（控制科学与工程专业论文）基于模糊补偿的交流与直流电机同步控制系统研究.pdf

摘要 在现在许多工业生产现场我们可以经常看到多台电机同步运行 的情形，最常见的有交、直流电机同步控制、多直流电机同步控制和 多交流电机同步控制系统。本文研究的是交流电机和直流电机的同步 控制问题。交流电机和直流电机的同步协调控制问题也是实际生产中 经常遇到的问题，如某些轧钢厂双边剪机组控制系统中就有交流电机 拖动的前后传送辊与剪切机组中的直流电机拖动的夹送辊的同步控 制问题。 本文分析了几种常用的同步控制方案和常用的同步控制算法，通 过对比分析，最终选择了基于模糊补偿器的主从同步控制策略，并介 绍了模糊补偿器的设计过程。通过中南大学网络监控实验室建设项 目，利用广泛应用于钢铁企业的p r o f i b u s d p 现场总线来搭建控制 系统实验平台。重点介绍了此实验平台硬件和软件的设计，包括通过 p r o f i b u s d p 协议建立主、从站之间和计算机与主站之间的数据通 讯、硬件连接以及调速装置的参数设计等。模糊补偿算法是利用西门 子s 7 3 0 0 p l c 的编程软件s t e p 7 来实现的，采用w i n c c 组态实现 系统监控。 此外，本文还对系统中应用的交流电机矢量控制理论及在系统中 的实现方法，以及直流电机的相关调速理论进行了研究。 实验系统同步运行结果表明系统方案可行可取，运行可靠，取得 了较理想的直流电机与交流电机的同步运行效果。 关键词：多电机同步控制，p r o f i b u s d p ，模糊补偿控制 a b s t r a c t w r ec a no r e ns e em u l t i m o t o rs y n c h r o n o u sc o n t r 0 1p h e n o m e n o ni n m a n ym o d e mi n d u s t r yp a r t s t h em o s tc o m m o ni sa ca n dd cm a c h i n e s y n c h r o n i z a t i o na n dm u l t i - a cm o t o r ss y n c h r o n o u sc o n t r o l l i n gs y s t e m i n t h i sp a p e r , w er e s e a r c ht h es y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e mb e t w e e nt h ea c m o t o r sa n dd cm o t o r s ，w h i c hi sv e r yc o m m o ni no u ra c t u a lp r o d u c t i o n p r o c e s s f o re x a m p l e ，e s t a b l i s h i n gt h es y n c h r o n o u sc o n t r o lb e t w e e nt h e f o r ea n dr e a lt r a n s m i s s i o nr o l l e r sd r i v e nb va cm o t o ra n d 也ef i x i n g t r a n s m i s s i o nr o l l e r sd r i v e nb yd cm o t o ri sas y n c h r o n o u si s s u e f i r s t l y , t h et h e o r i e sa n da l g o r i t h mo ft h es y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e m a r ea n a l y z e d w 岫t h ec o m p a r e da n a l y s i s ，w ef i n a l l yc h o o s et h ep r i n c i p a l a n ds u b o r d i n a t es y n c h r o n o u sc o n t r o l l i n gs t r a t e g yb a s e do nt h ef u z z y c o n t r o l l e r , a n dp r e s e n tt h ep r o c e s so fd e s i g n i n gt h ef u z z yc o n t r o l l e r i n t h i s p a p e r , 眙s e tu pt h ee x p e r i m e n t p l a t f o r mt h r o u g hn e t w o r k m o n i t o r i n gl a