（电机与电器专业论文）交流伺服系统及参数辨识算法研究.pdf

交流伺服系统及参数辨识算法研究 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm o d e mi n d u s t r i a l i z a t i o na n dt h e i m p r o v e d p e r f o r m a n c eo fs y s t e m ，a c s e r v os y s t e mh a sc o m ei n t od i g i t a la n di n t e l l i g e n te r a a l ld i 西t a la cs e r v os y s t e mi se x c e l l e n t l yf l e x i b l es ot h a tw ec a l le a s i l yi m p l e m e n t n e wc o n t r o ls t r a t c g i e sw i t h o u ta m e l i o r a t i n gs y s t e mh a r d w a r e ，w h i c hi s g r e a t l y c o n v e n i e n tt or e a l i z e i n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g i e s n l cp e r f o r m a n c eo fa cs e r v os y s t e mi sh i 曲印i n f l u e n c e db yu n c e r t a i n t i e so f u n p r e d i c t a b l ev a r i a t i o no fm e c h a n i c a lp a r a m e t e r sa n de x t e r n a ll o a dd i s t u r b a n c e s i n o r d e rt oe n h a n c et h es y s t e ms t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e s ，i ti sn e c e s s a r yt o i d e n t i f yt h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r s a n da u t o - t u n et h es p e e dc o n t r o l l e r s e v e r a l p a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o nm e t h o d se s p e c i a l l yt h eo n l i n ei d e n t i f i c a t i o n m e t h o do f s y s t e mi n e r t i ab a s e do nm r a c a r ep r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e n ， t h es c h e m ef o ra u t o - t u n i n gt h es p e e dc o n t r o l l e ri sp r e s e n t e da sw e l l t h ee x p e r i m e n t r e s u l t ss u g g e s tt h a tt h i sa l g o r i t h mi sf e a s i b l e m1 0 a dt o r q u ei sa l s od i m c u l tt ob em e a s u r e dd i r e c t l y s oi tn e e d e dt ob e o n l i n ei d e n t i f i e d t l i sd i s s e r t a t i o na d o p tac o m p e n s a t ec o n t r o la l g o r i t h m ，w h i c h c o u l dd y n a m i c a l l yc o m p e n s a t es p e e dv a r i a t i o n t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t ， t h i sc o m p e n s a t o r yc o n t r o l s t r a t e g yo b v i o u s l y e n h a n c e d s y s t e mr o b u s t n e s s a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f l f 2 4 0 7 a ，s p e c i f i cd e s i g n so fs o f t w a r ea n d p r o g r a mf l o w c h