（电机与电器专业论文）基于免疫遗传算法的永磁无刷直流电机模糊控制.pdf

a b s t r a c t a sp e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) i sam u l t i v a r i a b l ea n d n o n - l i n e a rs y s t e m ，c o n v e n t i o n a lc o n t r o l l e r sc a nn o to b t a i ns a t i s f i e dc o n t r o le f f e c t f u z z yl o g i cc o n t r o li sp r e s e n t e db yz a d e h ，i tc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f b l d c ms y s t e m ，b u ti ti sd i f f i c u l tt od e s i g na n ds e tp a r a m e t e r s g e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) a n do t h e ri n t e l l i g e n ta l g o r i t h m sa r eu s u a l l ys o l u t i o n s b u ti ti sh a r dt os o l v e t h e s ep r o b l e m so ff u z z yl o g i cc o n t r o l l e rb a s e do ng aa ss l o wc o n v e r g e n c e ，h a r dt o s i m u l t a n e o u s l yo p t i m i z ep a r a m e t e r sa n dt e n dt ot r a p i nl o c a lo p t i m u m i m m u n e g e n e t i ca l g o r i t h m ( i g a ) i si n s p i r e db yb i o l o g i c a li m m u n es y s t e m ，w h i c hh a sm a n y a d v a n t a g e s a f r i z z yl o g i cc o n t r o l l e rb a s e do ni g a i sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , w h i c hi sa p p l i e d i n t ot h eb l d c mc o n t r o ls y s t e m i n t e g r a t e dt i m ea n da b s o l u t ee r r o r ( i t a e ) i su s e da s t h et e r mo ff i t n e s sf u n c t i o n ，a n dt h ec o m p u t a t i o n a le f f i c i e n c yi si m p r o v e db y a m e n d i n gt h ee n c o d e dm o d e t h ew h o l eb l d c mc o n t r o ls y s t e mi ss i m u l a t e di n m a t l a b s i m u l i n k b a s e do nt h eb l d c mm o d e l ，t h es i m u l a t i o no ff u z z yc o n t r o l s y s t e mi ss e tu p t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t ss h o we x c e l l e n tf l e x i b i l i t ya n d a d a p t a b i l i t ya sw e l la sh i g hp r e c i s i o na n dg o o dr o b u s t n e s so f t h ep r o p o s e ds t r a t e g y f o re x p e r i m e n t ，t h er e s e a r c hd e s i g n st h ec o n t r o ls y s t e mo fb l d c mb a s e do n d s pt m $ 3 2 0 f 2 812 k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r f u z z yl o g i cc o n t r o l ，i m m u n eg e n e t i c a l g o r i t h m ，i t a e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 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，也不包含为获得苤壅盘堂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了谢意。 