bo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t yw i t ht h ep r o f i b u s d pt o c a r r yo u tt h ee x p e r i m e n t t h e nw ef o c u so nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n i n gp r o e c s sf o rt h i se x p e r i m e n t a lp l a n t f o r m ，i n c l u d i n gm a s t e r - s l a v e c o m m u n i c a t i o n ，h a r d w a r ec o n n e c t i o na n ds e t i n gp a r a m e t e r s w br e a l i z e t h ef u z z yc o n t r o lf u n c t i o nb yu s i n gt h es i e m e n sc o n f i g u r e ds o f t w a r e s t e p 7o ft h es 7 3 0 0p l c a n dt a k ea d v a n t a g eo fw i n c cc o n f i g u r a t i o n t or e a l i z et h em o n i t o r i n go ft h es y s t e m i na d d i t i o n ，t h ev e c t o rc o n t r o lt h e o r yo fa c m o t o ra n dr e l a t e d r e g u l a t i n gs p e e dt e c h o l o g yo fd c e l e c t r i cm o t o ra r ep r e s e n t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t 也ep r o p o s es c h e m ei sc e r t a i n l y f e a s i b l ea n dr e a s o n a b l ea n di tg a i n si d e a ls y n c h r o n o u sc o n t r o l l i n ge f f e c t b e t w e e nt h ea ca n dd cm o t o r k e yw o r d s ：m u l t i m o t o r s y n c h r o n o u sc o n t r o l ，p r o f i b u s d p , f u z z yc o m p s e n t i o nc o n t r o l 硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题背景研究意义 1 1 1 课题背景 第一章绪论 随着工业自动化程度的提高和现代产品质量发展的要求，电机同步控制技 术越来越多地应用到工业生产中，我们经常遇到电机同步控制的问题，即要求 这些设备的电机单元其速度能与相邻单元自动保持一致或某种对应的比例关 系。例如在轧钢厂钢板的双边剪切过程中就涉及到由多台交流电机拖动的前后 辊与剪切机组中的由8 台直流电机拖动的夹送辊系统的同步控制问题。在剪切 开始阶段，使用前传送辊道和入口夹送辊夹送钢板；在剪切钢板末端阶段，则 利用出口夹送辊和后传送辊道夹送钢板。在双边剪工作过程中，就必须保证传 送辊的速度协同跟随夹送辊的速度变化来严格控制钢板的跑偏误差以免造成双 边剪扭曲变形事故。在控制系统中也就是要实现交流电机对直流电机的速度跟 踪同步问题。因此多电机同步控制的研究具有非常现实的意义。 1 1 2 研究意义 本课题研究的是基于现场总线( p r o f i b u s d p ) 现场控制级和基于以太网监 控制级组成的两级网络控制系统。实验室建设的实验平台模拟了存在于现代众 多大中型企业的车间控制网络，因此有普遍的代表性和现实意义： 1 多电机同步控制系统是现代工业领域中广泛应用的系统。研究其控制理论 和方法，有助于提高电机同步控制的精度和协调性以及实现新智能控制方法在 电机同步控制系统中的应用。 2 采用开放式、数字化、多点通信的现场总线来实现多电机的同步控制，控 制系统结构更加简单、可靠、环境适应性更强。 3 研究基于工业以太网的监控系统设计，可进一步提高和推进现代工业自 动化水平，并且能大大提高工作效率和实现无人化车间。 1 2 相关技术综述 1 2 1 电机调速技术 按照电气拖动系统执行机构电机的种类划分，电机调速系统可分为直流电 硕士学位论文 第一章绪论 机调速系统和交流电机调速系统。 