a r t sa r ep r e s e n t e d b a s e do nt h o s ei d e n t i f i c a t i o na n dc o m p e n s a t i o n r e s u l t sm e n t i o n e da b o v e ，m o r ee x p e r i m e n t ss t u d i e so nt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo f m u l t i l o o ps y s t e ma r ec o n d u c t e d as u m m e r y o fw h o l et h e s i si sg i v e ni nt h ee n d k e y w o r d ：p m s ma cs e r v os y s t e m ，p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n ，m r a c a u t o t u n i n g t t o a d t o r q u ei d e n t i f i c a t i o n ，v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l i i 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 僳密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名； 日期： 墓埤 交流伺服系统及参数辨识算法研究 b 扩i 日 l ， k 、豇。 l d 、g 只、月、日、j p 。 矗。 h d 、 d 口： 口。 o m 0 9 印 驴一矽。 pr v ! h 主要符号说明 摩擦阻力系数 幽轴坐标系由轴电流 定子电流合成空问矢量 系统转动惯量 比例积分系数 由轴电感 转速给定信号( r p m ) 转速反馈信号( r p m ) 电机额定功率、额定转速，额定转矩、额定电流 电机极对数 定子相电阻 摩擦阻力转矩 电磁转矩 摩擦阻力转矩与负载转矩之和 电流环闭环时问常数 负载转矩 刷新周期 嘶轴坐标系由轴电压 自适应增益 位置给定信号 位置反馈信号 转子机械角速度 转子电角速度参考信号 转子电角速度 由轴磁链 永磁体基波磁链 壹塞壁窒堕蒌盔堂婴主兰垡堡墨 1 1 伺服系统及其分类 第一章绪论 伺服系统( s e f v os y s t e m ) ，又称随动系统，属于自动控制系统的一种，它用 来控制被控对象的转角( 如伺服电机) 或位移，使其能够自动的、连续的、精 确的跟随输入指令的变化。有的场合开环控制亦可实现其功能，但大部分场合 都是具有负反馈的闭环控制系统“1 。 一个完整的伺服控制系统是由伺服控制器、伺服电机以及连轴器或传动茜 轮等多种元部件连接而成的，其应用领域十分广泛，如在数控机床中对零件的 精确加工、对机器人手臂关节的运动控制、激光加工、雷达和各种军用武器随 动系统，跟踪雷达天线的俯仰角、方位角、计算机光盘的驱动控制，以及柔性 带4 造系统等，都会用到各种类型的伺服控制系统。 从伺服系统组成元件来看，有全部由电气元件组成的电伺服系统，有电气 元件与液压元件组成的电液压伺服系统，还有电气元件与气动元件组成的电气 动伺服系统。按照执行电机的不同，伺服系统又分为直流伺服系统和交流伺服 系统。从近年来的应用情况来看，交流电伺服系统在各主要应用领域中占据了 主导地位。 1 2 伺服系统的发展概况 伺服系统的发展，在很大程度上取决于伺服电动机的发展。作为伺服系统 执行机构的电动机，经历了个由直流到交流、由步进电机到永磁同步电机 ( p m s m ) 的发展过程。 1 - 2 1 p m s m 与直流伺服电机性能比较 很长一段时间以来，在对伺服系统性能要求较高的场合，直流电动机由于 控制简单，外围电路易于实现而一直占据了主要地位。但是直流电机存在的一 些固有缺陷，如电刷、换向器易磨损，需经常维护，换向器会产生火化，在易 窒堕堡里墨篓墨茎塑塑望簦堡堡壅 燃易爆的场合使用时要外加一些屏蔽措旌等等，在很大程度上限制了直流电机 的应用范围。 随着电力电子技术、数字控制技术的迅速发展，交瀛电机逐渐的应用到了 伺服控制系统中。目前，交流伺服驱动系统中所用的电动机多为永磁同步电机。 p m s m 的输入信号是三相对称正弦波，其特点是用永磁体取代绕线式同步电机 转子中的励磁绕组，省去了励磁线圈、滑环和电刷。p m s m 的定子线圈与电励 磁同步电机基本相同，要求输入定子线圈的电流仍然是正弦的，所以称为三相 永磁同步电机。 总体来说，以p m s m 作为执行机构的交流伺服系统，与直流伺服系统相比， 具有以下优点： 1 电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单： 2 定子绕阻散热快； 3 电机转子惯量小，易于提高系统的快速响应特性； 4 适合于高速大力矩工作状态； 5 相同功率下，体积和重量较小。 1 - 2 2p m s m 与步进电机性能比较 另外，还有类电机称为步进电机，在伺服系统中也有不少应用。步进电 机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术育着紧密的联系。