学位论文作者签名：苍吹 签字日期： 枷7 年月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全都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：夕奎畋 签字日期：伽7 年 石月 日 ?z 新躲币彬 签字日期：夕? 声乡月日 第一章绪论 第一章绪论 本章首先概述永磁无刷直流电机的发展概况、特点及其在各个领域的应用情 况，总结了争内外对其研究的热点问题和方向；然后阐述智能控制理论的发展和 在控制系统中的应用；最后列出本文研究的主要内容和全文的结构安排。 1 1 永磁无刷直流电机发展及应用 电机作为机电能量转换装置，在工业领域及人民日常生活中发挥着巨大作 用。在同步电机、异步电机和直流电机这三大类的电机中，直流电机具有运行效 率高、调速性能好、机械性能优等特点。但是，传统直流电机采用电刷以机械方 法换向，存在噪声、火花、电磁干扰及寿命短等致命缺点，大大限制了直流电机 的应用范围【。 随着科学技术的发展，各种新技术新材料不断涌现，各种各样的新式电机也 不断被开发出来。2 0 世纪3 0 年代有人开始研究以电子换相代替直流电机的机械 换向，但是当时电力电子器件处于初级发展阶段，不能找到合适的电子换相器件， 因此只停留在实验室阶段。5 0 年代中期，美国哈里森等人申请了在电动机中应 用晶体管换相代替机械换向的专利，这就是现代永磁无刷直流电机的雏形。但是 该电机尚无起动转矩，实用价值不大，没有实现产品化生产。在人们的不断努力 下，1 9 6 2 年，第一台采用霍尔元件的永磁无刷直流电机问世，标志着永磁无刷 直流电机进入快速发展的新阶段。2 0 世纪7 0 年代以后，电力电子工业的迅猛发 展，出现了许多新型高性能电力电子器件，包括i g b t 、g t r 及m o s f e t 等， 钐钴、钕铁硼等高性能永磁材料也相继问世，为开发廉价、高效和高性能的永磁 无刷直流电机系统提供了有力的物质条件，使得永磁无刷直流电机得到进一步发 展，性能得到大幅提高。1 9 7 8 年，德国m a 咂s m a n n 公司推出m a c 永磁无 刷直流电机及其驱动装置，标志着永磁无刷直流电机正式进入产品化规模化的实 用阶段 2 - 4 j 。 近年来，各种新的电子产品不断涌现，工业生产和人民生活质量不断提高， 对电动机的品质也提出更高要求，促使永磁无刷直流电机向前发展。主要趋势有： ( 1 ) 电机外形向小型化、轻量化、薄型化方向发展； ( 2 ) 电机结构更优化； ( 3 ) 电机的永磁、导电及绝缘材料性能更优； 第一章绪论 ( 4 ) 电机控制和驱动电路更简化、更可靠； ( 5 ) 更多考虑节能环保的要求。 经过十几年的发展，我国已成为电机生产大国，其中小电机生产占全球的 6 0 以上。为尽可能提高效率，永磁无刷直流电机永磁体需要采用烧结钕铁硼， 而我国稀土矿藏丰富，这为永磁无刷直流电机的发展提供了可靠的材料来源，发 展永磁无刷直流电机的前景十分看好。 。 永磁无刷直流电机的转子磁极通常采用瓦型，以获得梯形的气隙磁密，定子 绕组多采用集中式整距绕组，因此反电势波形也是梯形波。在发展初期，永磁无 刷直流电机曾被分为方波型和正弦波型永磁无刷直流电机。现在习惯上称气隙磁 密形状为梯形或方波型的为永磁无刷直流电机，而称气隙磁密形状为正弦波形的 为永磁同步电机，但二者本质上并无不同。广义上，永磁无刷直流电机己经不是 专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具备有刷直流电机外部特性的电子换相 电机。 永磁无刷直流电机与其它电机相比，具有很多独特的优良性能，这也是其广 泛应用在航空航天、车辆船舶、工业动力、医疗器械、家用电器等行业的原因。 永磁无刷直流电机一般由电机本体、位置检测元件、功率控制器组成，是一种典 型的机电一体化产品。主要特点有： ( 1 ) 没有电刷，可靠性高，寿命长( 只考虑轴承寿命) ，维护周期长； ( 2 ) 无火花，电机本体不产生电磁干扰，具有防爆性能； ( 3 ) 噪音低( 轴承噪音) ，节能高效； ( 4 ) 高低压直流驱动，安全可靠，性能稳定； ( 5 ) 控制灵活，可方便地实现正反转； ( 6 ) 宽调速，高精度，适于微机数字控制。 由于技术和价格上的限制，永磁无刷直流电机最初只应用在军工和空间技术 领域，近年来随着技术不断成熟，价格不断下降，永磁无刷直流电机开始逐渐替 代有刷直流电机应用在一些工业和民用领域。如工业机床、车辆船舶、计算机设 备、办公自动化、音像产品及家用电器等。在电梯门机系统中，永磁无刷直流电 机也具有显著优势，已日益成为研究应用的热点。 由于永磁无刷直流电机不易实现大功率，而更适合向小、轻、薄的方向发展， 因此，其小型化、微型化的应用也在日益扩大。