a + i 十z ：寻f 虬+ u s e ，良+ e ，够1 ( z - t t ) 定子电压方程为： 试一，| | d 懿v 纪一z 8 ) 第= 章永磁交流伺服系绕 当转速不是很低时，定子电阻压降较小，可以忽略不记，则有： 瓦=f动(2-19) 上式表明：当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续的按照磁链圃的 切线方向运动一周，其轨迹与磁链圆重合。 0 1 l r l 图2 - 6 s v r m 髓链增量轨迹 如图2 - 0 所示。这样可将电祝旋转磁场的形状目遥转化电压空问矢量运动轨 迹的形状问题。 在变频调速系统中，三相电压源型逆变器由六个功率开关器件组成，它为电 动机提供的不是普通的三相平衡正弦电压，而是经过调制的p w m 电压。 ，g 图2 7 基本电压空间矢量 如果把上桥臂的功率开关器件的导通状态用“l ”表示，关断状态用“0 。表 示，由于逆变器的上桥臂和下桥臂的开关状态互补，所以只用上桥臂的三个功率 开关器件的开关状态就可以描述整个逆变器的工作状态，那么上桥臂的三个功率 开关器件的开关状态共有2 = 8 种组合，分别表示：尹雨。承巧母 埘、声弛l 出 1 4 第二章永避交流伺服系统 巧 1 0 0 1 、巧 1 0 q 、眨0 1 0 】、琢 o o o l 、巧 1 1 1 1 ，前六个工作状态是有效的，而后 两个工作状态足无意义的，称为零矢量。这八个矢量，构成了对应的电压空间矢 量，如图2 7 所示。 2 ) s v p w m 的实现 虽然只有八个电压空间矢量，但利用它们的线性组合可以得到更多的与基本 矢量相位刁：同的电压空间矢量，于是在一圆周内三相电压源型逆变器的开关状态 就要超过6 个，并且有些歼关状态会多次重复出现，运就使得逆变器输出一系列 等幅不等宽的脉冲波，从而构成一组等幅不同相的电压空间矢量，形成尽可能逼 近圆形的旋转磁场，实现s v p w m 控制。 u 1 u l t z 。 圈2 啊电压空间矢量合成图 如图2 8 所示，假设相邻6 0 0 两个基本电压空问矢量u 1 ，u z ，u r 。是期望u l ， u 2 t z 内合成矢量a 则根琚矢量分解法则r 合成矢量u n 可以分解为鲁 。和务廿z r 电压空间矢量珥l 的作用时间是t z 。因而t z 输出的磁链增量y 。= u r l t , ，可 以利用下式求取t l ，t 2 ： 0 丝r l d l = 辫i 斑七f v + 0 1 - 秘( 2 - 2 0 ) 式中u o 为零矢量爵【0 0 0 】、f , 1 1 1 。 上式中，+ f ：t - 所余的时间由零矢量u o ( v 。l o o o 、巧d 1 1 】) 起作用。 由于式中川= 卜：i - u 。，p 。| _ 0 ，所以： ”】t l + n 7 ，z = l l r l r z( 2 - 2 1 ) 变换到直角坐标系下有： 万 c o s i 疗 s l n 一 = t a i c 。s 习o f 2 2 2 ) 第章永磁交流伺臌系统 式中，爿： g r l j ，并令4 ：鱼2 u ：m ，其中m 为调制度。 由上式可以得到： 卜疋m 。i 。f 要一目 3 ，2 = 疋m s i n 口 t o = l t 1 一t 2 ( 2 - 2 3 ) 其中0 0 可以看出，调整 比例因子l ( i l 最终也能起到调整量化因子k ，k 。的作用。 因此，本论文采用遗传算法离线确定量化因子，在线确定比例因子，取得了 良好的效果， 4 3 2 遗传算法的研究现状 近年来，基于遗传算法的模糊控制器逐渐成为研究的热点，原因在于二者之 问的互补性，模期控制侧重于模拟人的逻辑思维。