在目前国 内的数字控制系统中，步进电机的应用也非常广泛。随着全数字式交流伺服系 统的出现，p m s m 也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的 发展运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电 动机。虽然两者在控制方式上相似( 脉冲串和方向信号) ，但在使用性能和应 用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。1 。 1 控制精度不同：两相混合式步进电机步距角一般为3 6 0 、1 8 0 ，五相混合 式步进电机步距角一般为0 7 2 。、o 3 6 。，也有一些高性能的步进电机步距角更小。 步进电机的角位移与输入脉冲数严格的成正比，转子旋转一圈，没有累计误差， 具有良好的跟随性，这点要优于p m s m 。p m s m 的控制精度由电机轴后端的旋 转编码器保证。以南京力源交流伺服电机为例，对于带标准2 5 0 0 线编码器的电 机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为3 6 0 0 1 0 0 0 0 = 0 0 3 6 0 ， 是步距角为o 3 6 。的步进电机的脉冲当量的i 1 0 。 2 壹室塾皇堕垄查堂堡主兰篁堡三 一 一 2 低频特性不同：步迸电机在低速时易出现低频振动现象。步进电机的工 作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作 在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器， 或驱动器上采用细分技术等。p m s m 运转非常平稳，即使在低速时也不会出现 振动现象。p m s m 交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足， 便于系统调整。 3 矩频特性不同：步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速 时会急剧下降，所以其最高工作转速般在3 0 0 6 0 0 r p m 。p m s m 可为恒力矩 输出，即在其额定转速( 一般为2 0 0 0 r p m 或3 0 0 0 r p m ) 以内，都能输出额定转矩， 在额定转速以上为恒功率输出。 4 。过载能力不同：步进电机一般不具有过载能力，p m s m 具有较强的过载 能力。以力源交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转 矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机 因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大 转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪 费现象。 5 运行性能不同：步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大 易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其 控制精度，应处理好升、降速问题。p m s m 伺服驱动系统为闭环控制驱动器 可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，般不会 出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 6 速度响应性能不同：步进电机从静止加速到工作转速( 一般为每分钟几 百转) 需要2 0 0 4 0 0 毫秒。p m s m 伺服系统的加速性能较好，以力源某2 0 0 0 w 交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速2 0 0 0 r p m 仅需几十毫秒，可用于 要求快速启停的控制场合。 当然，由步进电机组成的数控系统，既简单、廉价又非常可靠，这是其优 点之一。但它是用脉冲电源供电，不可直接使用交流电源和直流电源。 综上所述，p m s m 在许多方面都要优于步迸电机。 正是基于以上原因，p m s m 交流伺服系统正逐步取代直流电机和步进电机 伺服系统，在更大的范围内得到了应用。目前，p m s m 伺服系统已广泛应用在 了机床、机械设备、搬运机构、装配机器人、电子部件、加工机械、绕线机等 交流伺服系统及参数辨识算法研究 场合满足了大多数传动领域的要求。高性能电伺服系统，也大多采用p m s m 机作为执行元件，并取得了较为满意的使用效果。 1 3 交流伺服系统性能指标 位置伺服系统的主要控制目标是输出值迅速跟踪指令值的变化。应用场合 不同，对伺服系统的具体要求也会有所差异，但是大体要求是基本一致的，具 体来说，在机电一体化产品中，对伺服系统的性能指标要求主要包括。5 ： ( i ) 定位精度 系统最终定位点与指令目标值之间的静态误差即为定位精度，定位精度是 评价位置伺服系统定位准确度的一个关键指标。