计算机硬盘主轴驱动大多采用体 积小、转速高的永磁无刷直流电机。在一些要求高效率和高功率密度的特殊应用 领域中，永磁无刷直流电机也有良好前景，可以预见，从各个角度对永磁无刷直 流电机及其控制系统展开的国际性开发热将继续保持并进一步发展，最终使其成 为未来高性能伺服产品中不可轻视的对象。 2 第一章绪论 1 2 永磁无刷直流电机国内外研究现状 近年来国内外学者对永磁无刷直流电机的研究主要集中在以下几个方面：控 制策略和控制算法、无位置传感器控制、转矩波动抑制、噪声和抗干扰等。 ( 1 ) 控制策略和控制算法 现代工业控制中对电机的控制精度和性能要求越来越高，而传统p i d 双闭环 控制已经不能满足这些需求。如当系统中存在未知变化量或动态量时，普通p i d 往往无法取得较好效果，当系统参数变化区间较大时，控制系统甚至会不稳定。 永磁无刷直流电机系统是一个强耦合、多变量、非线性的系统，使用传统控制方 法很难达到满意的控制效果。近年来发展起来的现代控制理论已较为成熟，几种 主要理论分支如模糊控制理论、最优控制理论、自适应控制理论和滑模变结构控 制理论等已达到实用阶段，并开始应用在永磁无刷直流电机的控制中，与传统控 制方法相比可有效提高系统性能。但这些算法计算量较大，对硬件的要求较高， 实现存在一定难度。近年来，单片机、d s p 、f p g a 、c p l d 等控制用高速微处 理器发展迅速，执行速度和存储空间都有了大幅提高。如t i 公司最新生产的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 执行速度已达到1 5 0 m i p s 。以全数字电路取代原来的模拟 电路、采用单片机或d s p 为数字处理核心已经成为现代控制系统设计的发展趋 势。高速微处理芯片性价比不断提高也为现代控制理论的推广起到了促进作用。 模糊控制理论自美国加州大学z a d e h 教授于1 9 6 5 年提出后迅速发展，并进 入实用化阶段。国外很早就开始将模糊控制应用于永磁无刷直流电机的研究，近 年来应用进化算法对模糊控制器进行优化的研究也逐步发展。这些研究虽然取得 一定成果，但仍然存在一些尚未完全解决的问题。如早熟问题、模糊控制器参数 编码问题、计算速度问题等。整体而言，利用智能算法对模糊控制器的优化研究 仍处于起步阶段p j 。 ( 2 ) 无位置传感器控制 位置传感器为永磁无刷直流电机的运行提供转子位置信号，以正确控制电机 换相，保证电机稳定运行，目前主要有电磁式、光电式和磁敏式位置传感器。但 是位置传感器的存在增加了电机成本和体积，限制了电机的应用范围。 为降低永磁无刷直流电机成本，增加电机抗干扰性、可靠性、稳定性，减小 电机体积，延长使用寿命，永磁无刷直流电机无位置传感器控制的研究近几年备 受关注。国外7 0 年代末就开始这方面的研究。8 0 年代中期，日本学者提出反电 势理论，并应用在永磁无刷直流电机的无位置传感器控制。由于反电势法原理简 单，实现容易，已成为无位置传感器控制的研究热点。其它无位置传感器控制方 法还有如续流二极管法、电感法等。也有研究人员提出对定子结构或转子结构做 第一章绪论 特殊改动，如在转子表面安装非磁性材料并通过检测该材料中涡流而造成的断开 相电压改变来获得转子位置信号。总体而言，各种检测方法的基本原理都是利用 逆变器电路中包含的与转子磁势旋转同频率的电压或电流信号而得出转子位置 信号- 7 。 ( 3 ) 转矩波动抑制 永磁无刷直流电机由于存在电磁密度、电流换相等问题，因而具有较大的转 矩波动，尤其是低速场合下转矩波动更为明显，这在很大程度上制约了它在高性 能运动控制系统中的应用。转矩波动产生的原因主要有：齿槽效应和磁通畸变引 起的转矩波动；谐波引起的转矩波动；由于电枢等效电感的影响，由换相电流引 起的转矩波动。针对这一问题，人们从电机本体和电机控制系统两方面出发提出 了多种转矩波动抑制方法【引。 同时，永磁无刷直流电机控制器是强、弱电共存的电路，对于采用高频p w m 脉冲调制的控制器，较高的调制频率很容易产生电磁干扰。因此，永磁无刷直流 电机电磁干扰和电磁兼容问题已日益受到人们的重视。 1 3 智能控制理论发展及前景 2 0 世纪7 0 年代后期，自动控制受控对象扩展到大规模复杂系统，这类系统 数学模型的建立比较困难。即使能获得它们的近似模型，也难以求解或者无法满 足实时控制要求。而在生产实践中，专家或熟练操作人员的经验和控制理论相结 合却可以解决复杂系统的控制问题，由此产生了主要模拟人的思维方式和行为去 控制复杂对象的智能控制理论。1 9 6 5 年，k s f u 教授提出将人工智能的启发式 规则应用于学习控制系统；1 9 6 7 年，l e o n d e s 等人首次使用“智能控制”这一概 念。 智能控制目前主要包括模糊控制、神经网络、专家系统、进化算法等，其中 进化算法又包含蚁群算法、粒子群算法、遗传算法和人工免疫算法等【8 卅。实际 上，目前各种算法之间已开始相互结合，出现了许多更先进的算法，如免疫遗传 算法、模糊神经网络等，这些算法将智能算法有机结合，克服了应用单一算法时 存在的某些原理性缺陷，因此具有广泛的应用范围和良好发展前景。 