易于获得由语言表达的专家知 识，能有效的控制难以建立精确模型而凭经验可控制的系统，而迪传算法的研究 重点在于模拟和实现人的认识过程，是一种具有极高鲁棒性和广泛使用性的全局 最优算法，下面简要介绍一下遗传算法， 早在1 9 6 7 年j db a g l e y 首先提出了遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简称为 g a ) ，1 9 7 5 年m i c h i g a n 大学的h o l l a n d 等形成了个较完整的理论和方法。遗 传算法是建立在达尔文( d a r w i n ) 的生物进化论和盂德尔( m e n d e l ) 的遗传学说 基础上。它是一种基于自然选择和群体遗传机理的迭代遗传算法，它模拟了自然 选择和自然遗传过程中发生的繁殖、杂交和突变现象。在利用遗传算法求解问题 时，问题的每个可能解被编码成一个“染色体”，即个体，若干个个体构成_ 群 体( 所有可能解) 。在遗传算法开始时，总是随机的产生一些个体( 即初始解) ， 根据预定的目标函数对每个个体避行评价，给出了个适应度值。基于此适应度 第四岢基7 ：遗传算法的摸糊p i d 控瘩h 器设计 值，选择个体来复制下代，选择操作体现了“适者生存”的原理，“好”个体 被选择用来复制，而“坏”个体则被淘汰，然后选择出来的个体经过交叉和变异 在组合生成新的一代。这一群新个体由于继承了上代的一些优良性状，因而在 性能上要由于上一代，这样逐步朝着最优解的方向进化，直到满足收敛判据或预 先没定的迭代次数为止，因此，遗传算法可以看作是一个由可行解组成的群体逐 代进化的过程f 8 1 1 3 5 1 。 下面具体介绍对量化因子k 、k 。和比例因子l ( 1 i 的具体设计。 4 3 3 算法设计与实现 图4 4 遗传算法程序整体框图 遗传算法的流程图如图4 4 所示： 1 ) 随机产生初始种群，个体数目定，每个个体表示为染色体的基因编码； 2 ) 计算个体的适应度，并取出初始种群中的最佳个体及其对应的适应度。 3 ) 依据适应度选择再生个体，适应度高的个体被选中的概率高，适应度低 的个体可能被淘汰； 4 ) 按照一定的交叉概率和交叉方法， 5 ) 按照一定的变异概率和变异方法， 6 ) 由交叉和变异产生新一代的种群； 7 ) 判断遗传算法是否达到终止条件， 步。 生成新的个体； 生成新的个体； 如果达到，则停止，否则，转到第3 第四章基于遗传算法的模糊p i d 控制器设计 遗传算法巾的优化准则，一般依据问题的不同有不同的确定方式，本论文采 用以下两种规则作为判决条件： 1 ) 种群巾个体的最大适应度超过预先设定值； 2 ) 世代数超过预先设定值。 g a ( ) 子程序接口 产生初始群体 的最优参数值及 其相关的适应度 d o n e = ( 工 n d n e = 1 7 vl 耿弟n 仉种种削薜 三叫优值作为整个计 l 算过程的最优值 僦譬嚣蒜li 朋子程序进行选择操作ii “。9 同用a o v e rt ，于i 序进行交叉操作 调用m u r a ti o n ( 程序进行变异操 周用t e r t a a t i o i l 【) 程序判断程序是否 达到终止条件 图4 - 5 遗传算法子程序框图 4 3 。4 选取适应度函数 遗传算法在进化搜索中基本不利用外部信息，仅以适应度函数( f i t n e s s f u n c t i o n ) 为依据，利用种群中每个个体的适应度值来进行搜索。因此适应度函 数的选取至关重要，直接影响到遗传算法的收敛速度以及能够找到最优解。 适应度函数设计主要满足以下条件； 第四章基于遗接篾法盘搴模糊p d 控制犟设计 1 ) 单值、连续、非负、最大化 2 ) 合理、致性 3 ) 汁算量小 4 ) 通用性强 本论文采用如下函数作为目标函数 ，= p 3 ( ) 0 优化| 标是使j 最小。 4 3 s 编码 ( 4 6 ) 本文采用动态编码方式对量化因子k 、l ( e 。和比例因子k 。进行编码，实现 对量化因子、i ( c 。和比例因子k 。的微调。首先确定它们的取值范围。由文献3 可知，为使系统具有快速的响应和较好的稳态精度，k 应取大一些，i ( e 。应适当 取小一些。为此，确定它们的取值范围为k ：0 3 0 ；砭。：0 1