对自带码盘、性能优异的交流 伺服系统而言，应当满足1 个脉冲的定位精度要求。 ( 2 ) 调速范围 即电机最高转速与最低转速之比，用d 表示。 d = 甩m 。h 。 上式中，肛一为最高转速，丹血血为最低转速。通常应满足d 1 0 0 0 0 才能满 足低速加工和高速返回的要求。 ( 3 ) 调速静态特性 对绝大多数负载来说，机械特性越硬，负载变化时速度瞬态变化越小，工 作越稳定，所以希望机械特性越硬越好。 ( 4 ) 调速动态特性 动态特性，即速度变化的暂态特性，主要包括两个方面：一为升速和降速 过程是否快捷、灵敏且无超调。这就要求电机转子惯量小，转矩惯量比大，单 位体积有较大的电机转矩输出。二是当负载突增突减时，系统的转速能否自动 调节而迅速恢复。 另外，系统低速时转速脉动大小、调速的经济性、伺服系统韵运行效率、 系统的故障率等也是高性能交流伺服系统常用的性能指标。 童室堕窒塑丕盔兰堡主兰垡堡苎一 1 4 伺服系统现状与发展趋势 近l o 年来，永磁同步电动机逐渐发挥了其性能优势，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p m s m 逐渐成为交流伺服系统执行电动机的主流。尤其是在高精度、高性能 要求的中小功率伺服领域。而交流异步伺服系统仍主要集中在性能要求不高的 大功率伺服领域。 自2 0 世纪8 0 年代后期以来，随着现代工业的快速发展，对作为工业设备 重要驱动源之一的饲服系统提出了越来越高的要求，研究和发展高性能交流伺 服系统已成为国内外同仁的共识。硬件形式上存在包括提高制作电机材料的性 能，改进电机结构，提高逆变器和检测元件性能、精度等研究方向的努力。软 件形式上存在从控制策略的角度着手提高伺服系统性能的研究和探索。如采用 “卡尔曼滤波法”估计转子转速和位置；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，以削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；采用基于现代控制理论为基础的具有强鲁榉性的滑模控制策略以提 高系统对参数摄动的自适应能力；在传统p i d 控制基础上进入非线性和自适应 设计方法以提高系统对非线性负载类的调节和自适应能力：基于智能控制的电 机参数和模型识别，以及负载特性识别等。 初期的交流伺服驱动器，多以模拟器件或模拟器件与数字电路混合式为主， 随着微机控制技术的发展和高速数字信号处理器( d s p ) 的出现，伺服控制技术 发展到了一个全新的数字化时代。微机和d s p 的应用，为在交流伺服系统中引 入智能控制算法，提高系统可靠性与柔性提供了一个强有力的手段，伺服系统 也由硬件伺服发展到了软件伺服阶段。 综合目前国内夕卜伺服系统的研究及使用状况，在未来一段时间内，可以归 纳出伺服系统的几种发展趋势。 ( 1 ) 交流化 目前，伺服系统的交流仡已是不可抵挡的趋势。传统的直流伺服系统在一 些老的工厂中虽有使用，但已处在不断的更新换代之中了。电力电子技术的迅 速发展，高性能微处理器的不断推出。使交流调速具有了与宣流调速同样的性 能，且交流调速系统可维护性好，故障率低，大大降低了系统成本，所有的这 交流伺服系统及参数辨识算法研究 些特点都加速了交流伺服取代直流伺服的进程。 ( 2 ) 数字化 微处理器的出现把伺服驱动器的发展由原来的模拟式、模数混合式推向了 全数字化的阶段。从单片机到d s p ，微处理器的计算速度越来越快，性能也越 来越优良，最新一代出现的专用于电机控制的t 1 2 8 x 系列d s p ，单指令周期已 减小到了6 ，6 7 n s 。d s p 是一种高速的微处理器，其最大的特点是运算速度快，其 高速处理能力可以满足电流环实时控制的要求，并且可以采用先进的复杂的现 代控制策略，以获得较高的控制性能。d s p 的出现为伺服系统的全数字化奠定 了基础。全数字化的突出特点是软件伺服，增强了系统的柔性与灵活性。较模 拟器件来说，数字伺服具有以下的优点： 1 能明显地降低控制器硬件成本。根据目前微电子技术的发展趋势，速度 更快、功能更新的微处理器不断涌现，硬件成本会越来越低。 2 可显著改善系统的可靠性。半导体集成电路的平均无故障时间要远远大 于分立元件，里面考虑了一些屏蔽措施，可抑制电力电子器件中因过大的瞬态 电流、电压以及一些开关信号而引起的电磁干扰问题。 3 ，数字电路温度漂移小，也不存在参数的影响，避免了模拟器件因温度变 化而带来的工作状态改变，稳定性好。 4 硬件电路易于通用化，可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电 路，而软件具有较大的灵活性，不同的软件可以实现不同场合的要求，可满足 不同用途。 5 。灵括性，系统可以引入性能优越但算法复杂的控制策略，使系统趋于智 能化。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，缺少复杂 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。 6 由于采用数字信号交换信息，容易与上位机通信，容易使伺服系统融入 整个自动控制系统中，成为一个大工业系统的有机组成部分。 ( 3 ) 智能化 经典控制理论只能在一定程度上解决控制系统的鲁棒性能要求，现代控制 理论的发展与应用则弥补了经典控制理论对时变、非线性、随机性系统无能为 堕室堕窒堕丕-犬堂婴主堂堡兰坠一一 力的缺陷，对不确定、非线性等复杂问题，提出了自适应、变结构、鲁棒控制 等控制策略。这些控制方法的使用大大提高了控制系统的鲁棒性，与经典控制 理论相结合，已逐渐被广泛采用。模糊控制、专家系统、最优控制以及自适应 控制等理论的发展都不同程度上推动着智能科学的发展，也给自动化学科注入 了新的思想和活力，为智能伺服系统的实践应用奠定了必要的理论和技术基础。 高速微处理器的出现，使这些新理论应用到伺服系统中成为了可能。 1 5 本文的研究意义与研究内容 本文所研究的全数字交流伺服系统，是在以往模拟伺服控制系统和模数混 合式交流伺服系统的基础上发展而来的，它充分发挥了软件伺服灵活性的优势， 可方便的实现各种智能算法而无需改动硬件，减少了由于硬件重新设计和改动 而引起的资源浪费，节省了系统成本”1 “，已成为新一代伺服系统重点研究的对 象。 交流伺服系统对外在扰动信号非常敏感，电机负载转动惯量和负载转矩的 改变在很大程度上影响了系统性能的提高，本文研究的意义在于寻找抗干扰性 能强的控制方法与理论，使电机在系统外界情况改变时仍能保持良好的控制性 能，以提高系统的鲁棒性。若是系统能够自动识别系统惯量和负载转矩的变化， 并据此自动调整控制器参数，那么系统就会具有较高的自适应性与鲁棒特性， 这对交流伺服系统应用具有非常重要的作用。 本文以理论分析、计算机仿真和系统实验相结合的研究方式，对交流伺服 系统及其参数辨识算法进彳予了系统研究，主要工作安排如下： 第一章为绪论部分，阐述了交流伺服系统的组成分类、研究现状和发展趋 势，并指出了本课题的研究意义，在此基础上提出了本文所要研究的主要内容。 第二章从永磁同步电机数学模型入手，对交流伺服系统的矢量控制策略、 电流控制的具体实现方式进行了研究。确定了本文中以p m s m 为执行元件的交 流伺服系统的电流、速度、位置三闭环控制策略。 第三章首先从自适应控制理论谈起，借助仿真和实验的研究方式，利用自 适应辨识方法对伺服系统的转动惯量进行了辨识，以此为基础，完成了速度环 的参数自整定，并使系统调节器具有了交系数调节功能，同时还对其他一些参 数辨识算法进行了初步研究。然后对系统的负载转矩进行了辨识，并以此为基 交流伺服系统及参数辨识算法研究 础，在反馈控制的基础上引入了补偿控制，速度环控制性能有了很大提高。 第四章讨论了系统的软件设计，并给出了几个关键模块的程序流程图。 第五章结合伺服系统三闭环控制策略进行了m a t l a b 仿真和实验研究，并对 仿真和实验结果进行分析，得出结论。 第六章为全文工作总结，并在此基础上对下一步的工作进行了展望。 堕窒堕窆塾丕叁兰堡主兰焦堡塞。 第二章永磁同步电机数学模型及控制方案 交流传动系统，特别是变频传动系统的控制是非常复杂的，要达到对一个 系统良好的控制，必须将该复杂系统简化，从中抽象出该系统的数学模型，以 实现高品质系统的设计与优化。 三相永磁同步电机本身即是一个多变量、强耦含、非线性的系统，采用三 相交流电供电，其数学模型比直流电机复杂的多，控制亦较为复杂。为了实现 转矩线性化控制，就必须要对转矩的控制参数实现解耦。本章首先分析讨论了 三相永磁同步电动机的数学模型，继而进一步讨论其解耦控制方法以及伺服系 统的控制策略。 2 1 三相永磁同步电机的数学模型 若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 的数学模型与电励磁同步电机将基本相同。在推导p m s m 的数 学模型时，有以下假设o ： 1 ，忽略铁心饱和、不计涡流和磁滞损耗、认为磁路线性； 2 转子上没有阻尼绕组且永磁体也没有阻尼作用； 3 感应电动势( 反电势) 是正弦的，定子电流在气隙中只产生币弦分布磁 势，忽略高次谐波。 基于以上假设所得结果与实际情况相差不大，可在此基础上对调速系统进 行研究与控制“。“1 。 2 1 1 电压方程 图2 1 是一台一对极p m s m 的物理模型，a 、b 、c 为三相定子绕组轴线， 各绕组轴线在空间上互差t 2 0 度( 假定定子正向电流流进相绕组产生的正弦分 布磁通势波的轴线就是该相绕组的轴线) ，假定相绕组中反电势的正方向与电流 正方向相反，转子逆时针旋转方向为正。 针对永磁同步电动机，取永磁体基波磁场的方向为d 轴，超前于d 轴9 0 度 至堕堡矍墨竺墨童塑塑望兰鲨堕壅 的方向为q 轴，此坐标轴随电机转子以同步速旋转，则在此面坐标系上的三相 永磁同步电机的矢量图如图2 2 所示。转子参考坐标的空间位置以d 轴与a 相绕 组轴线间的电角度q 来表示。则三相永磁同步电动机的由轴电压方程为： 图2 1 p m s m 的物理模型图 图2 2 由旋转坐标系矢量图 “g = r 。+ p 矿g + q d 钍d 2 r s i d + p g d 一国。 其中，磁链方程为： y 口2 l q i , ， 妒d2 l d i a + 1 ；，f 于是上式可写为： “4 = r s q + l 4 p i q + ，l d i d + ? i ，f “d 2 r s i d + d p i d 一r q i q 式中，“。，g d 轴电压； ，曰，d 轴电流； 。