1 3 1 模糊控制理论 z a d e h 于2 0 世纪6 0 年代首先提出模糊控制理论的两个基础概念“模糊集合” 和“模糊算法”后，又和其它学者共同对模糊控制理论进行一系列完善，研究了 模糊映射、模糊推理和模糊控制等原理，为模糊建模和模糊控制的发展奠定了理 4 第一章绪论 论基础【l o l 。 经过十几年的理论积累，2 0 世纪8 0 年代后期，模糊控制进入实用化阶段， 从起初以大型机械设备和连续生产过程为主要对象，到目前广泛应用在民用领 域，模糊控制技术应用范围逐渐扩展。 但是，模糊控制理论与应用技术研究至今只有4 0 多年，目前理论仍未完全 成熟，还存在许多值得深入探讨的问题，例如： ( 1 ) 目前应用的模糊控制多为二维输入、维输出，如何将模糊控制应用 在多变量、非线性复杂系统中仍有待研究； ( 2 ) 模糊控制器的输入输出维数、模糊子集的划分、隶属度函数选择、推 理规则和形式等仍然需要人工设置，如何根据控制系统性能综合指标来设计最优 模糊控制器仍然有待研究； ( 3 ) 模糊控制系统的稳定性分析，如何设计出具有强鲁棒性的模糊控制器 仍然有待研究； ( 4 ) 智能化的模糊控制策略，具有自学习、自校正功能的模糊控制器研究 仍有待加强。 ( 5 ) 简单实用、性能高、稳定性好的模糊集成芯片技术的研究开发及其推 广应用方面仍然有许多工作要做。 模糊控制系统是一种基于规则的知识型控制系统。其主要特征表现为：将系 统观测值和控制量分为若干子集，将受控对象领域的专家知识和熟练操作人员经 验，转化成为“i f 一t h e n 形式的语言控制规贝i j 。规则i f 部分作为前提条件，即 表示当前所观测到的系统状态，而t h e n 部分作为结论，指示系统应该怎样操作 才能减小或消除系统当前状态和期望状态之间的误差，即控制量。上述两部分也 分别被成为前件部和后件部。 模糊控制系统设计主要有以下基本步骤： ( 1 ) 模糊控制器的结构选择，即确定模糊控制器的输入输出变量。 ( 2 ) 模糊规则的选取。若依靠人工设计模糊规则，难免会包含一些主观因 素，而影响模糊控制器性能。因此模糊控制器的规则设计往往不能一蹴而就，需 要在专家经验的基础上不断提取和选择，才能得到较优规则。 ( 3 ) 根据实际需要确定模糊化和解模糊的方法。 ( 4 ) 模糊控制器输入输出系数确定。虽然输入输出系数对模糊控制器的影 响也比较大，但是研究表明，好的模糊控制器可以适应很宽的系数范围。系数的 变化不能影响模糊控制器性能本质上的优劣，但是可以作为模糊自适应调节的对 象在线实时调整。 第一章绪论 1 3 2 免疫遗传算法 r 近年来，一类基于生物界的选择和遗传机制的计算方法，如遗传算法、进化 策略和进化规划等方法，在科研和实际工程中的应用越来越广泛，并取得了较好 的效果。 b a g l e y 于1 9 6 7 年在博士论文中首次提出了“遗传算法”一词，并采用双倍 体编码，发展了与目前类似的复制、交换、突变、显性、倒位等基因操作。1 9 8 3 年，g o l d b e r g 在其博士论文中第一次将遗传算法应用于实际优化设计中。在遗传 算法广泛应用于解决实际问题后，人们也发现遗传算法存在很多不足，例如过早 收敛于局部最优解等。于是很多学者提出了相应的解决办法。美国新墨西哥大学 的s f o r r e s t 和洛斯阿拉莫斯实验室的a p e r e l s o n 首先提出了免疫系统遗传建模的 方法，此后针对免疫遗传算法的研究不断发展，信息熵、浓度、选择算子等概念 相继被提出，逐渐完善了免疫遗传算法【1 1 】。 免疫遗传算法的基本特点是： ( 1 ) 算法建立在对编码的随机优化过程上，所以各种优化问题首先应进行 抗原识别，即将待优化变量转化成相应编码，然后对这个码串进行处理。 ( 2 ) 算法通过随机搜索，不断加强优势抗体，完成种群进化，最终获得最 优抗体。其中个体筛选一般采用轮盘赌方式，不依靠优化函数的梯度信息，对函 数形态没有要求。 ( 3 ) 算法综合考虑抗体浓度和对抗原的适应度，而不是遗传算法中单纯基 于适应度的选择方式。这样能够有效抑制遗传算法中的早熟现象，有利于将搜索 过程引向全局最优。 ( 4 ) 算法模拟生物免疫系统的再次应答特性，设计了记忆库，利用了免疫 记忆的机理操作种群，能够加快收敛速度【1 2 】。 1 4 本文主要研究内容及结构安排 由于永磁无刷直流电机系统是一个强耦合、多变量、非线性的系统，其高性 能控制技术目前仍存在许多问题需要进一步解决。本文在总结国内外学者研究成 果的基础上，对基于免疫遗传算法的永磁无刷直流电机的模糊控制策略进行了讨 论，并将其应用在永磁无刷直流控制系统中，以期对永磁无刷直流电机控制技术 的发展起到积极作用。主要研究内容有： ( 1 ) 总结永磁无刷直流电机的控制策略和起动方法，分析其工作原理和转 子位置检测方法；以实际参数为准，设计基于m a t l a b s i m u l i n k 的永磁无刷直 6 第一章绪论 流电机控制系统模型，为免疫遗传算法提供寻优对象。 ( 2 ) 提出基于免疫遗传算法的模糊控制策略，对永磁无刷直流电机系统实 现双闭环控制。模糊控制虽然较传统控制方法有许多优点，但是其模糊规则需要 专家经验，隶属度函数参数整定也较为困难。已有学者采用遗传算法等智能算法 对其进行优化，但仍存在许多不足。本文提出的基于免疫遗传算法的模糊控制技 术可以有效避免遗传算法早熟收敛，设计的编码方式可以大幅提高计算效率。 ( 3 ) 以m a t l a b 程序语言编程实现了本文提出的控制策略，以计算结果为 依据，详细分析了免疫遗传算法的进化过程，证明了基于免疫遗传算法模糊控制 的优点，并对得出的模糊控制器进行了各种分析。 ( 4 ) 为提高模糊控制在线调节能力，在分析模糊控制器量化系数敏感度的 基础上，设计了自适应模糊控制器，并依照上文的思路对其进行优化设计。 ( 5 ) 设计并实现以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片为核心的永磁无刷直流电机控制系 统。迸行硬件电路和软件编程实验，并分析实验结果。 除第一章阐明研究背景、介绍课题意义之外，本文的结构安排如下： 第二章总结永磁无刷直流电机的功能和结构特点，分析永磁无刷直流电机的 模型。在m a t l a b s i m u l i n k 环境下搭建永磁无刷直流电机模糊双闭环控制系统 的模型，为免疫遗传算法准备了优化对象。 第三章着重阐述基于免疫遗传算法的模糊控制器的设计方法，并详细说明了 免疫遗传算法编码方式的设计、目标函数的选择和种群多样化保持策略。最后给 出仿真结果和分析。 第四章针对固定参数模糊控制器不能在线调节的缺陷，利用免疫遗传算法对 模糊自适应控制系统进行优化设计，并将其应用于电梯门机调速系统。依照实际 电梯门机运行曲线搭建了仿真模型，最后给出结果及分析。 第五章阐述永磁无刷直流电机控制系统的软硬件结构的设计方法，描述各部 分硬件电路的功能和结构，简要说明软件程序的结构和流程，最后给出相关实验 结果。 第六章总结全文工作，并说明在研究过程中发现的问题及其产生的可能原 因，这些问题还需要更进一步的工作才能解决。 7 第二章永磁无刷直流电机仿真建模 第二章永磁无刷直流电机仿真建模 本章简要说明永磁无刷直流电机的结构及工作原理，阐述利用反电势法对无 位置传感器控制的基本原理，在此基础上分析了永磁无刷直流电机的数学模型并 在m a t l a b s i m u l i n k 环境中建立了永磁无刷直流电机的双闭环调速系统仿真模 型。 2 1 永磁无刷直流电机结构及控制原理 永磁无刷直流电机在电机结构和控制原理上与一般直流电机有很多类似之 处，具有一般直流电机的运行效率高、起动转矩大、调速范围广和机械性能为线 性的优点，同时又有结构简单、运行可靠、维修方便等特点。 2 1 1 永磁无刷直流电机结构 永磁无刷直流电机由电机本体、位置检测元件、功率控制器组成，是二_ 种典 型的机电一体化产品。其基本结构如图2 ：l 所示。 图2 。l 永磁无刷直流电机基本结构 电机本体主要是由带有铁心和电枢绕组的定子和带有永磁体的转子组成。电 枢绕组一般可以绕制成单相或者多相形式，组成星形或者三角形连接；转子由某 一极对数的永磁体镶嵌在铁心表面( 凸极) 或者埋入铁心内部( 隐极) 构成，目 前永磁体多采用稀土永磁材料制成。 值得一提的是，永磁无刷直流电机采用集中式绕组以产生方波反电势，所谓 集中式绕组是指安装在凸形磁极铁心上的绕组，例如直流电动机上的主磁极绕组 和换相绕组，对于三相电动机而言，如果每相绕组在每个磁极下只占一个槽，则 也是集中式绕组；与之相对，分布式绕组是指分散布置于铁心槽内的绕组，例如 直流电动机的转子绕组以及三相电动机的定子绕组和转子绕组都是分布式绕组。 分布式绕组与集中式绕组相比，能充分利用空间位置，有利于散热，还可削弱谐 第二章永磁无刷直流电机仿真建模 波磁场，优化电动机性能，但一相所属全部导体基波的合成电势减小 1 3 1 。 位置检测元件用于测定电机转子磁极的位置，为逻辑开关电路提供正确的换 相信息，有光电式、电磁式和磁敏式等形式。其中光电式位置传感器性能稳定， 但是价格高、体积大、可靠性差；电磁式位置传感器具有输出信号大、稳定可靠、 寿命较长、适应各种工作环境等优点，但是体积大，抗干扰能力差；霍尔磁敏式 体积小，可直接输出数字信号，使用比较方便且价格低廉，在各种位置传感器中 应用最广，但是有需要供电、功耗大的缺点。 永磁无刷直流电机的功率控制器相当于永磁有刷直流电机的电刷和换相器， 起到控制电机上各相绕组通电的时间和顺序的作用。功率控制器分为桥式和半桥 式两种，半桥电路的特点是控制简单，但是绕组没有得到充分的利用，而且在运 行过程中转矩的波动较大。桥式电路虽然有控制和驱动复杂的缺点，但是其转矩 波动小，输出转矩大，实际中得到较多应用。功率控制器包括位置信号处理单元 和功率逻辑开关单元两部分。其中位置信号处理单元将位置传感器或其它方法得 出的转子位置信号转化为功率器件的开关信号；而功率逻辑单元将电源的功率按 照前者所提供的信号分配给永磁无刷直流电机定子上的各相绕组，使电机转子持 续受到驱动而产生转矩i l 引。 永磁无刷直流电机的工作原理与传统有刷直流电机基本相同，都是在电机工 作过程中由磁极产生的磁场与电枢绕组通电后产生的磁场始终保持垂直或近似 垂直，从而在理论上保证电机总是在最大转矩下工作。但是两种电机的永磁体和 电枢绕组的位置正好相反，换相机制也完全不同。永磁无刷直流电机依靠转子位 置传感器或间接位置检测技术得出转子信号，驱动功率控制器的各个开关管通 断，从而控制定子各相绕组的通电状态，在电机中产生以一定方向旋转的磁场， 进而令电机转子旋转。