，乞口，d 轴电感； 墨定子相电阻： ，- - 转子电角速度： 吩永磁体基波磁链； p微分算子。 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 于是可得p m s m 的动态等效电路，如图2 3 所示。 d 以_ jl 1 峰 7 9+ 上 “q，妒d ( + ) ( ) - - 一 idud g o i ，。( 上i ( ) - j 图2 3p m s m 动态等效电路 上述数学模型中的d 、g 变量，是由a 、b 、f 三相坐标系经由变换而得到的 根据图2 1 和图2 2 ，两者之间的关系可写为： 2 柽二学 其中， i d c o s 0 ， c = 蚓“， 【万 该交换对电压和磁链 c o s ( o ，- 1 2 0 。) 一s i n ( o ，一1 2 0 ) l 虿 同样适合，可得： c o s ( o , + t 2 0 。) 一s i n ( g , + 1 2 0 。) 1 4 2 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 当然，上述变换亦可反变换成三相d b c 坐标形式，例如式( 2 4 ) 的反变换 可写为下面的形式： in=c-t i q 任篙- s i n o 三： ( 2 7 ) b0 1。kijjiiiiir )f、 - 甜啪 + + | | 2 ”一j 压 嘁星 卷 i l 1，n h ! - 三 n r_二f i ，m 兰三岍 一 一 一 一心h m 交流伺服系统及参数辨识算法研究 2 1 2 转矩方程 永磁同步电机的电磁转矩为： 1 t = p 。( 矿d f 。一y 。) 其中p 。为电机极对数。将磁链方程( 2 2 ) 代入上式得： 气 t = p 。 ，i g + ( d 一上口) ，v i d 】 根据图2 2 所示的由轴坐标系，设i ；为定子电流合成空间矢量， 定子磁动势空间矢i f , 同轴。由此图可得： i = f 。- j i d ( 2 8 ) ( 2 9 ) 而且i 。与 ( 2 1 0 ) l 与d 轴间的角度为( 定子三相合成磁通势波轴线与永磁体励磁磁场轴 线间的夹角) ，则有： i q = t s i n f l i a = i ，c o s f l 将上式代入式( 2 9 ) 中，得到电磁转矩的方程为 t = j 3 n 昕s i n + ( l d 一三。) 0 s i n 2 冈 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 上式括号中第一项是由定子电流合成磁场与永磁体励磁磁场相互作用产生 的电磁转矩，称为主电磁转矩；第二项是磁阻转矩，它是由转子凸极效应引起 的，并与两轴电感参数的差值成正比。 对于面装式转子永磁同步电动机，l 。= t ，电磁转矩方程简化为： 1 i ；三b y ，s i n 声 ( 2 1 3 ) 二 2 1 ，3 转矩平衡方程 电动机转矩平衡方程，即运动方程为： t 。= j d d f c o 月, + b o o + t ， ( 2 1 4 ) 式中，正为电机负载转矩，j 为电机转子和所带负载的总转动惯量，b 为摩擦系 数t 。= 彩，p 。为电机机械角速度。工业应用中，b 数值一般很小，可忽略， 于是运动方程也常常写为： 南京航空航天大学硕士学位论文 2 1 4 状态方程 疋：jd c o ，”+ 互 d f ( 2 1 5 ) 电压方程、转矩方程和运动方程共同构成了p m s m 的数学模型，该模型是 非线性的，它含有电角速度m ，与电流b 或i 。的乘积项。其状态方程为： 柑r - c o l d ，岛l q 麓：墟 + 唱州批。1 蚀： ( 2 由式( 2 1 6 ) ，可以通过m a t l a b s i m u l i n k 构建p m s m 伺服系统电机的仿真数 学模型，如图2 4 。 图2 4 p m s m 仿真数学模型 2 ，2 p m s m 的矢量解耦控制策略 在实际应用中，要求伺服驱动系统控制灵活方便、响应快、定位精度离， 为此需要解决、i q 之间的耦合问题，使o0q 可以独立调节，从而实现转 矩的线性化控制m “”。 2 2 。1 矢量控制原理 针对交流电机的非线性和强耦合特性，德国学者于1 9 7 2 年提出了矢量控制 理论。这种思想首先被应用到了异步电枫中，从那时起，人们对异步电机的控 制性能作了大量的研究。时隔不久，矢量控制思想也被移植到了同步电机中。 交流伺服系统及参数辩识算法研究 与异步机相比，永磁同步电动机的转子是由永久磁钢励磁的，电机磁场基本恒 定，对其进行矢量控制无需观测转子磁通，故磁场定向矢量控制技术更适合在 同步电机中应用。另外，应用高矫顽力和高剩磁感应的永磁材料，可以使永磁 电机的功率密度高于感应电机并可以获得更高的转矩惯量比。 众所周知，他励直流电机中励磁磁场和电枢磁通势间的空间角度是由电刷 和换向器所固定的，且通常情况下两者正交。因此，电枢电流和电磁转矩间存 在着直接的线性关系。通过调节电枢电流就可以直接控制电磁转矩的大小。另 外，为使电机在高速区能以恒功率运行，还可以进行弱磁控制。正是因为在很 宽的范围内都能够提供可控转矩，所以直流电机才得以在电气传动领域中得到 广泛应用。 相比之下，交流电机则不可直接控制电流来调节电磁转矩。