可以看出，在电机工作过程中，转子位置检测方法的优劣 对维持电机的稳定运行具有重要影响。 以三相全桥y 接两极永磁无刷直流电机为例说明电机的工作原理。如图2 2 所示，三相定子绕组与功率控制器中的功率开关器件依次连接，起动后的某一时 刻转子位于图2 3 所示位置，此时功率控制器中的v f i 、v f 6 导通，使得电机绕 组的a c 相导通，电流方向为从a 相到c 相，产生顺时针方向合成磁势拖动电 机转子旋转；当转子n 极转至b 位置时，功率控制器中的v f 6 首先关断，v f i 保持开通，然后v f 4 打开，导通电机绕组a b 相，电流方向为从a 相到b 相， 产生c c 方向的磁势，拖动转子继续旋转；当转子n 极转至c 位置时，v f i 首 先关断，v f 4 保持开通，然后打开v f 5 ，使得b c 相导通，电流方向为从c 相到 b 相，产生a a ，方向的磁势；以后依次类推，完成一个周期的换相过程。 9 第二章永磁无刷直流电机仿真建模 + u d 图2 - 2 三相y 接桥式功率控制电路 c a ，o 图2 - 3 永磁无刷直流电机控制原理图 2 1 2 无位置传感器控制 无位置传感器控制是永磁无刷直流电机发展的一个重要方向，是指通过检测 电机驱动电路中的一些电压或电流量，并对其进行一定的处理，来间接得到转子 位置信号，从而控制电机正确换相，保证电机稳定运行。目前无位置传感器控制 实现的主要方法有：反电势法、续流二极管法、电感法、相电流法、磁链法、改 变电机结构法、卡尔曼滤波法和g 算法等i l 5 1 。 按上一节所述方式驱动电机，就会得到如图2 4 所示的电机三相相电流和反电 势波形。根据以上对永磁无刷直流电机工作原理的分析可以知道，未导通相的反 电势过零时刻总是与电机换相时刻相差3 0 0 电角度，因此可以利用反电势的大小 来判断转子位置，确定换相时刻，维持电机稳定运行，这就是著名的反电势法。 反电势法简单方便、原理清晰，但是也存在一些缺点，如起动困难、低速效果差、 忽略电枢反应和阻抗变化等：为实现反电势测量而加入的硬件滤波电路也导致电 机体积增大，可靠性降低，并且存在电路移相问题 1 6 - 2 0 】。 l o 第二章永磁无刷直流电机仿真建模 ，i oj i 葡斤孙一 0 壮型 酬一 - jl e b 厅式1 斤 o 当当。 ，j 巳 佩 一 o怔型 型酬7 图2 4 三相相电流与反电势波形 卡尔曼滤波法改变了过去永磁无刷直流电机预测换相时刻仅仅依靠反电势 过零点的思路，充分利用了可以测得的反电势数据，并可以滤掉测量误差和外界 干扰，是一种很有发展前景的转子位置间接检测法。 针对绝大部分转子位置间接检测法实际运行的最低转速只能达到额定转速 的1 0 左右的问题，t a e h y u n gk i m 等提出了一种新型基于磁链函数的无位置传 感器控制方案，该方案使用一个独立于转速的g 函数进行转子位置估算，理论上 在整个调速范围都能适用【2 。 值得一提的是，包括反电势法在内的大部分转子位置间接检测法不能实现自 起动，通常的解决办法是采用三段式起动技术。三段式起动通常是按他控式同步 电机的运行方式从静止开始加速，直至转速提高到可以检测到反电势，再切换到 无位置传感器控制方式。三段式起动包括转子定位、加速和运行方式切换三个步 骤【2 2 1 。 ( 1 ) 转子定位过程是将电机任意两相绕组通电，经过一段时间后转子将转 至一个已知的位置。在这个过程中转子可能会出现振荡现象，当定子磁势恰好与 转子交轴方向相同时，：甚至会出现起动失败现象。 第二章永磁无刷直流电机仿真建模 ( 2 ) 在加速过程中，按次序对定子电枢绕组通电，拖动转子旋转。但必须 保证定子磁势方向与转子直轴的夹角必须大于零，否则，可能导致电机不稳定、 失步，最终导致起动失败。 ( 3 ) 运行方式切换时刻的选择也非常关键，否则也可能导致起动失败。 2 2 永磁无刷直流电机的数学模型 由于永磁无刷直流电机的气隙磁密形状为梯形或方波型，定子电枢绕组采用 集中式整距绕组使得反电势波形近似为梯形波，因此电压中含有较多高次谐波， 不适合采用适用于电机气隙磁场为正弦分布的d - q 变换理论。如果将电感表示为 级数形式并采用多参考坐标理论，也可以进行这种坐标变换，但是运算将变得十 分繁琐；若仅仅取其基波进行变换，则计算误差较大。实践证明，直接利用电机 原有的相变量来建立时域状态方程和电机数学模型不仅方便，而且能获得较准确 的结果【2 3 l 。 解决一般工程应用问题时可以对永磁无刷直流电机做一些近似假设以简化 分析： ( 1 ) 电机的气隙磁感应强度沿气隙按平顶宽度为12 0 0 电角度的梯形分布； ( 2 ) 忽略磁路饱和，不计涡流和磁滞损耗； ( 3 ) 由于稀土永磁材料的导磁系数与空气近似相等、磁极为瓦形结构并且 磁路不对称，所以可忽略电枢反应； ( 4 ) 忽略齿槽效应，电枢导体连续均匀分布于电枢表面； ( 5 ) 电机参数恒定，不受电阻温升等影响； ( 6 ) 逆变电路为三相全控桥，功率管和续流二极管具有理想的开关特性。 根据以上假定，可以得到三相y 接永磁无刷直流电机的等效电路，如图2 5 所 示。 图2 5 三相y 接永磁无刷直流电机等效电路 1 2 第二章永磁无刷直流电机仿真建模 可得其三相电压平衡方程为 丢量 耋 + 三菱荔! 爹 导 耋 + 圣 c 2 一， 式中u o 、毪分别为a 、b 、c 三相相电压；乞、乇、之分别为电机各相相电 流；e 。、e 6 、巳分别为电机各相反电势；r 。、r 、r 。分别为电机各相绕组的电 阻；三。、三6 、t 分别为电机各相绕组的自感；、收、蚝、蚝。、蚝、 必。分别电机三相之间的互感。 由于转子是永磁体，影响可以忽略，所以尼、咒、足、乞、厶、厶、帆、 收、蚝、蚝、蚝、鸩。与转子位置无关且为恒值，即r = 心= 疋= 尺，其 中灭为相绕组电阻，t = 厶= = l ，其中上为相绕组自感， 虬= 蚝= 心。= 必。= 鸲。= 必。= m ，其中m 为两相绕组间互感。 又由于电机绕组采用y 型接线方式，有 ( 2 - 2 ) 銎 = 三兰 兰 + 三j _ 三 - 三乙oj1面,【p乏；o-jl+圣c23， 电机的电磁转矩方程为 t = ( p 口+ p 6 毛+ 巳) 式中互为电机的电磁转矩；瓯为转子机械角速度。 电机的运动方程为 。 t = 乏+ ，訾+ 肋。 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 乃0 o i_。l = 1j 如如线 0 = 0 0 埘 i i + 0b + 所b + + 0 0 m ，j、 第二章永磁无刷直流电机仿真建模 式中j 为转子及负载的转动惯量；瓦为负载转矩；b 为电机阻尼系数。 对永磁无刷直流电机的磁密分布函数唿伊) 分析可知，a 相绕组反电势 巳= 鼍国乓徊) ( 2 6 ) 式中k 为反电势系数；国为转子电角度。 由于电机的三相绕组在定子内以1 2 0 。对称分布，故三相反电势大小相等，相 位相差1 2 0 0 电角度，幅值为 e m = k p 2 3 永磁无刷直流电机系统仿真模型 ( 2 7 ) 本文基于m a t l a b s i m u l i n k 建立永磁无刷直流电机的仿真模型。m a t l a b 是 m a t h w o r k 公司开发的“演算纸 式的科学计算语言，它将数值分析、矩阵运算、 信号处理和图形显示于一体，并带有很多由著名专家学者开发的专业工具箱和模 块库，使用非常方便。另外，模型输入与仿真环境s i m u t i n k 为控制系统的仿真提 供了功能强大的搭建平台，使m a t l a b 成为目前国际上最流行的控制系统计算机 辅助设计的软件工具。 和其它程序设计语言相比，m a t l a b 语言有很多优势【2 4 】： ( 1 ) 矩阵运算功能：m a t l a b 语言的基本单元为矩阵，可以直接用于矩阵 运算。此外，m a t l a b 语言也能直接求解最优化问题、数值微积分问题、微分方 程数值解问题、数据处理问题等。 ( 2 ) 强大的绘图功能：m a t l a b 语言可以将仿真数据或采集的数据以实时 图形的方式显示出来，并允许用户编写可视图形用户界面，方便用户编写通用程 序。 ( 3 ) 语言简洁高效：m a t l a b 程序设计语言集成度很高，语言简洁，往往 用c c + + 等程序设计语言编写的数百条语句，用m a t l a b 语言几条语句就能解决 问题。并且在程序中不需声明即可使用变量，大大简化了程序结构。其程序可靠 性高、易于维护，可大幅提高解决问题的效率。 ( 4 ) 丰富的工具箱和模块集。m a t l a b 是控制界通用的计算机语言，工具 箱覆盖了应用数学及控制领域几乎所有的研究方向，而且均由领域内知名专家编 1 4 第二章永磁无刷直流电机仿真建模 写，可信度较高。随着m a t l a b 的普及，也出现了其它工程领域内的工具箱，这 也大大促进了m a t l a b 语言在各个领域的应用，并且为交叉学科研究提供了强大 工具。 ( 5 ) 动态系统仿真功能。s i m u l i n k 提供面向框图的仿真及概念性仿真功能， 使得用户很容易搭建复杂系统模型，从而准确地进行仿真分析。s i m u l i n k 仿真模 块集允许用户在一个标准框架下对含有控制环节、机械环节和电子、电机环节等 的机电一体化系统进行仿真，目前其它计算机语言还无法做到这一点。 2 3 1 仿真模块分析 m a t l a b s i m u l i n k 中的电气系统仿真工具箱s l m p o w e r s y s t e m sn i l 以用于电 路、电力电子系统、电机拖动系统、电力传输等仿真，功能十分强大。其中包括 电源模块组、电路元件模块组、电力电子模块组和电机模块组等。 本文利用其中的p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm a c h i n e 模块作为电机本体， 该模块有两种气隙磁密模式可以选择，若选择正弦波型，则为永磁同步电机模式； 若选择方波型，则为永磁无刷直流电机模式。该模型使用的数学模型与上文所述 基本一致，并且可以方便地对电机各项参数进行观察。该模块内部结构如图2 6 所示。 