以同步电机为 例，电机励磁磁场和电枢磁通势间的空间角度不固定，是随着电机转子的旋转 而不断的发生变化的，并不存在直接或间接的线性关系，所以不能像直流电机 那样简单的通过调节电枢电流来控制电磁转矩，需要借助于矢量坐标变换来实 现电机中各量的解耦，以期达到只控制电枢电流大小即可控制电机电磁转矩的 目的。 22 2 坐标变换 矢量控制可借助于坐标变换实现。矢量控制所用到的坐标系般有两种， 种是静止坐标系，如口如坐标系、够轴坐标系等；另一种为旋转坐标系，如由 轴坐标系。 ( 1 ) a b c 坐标系( 三相定子坐标系) 电机三相电枢绕组的轴线分别为口、6 、c ，彼此互差1 2 0 度空间电角度，构 成了a b c 相坐标系。综合矢量f 在三相定子坐标轴上的分量如图2 5 。 ( 2 ) 叩轴坐标系 妒坐标系是一个在空间具有相对固定不动正交轴线的坐标系统，不随转子 旋转而转动，属于静止坐标系。 g i l a 轴与三相坐标系的a 轴重合，轴超前a 轴9 0 度电角度，图2 , 5 中乞、为综合矢量在q 归轴上的投影即分量。 a b c 到。够的坐标变换为： 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 3 ) 由轴坐标系 1 2 以 2 店 ( 2 1 7 ) 将坐标系固定在转子上，坐标系随转子以同步速旋转，g 轴超前d 轴9 0 度 电角度，就构成了由轴坐标系，它是坐标轴旋转的等效两相坐标系。把综合矢 量对由轴分解，结果如图2 6 。 。6 c 坐标系到由坐标系的坐标变换为： ，、r 刖举，! 警之! 簪之8 i 沼 l 22 2 j 。 以上变换均为功率不变的坐标变换。 图2 5 筇坐标系与动c 轴坐标系 图2 6 由坐标系与口钯轴坐标系 2 2 3 p m s m 的磁场定向解耦控制 。塑芊系统中，关键的问题是实现电动机瞬时力矩的高性能控制。永磁同步 电机的电磁转矩为： = 扣吼p ( 岛一l , ) i q i d ( 2 - 1 9 ) ，室士式可以看出，永磁同步电机的电磁转矩的控制基本上取决于对交轴电 流和直轴电流的控制a 在输出力矩为某定值时，对交轴电流和直轴电流的不 ：也：压 。o污一 ，矧0 = ，_j_jj|，_i k 0 b 交流伺服系统及参数辨识算法研究 圊组合的选择，将影晌电机和逆变器的输出能力以及系统的效率、功率因素等。 如何根据给定力矩确定交轴电流和直轴电流使其满足力矩方程构成了永磁同步 电机的电流控制策略问题。 永磁同步电机的电流控制策略主要有：1 ) i a = o 控制；2 ) 恒磁链控制；3 ) 力矩电流比最大控制；4 ) c o s ( a = 1 控制等控制方法。文献 1 7 对以上四种电流控 制方式进行了理论分析和一些计算机仿真研究，现将结论总结如下： 1 f 。= o 控制是一种最简单的电流控制方法，该方法有效的遏制了因电机电 枢反应而带来的去磁作用，减少了铜耗，且输出力矩与定子电流成正比，易于 对电机转矩进行控制。其主要的缺点是随着输出力矩的增大，端电压比较大且 功率因数急剧降低，从而对逆变器容量的要求增高。 2 恒磁链控制就是控制电机定子电流，使气隙磁链与定子交链磁链的幅值 相等。该方法在功率因数较高的条件下，在一定程度上提高了电机豹最大输出 力矩，但控制较复杂。 3 力矩电流比最大控制使电机输出力矩满足要求的条件下定子电流最小 减小了电机的铜耗，有利于逆变器开关器件的工作，同时，由于定子工作电流 小，可选用较小容量的变频器，可以有效降低系统成本。缺点是功率因数随着 输出力矩的增大下降较快。 4 c o s = 1 控制方法使电机的功率因数恒为1 ，逆变器的容量得到充分利用， 但该方法的最大输出力矩很小，且存在去磁反应不能保证电磁转矩线性变化。 以上各种电流控制方案各有其特点，适用于不同的运行场合。本文选择= 0 控制方式。该控制方法简单易行，对永磁电机来说无去磁反应，可以保证电机 具有较长的使用寿命，软件编写所占c p u 资源较少，利于电机实时控制，使得 电机调速更易实现。 若选择永磁体基波励磁磁场与定子正弦波磁动势正交，并独立控制定子电 流幅值，则此时的控制方式即为磁场定向的矢量控制，可实现与转子同步旋转 参考坐标中由轴的解耦。此对，电机定子电流综合矢量与转子直轴间的夹角为 9 0 度，单位安培定子电流产生的电磁转矩最大，可以获得最高的转矩电流比， 电动机的铜耗也最小。采用磁场定向控制，令i 。= 0 ，可以得到f ，：f 。，电磁转 矩与交轴电流f 。成线性关系，只要控制好交轴电流幅值，就可以得到良好的转矩 控制性能，此时永磁同步电机便可等效为直流电机，此时p m s m 的数学模型 可改写为； 童室堕窒鉴垂查堂堡主兰垡笙塞一 “日= r 。i q + q p i q + ，y ， = 一，l g r ， 互= 3 矿， ( 2 - 2 0 ) t e = j d 甜c + b w ，+ t i 2 2 4 电流反馈跟踪控制 借助于电流反馈跟踪控制，i 。= 0 电流控制策略便可得以实现。 给定电流0i ：与反馈电流oj 。之差经电流控制器运算得到给定电压信 号，依靠电流调节器强制信号、i 。跟踪给定信号0i ：，这就是电流跟踪控制 的基本原理。 根据给定与反馈交直流信号的不同，电流反馈跟踪控制一般又有两种实现 方法；直流跟踪控制法和交流跟踪控制法。