p m s m m e c h a n i c s 图2 - 6p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm a c h i n e 模块 但是，对该模型的测试发现，该模块对瓦端口输入的负载转矩没有做任何限 制，在电机运行过程中可能会进入发电机状态，即由负载拖动电机转动，这种现 象在本文研究的系统中不可能出现，故在使用前本文对其进行了一些修正：令电 一 一 旷旷 第二章永磁无刷直流电机仿真建模 磁转矩和负载转矩之差z 一乙恒大于等于零，从而避免负载拖动电机转动的现 象。另外，该模块使用磁极的磁通量a 代替反电势系数吃，经公式推导发现二者 数值上完全相同，故不必做改动。 2 3 2 双闭环控制系统仿真模型 本文使用的永磁无刷直流电机模糊双闭环调速系统仿真模型主要分为两大 部分：电气部分及控制器部分。电气部分包括电机本体、功率控制器和可控电压 电源等；控制器部分则包括电流环的p l 控制器和速度环的基于免疫遗传算法的模 糊控制器。 电机本体采用修正过的p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm a c h i n e 模块。 功率控制器采用t h r e e l e v e lb r i d g e 模块，该模块内置了6 个开关器件。本文 选择以m o s f e t 作为开关器件，并引出电机的霍尔元件信号，经逻辑处理后转化 为开关信号，并和电流环p i 控制器产生的p w m 信号做“与”运算后输入该模块， 控制m o s f e t 桥的通断以驱动电机。 其中p w m 产生模块组成如图2 7 所示。 一 图2 7p w m 产生模块 电机输出转速与给定值相减后得到的转速误差输入模糊控制器，在其内部求 导后得出误差变化率，模糊控制器使用由免疫遗传算法程序计算出的模型参数完 成模糊运算，并将输出作为p i 控制的输入参考量。参考m a t l a b 自带模型的设置， p l 控制器使用的反馈不是直接从母线获取的电流，而是使用电机的电磁转矩。由 于电机电磁转矩正比于母线电流，所以该方法是合理可行的。p i 控制运算得出占 空比，输入p w m 产生器。 另外，系统引出了5 个输出值，分别为i t a e 值、a 相相电流、a 相反电势、转 子速度和电磁转矩，其中i t a e 值送入免疫遗传算法程序用于评价系统性能。 i t a e 模块如图2 8 所示。 1 6 第二章永磁无刷直流电机仿真建模 图2 8i t a e 模块 永磁无刷直流电机模糊控制的整体仿真模型如图2 9 所示。 i t a e 图2 - 9 永磁无刷电机模糊双闭环控制系统 第三章基于免疫遗传算法的永磁无刷直流电机模糊控制 第三章基于免疫遗传算法的永磁无刷直流电机模糊控制 永磁无刷直流电机具有结构简单、出力大和调速性能优良等优点，在工业伺 服领域应用日益广泛。但由于永磁无刷直流电机为多变量、非线性的系统，使得 传统p i d 控制等经典控制方法难以使系统获得理想控制效果。模糊控制理论由于 具有不需要精确数学模型，善于处理模糊性和不确定性问题的特点而备受青睐。 文献 2 5 将其应用到永磁无刷直流电机系统中，取得良好效果。但是，模糊控制 器规则的设计往往必须依赖专家经验，其各项参数的整定也是一个棘手的问题。 利用遗传算法对模糊控制器进行参数寻优，可以使模糊控制系统具有自学习、自 组织和自校正功能。其实现方法主要有三种： ( 1 ) 保持模糊控制器隶属度函数不变，单独优化推理规则1 2 6 - 2 7 ； ( 2 ) 保持模糊控制器的推理规则不变，单独优化隶属度函数 2 s l ； ( 3 ) 同步优化模糊控制器的隶属度函数及推理规则f 2 粥o 】。 利用遗传算法寻找模糊控制器的各项最优参数时，可能会陷入局部最优解， 且遗传算法本身存在计算负担较大、收敛速度较慢的缺陷，一般只能分步对模糊 控制器的推理规则或隶属度函数等参数进行寻优，忽视了二者的统一关系。 免疫遗传算法是进化算法的一个分支，在基本遗传算法的基础上，引入免疫 学中抗体、抗原和浓度等概念。与基本遗传算法相比，免疫遗传算法提高了收敛 速度，缩短了进化代数，避免了陷入局部最优的可能。因此，本文提出一种基于 免疫遗传算法的模糊控制新方法，利用免疫遗传算法对模糊控制器的各项参数进 行同步寻优，并将设计出的模糊控制器应用于永磁无刷直流电机系统中。该方法 能有效提高模糊控制系统的静态及动态性能，且系统具有较高的速度控制精度及 较强的鲁棒性。 3 1 模糊控制器结构分析 模糊控制理论是以模糊数学为基础，用语言规则描述知识和经验，并通过模 糊推理进行判决的二种高级控制策略。模糊控制属于智能控制范畴，发展十分迅 速，在各个领域应用都非常广泛。近几年来，模糊控制与其它控制策略构成的集 成控制，如与遗传算法结合的遗传模糊控制等日益成为研究热点，大大推动了控 制技术的发展。， 模糊控制的基本原理如图3 1 所示，它的核心部分是模糊控制器，如图中虚 第三章基于免疫遗传算法的永磁无刷直流电机模糊控制 线框部分。模糊控制器主要包括模糊化环节、模糊推理环节和解模糊环节三部分。 p刚模竺推理卜圃叫执行机构h 被控对象 习 3 1 1 模糊化环节 图3 - 1 模糊控制原理框图 将输入量输入到模糊控制器后，模糊化环节将其映射为模糊量。若输入为误 差巳和误差变化率巳，则误差语