设电流控制器传递函数为g ，( g ) ，对 直流跟踪控制法： 薯绺- i q 沼：t ， “：= g 。0 地j 对交流跟踪控制法： “：= q g 地一i 。) “：= q 0 地乇) ( 2 2 2 ) “：= g j b m 一) 两种不同的电流跟踪控制法框图分别如下页图2 7 ( a ) 、( b ) 所示，图中d c r 和a c r 分别为直流电流控制器和交流电流控制器。 在实际应用中，电流控制器的响应速度会受微处理器运算速度和a d 转换 器的转换时间和转换精度限制，要保证电流的快速性有一定困难，而且电流控 制精度和稳定性也会受a d 转换精度影响。本文采用交流控制方式，因为该控 制方式只需一次由坐标变换，结构较直流控制方式简单，运算量小，占用系统 资源较少，比较容易实现，调整也比较方便，这种工作方式下的伺服系统具有 较好的电流解耦控制性能。 2 ，2 5 电流s p w m 工作方式 变频传动系统定位的快速性和准确性与电流响应速度密切相关，逆变器通 奎堕堡望墨篓墨釜墼塑堡簦垄塑茎 一 过实时p w m ( 脉宽调制技术) 控制技术驱动功率管工作，从而产生频率可调的 三相对称交流电，实现电机的快速控制。 p w m 是一种以调制波和载波相交接形成一系列脉冲宽度可调的矩形波来 实现开关管通断控制的波形调制技术。在p w m 调制技术中，当调制波为正弦波 时，输出矩形脉冲的宽度按正弦规律变化，这就是正弦脉宽调制( s p w m ) 技术。 ( a ) 直流跟踪控制 ( b ) 交流跟踪控制 图2 7 电流反馈跟踪控制框图 工作于s p w m 方式下的三相逆变器。三招输出电压基波幅值大小相等，相 位互差1 2 0 度，基本对称。当然，逆变器输出波形中除了基波分量外还含有一 定的谐波成分，其性质与s p w m 调制过程中的多个因素有关。 为防止在垂直换流中同一桥臂上下管直通，在互补式控制极脉冲时序下， 必须插入死区，而且死区时间必须保证退出导通的器件有可靠关断时间，即在 垂直换流过程中遵循先关断后导通的原则“。但是应该注意到，死区时间的引 入，也带来了一些其他问题，比如，死区时间增大，输出电压有效值会降低， 引入了不易滤除的低次含量谐波，输出电压t h d 增大等。因此，死区时间的大 小，须经综合考虑确定。 s p w i v l 控制原理可由集成电路芯片硬件电路实现，也可采用微处理器或数 南京航空航天大学硕士学位论文 字信号处理器来完成。在本文中该功能是由t i 公司的电机专用控制芯片 l f 2 4 0 7 a 实现的，后续章节会有详细介绍。 2 2 6p m s m 交流伺服系统矢量控制框图 在电流环解耦控制的基础上，得出了永磁同步电动机饲服系统的矢量控制 原理框图如图2 8 示。 图2 8 永磁同步电动机伺服系统的矢量控制框图 a p r 、a s r 和a c r 分别为位置、速度和电流控制器。上图在电流环矢量控 制的基础上又增加了速度和位置控制器，其功能分别为： a p r 强迫位置反馈信号口，跟踪位置给定信号护，使电机转子按指定规律 运动，以达到精确定位的目的。 a s r ：对给定速度信号疗和采样到的速度反馈信号n ，之间的误差进行实时 调节，使电机反馈转速始终为给定转速值，达到闭环调节的目的。 2 3 交流伺服系统控制策略 控制算法因控制规律的不同而有所不同，通常有经典控制算法、现代控制 算法和智能控制算法之分。 2 3 1 经典控制算法 尽管随着现代交流调速技术的发展，出现了很多新型控制算法，如自适应 控制、模糊控制、专家控制等m 刊，但这些算法多数由于计算量太大而没有得到 广泛应用，实际系统多数仍采用p i 控制策略，该控制策略计算简单，可靠性离， 参数易于整定。至今为止，经典的p i 控制算法仍是控制系统中应用最多的一种 交流伺服系统及参数辨识算法研究 算法。 实际工程经验和理论分析都表明，运用p i 控制规律控制许多工业过程，一 般都能得到较为满意的效果。但它存在抗干扰能力弱、对负载变化适应能力差 和受系统参数变化影响等缺点。k 。，k ，k 。的选取主要依靠工程经验，而且与 电机参数有关。交流电机是一个多变量、强耦合、和蔼f 度非线性的复杂控制对 象，在不同环境温度、不同运行条件下电机系统惯量和负载都会发生改变，电 机电参数也会随情况不同而改变，因此经典的p i e ) 控制算法鲁棒性较差，一般 需要结合其它控制策略以适应高精度交流伺服系统的运行要求。 2 3 2 现代控制算法 近年来，随着现代控制理论不断的发展和完善，已有越来越多的现代控制 理论被应用到电机控制中来，并取得了不错的控制效果，增强了伺服系统运行 的鲁棒性。 ( 1 ) 变结构控制算法 变结构系统的概念渊源于分段线性系统的控制。变结构控制理论是种非 线性控制方法，其滑动模态对系统的干扰和系统摄动具有完全的自适应性。变 结构是通过切换函数实现的，当系统的状态向量所决定的切换函数值达到某一 特定值时，系统可由一种模态的运动微分方程自动转变为另一种模态的运动微 分方程。“。滑模变结构控制的特点是对参数变化不敏感，有一定的研究价值。 ( 2 ) 自适应控皋廿算法 早在上个世纪五十年代末，由于飞行控制的需要，美国麻省理工学院的 w h i t e a s k e r 就首先提出了模型参考自适应控制方法。经过不懈努力，自适应控制 理论和系统的设计方法都有了一定的进展，特别是近几十年来计算机的发展， 微型计算机和微型处理器的广泛普及，自适