直流电机在历史上一直扮演着重要的角色，它具有稳定性好、动态运行能 力强等优点，因而在需要高要求的电力传动领域有广泛的应用价值。直流电机 主要有三种转速调节法【1 1 ，三种方法中以改变电枢电压的方式最好，主要是因 为它能实现比较好的平滑调速。所以目前直流调速系统中所采用的电机调速方 法主要是调压调速，并且可控的静止变流装置是调压调速中应用最多的直流供 电装置。 现在在很多工业现场我们经常可以看到交流电机工作的身影，它已经是使 用得非常广泛的电机。交流电机拥有的调速方法主要有：1 变极调速【l 】、2 变 频调速【1 1 、3 改变转差率调速【l 】等。上述调速方法中，因为利用变极调速时会 使得电机装置变得很复杂，而且调速性能也不好，现在基本上被淘汰了；目前 用的比较多的就是后面两种方法，尤其是变频调速是交流电机调速方法应用得 最广泛的策略。这种调速方法是通过调节电动机的供电频率厂来改变电动机的 转速，它靠的是变频器装置。它能在宽范围内获得无极调速，是一种具有高性 能、高效率的控制方法。但由于当时的电子器件还不够先进，变频调速技术电 气传动领域应用得还不是很普遍。 后来电力电子器件功率限制的瓶颈得到突破、变频调速装置本身可靠性的 提高，交流变频调速装置开始在很多场合得到广泛的应用和发展。但在普通的 变压变频调速技术在控制设备运行时其动态性能受到电机参数等因素影响，所 以异步电动机始终难实现电机转矩的快速响应。 直到矢量控制理论【2 】和直接转矩控制理论【3 】被提出后，从理论上解决了交流 电机传动控制问题，随着全控型大功率电器件及电路的出现才真正从技术上将 上述两个重要控制理论实践化，高性能的控制系统才真正出现并大量运用。平 常我们所说的磁场定向控制理论就是指的矢量控制理论。矢量控制技术和直接 转矩控制技术各有优缺点，具体见相关书目【4 】。 后来人们发现在交流电机控制过程中难免会受到如电网波动和电机参数变 化等不确定性因素干扰从而使交流电机运行性能受到不同程度的影响。所以为 了能够减小或完全消除这些不利因素的干扰，有许多国内外学者开始从事这方 面的研究工作。采取的办法主要有这些：模型参考自适应控制技术【5 】、神经网 络控制技术【6 】、滑模变结构控制方法 刀【8 】等，经过他们的努力，这些变化因素的 影响程度得到比较大的改善。现在高性能的交流电机调速系统都是双闭环控制 系统，但是速度传感器的使用会影响到系统精度和降低电机运转的可靠性，因 此研究无速度传感器技术【9 】【1 0 】【l l 】成为了现代寻求更加具有优越运行性能的电机 调速控制技术的重要方向。 2 硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 现场总线技术 现场总线【1 2 】【1 3 1 是连接工业生产现场与上一级控制系统之间一种计算机局域 网。它具有安装简单、节省成本、可靠性高等优点。它成为了现场控制级之间 以及上一级系统之间联系的桥梁。它是工业朝向数字化网络技术发展的必然结 果。 现场总线技术【1 2 】是一种不依赖硬件设备、多种信息技术融合后的一种通信 标准。它采用数字通信方式取代了传统的模拟信号传输方式，提高了信号传输 的效率。并且现场总线技术的使用，大大降低了投资成本的费用，而且装起来 更加方便，维护起来更加简单。它是现代化工业朝网络化发展不可或缺的一项 控制技术。 1 2 3 模糊控制技术 模糊控制是人类在探索更先进控制方法和对工业控制要求日益提高的背景 下产生的一种智能控制方法，它依次经历了雏形期、发展阶段、和推广应用三 个阶段。这种控制是以模糊集合和模糊逻辑为基础，它可以将人的实际操作经 验转换为计算机可以识别的语言，然后通过计算机实现生产过程的自动控制。 模糊控制最大的特点【1 4 】是其设计不依赖被控对象的模型，因此可以有效地 实现对复杂、非线性、大滞后、不确定性严重的对象控制。模糊控制之所以得 到推广和应用，主要是它相比于传统控制有如下一些特剧1 5 】： 1 人机交流操作简单，控制器设计起来非常方便，只需操作经验。 2 模糊控制系统对外界环干扰适应性强。 3 它相对于传统的控制方法可以大大提高系统的动态性能。 1 2 4w i n c c 控制技术 w i n c c 其实就是西门子视窗控制中心的缩写表达，是一款非常好的工业实 时数据平台应用软件，具有非常好的灵活性和开放性，特别适合用来进行生产 和过程自动化的管理。这款监控系统软件具有非常丰富的通用软件功能。 w i n c c 具有以下性能特点【1 6 1 ： 1 系统含有监控和数据采集功能并具有o p c 等先进技术。 2 灵活性强。它可以非常灵活地从简单的工程扩展到复杂的多用户应用。 3 功能非常强大。 4 具有非常可靠的数据传送功能。 5 i 艮多重要的通讯通道，根据p i , c 的型号可以灵活方便的选择不同的通道。 3 硕士学位论文 第一章绪论 1 3 论文结构及主要内容 本课题讨论的是交、直流电机同步控制问题，围绕这一主题相关内容的安 排如下t 第一章首先介绍了课题研究的背景及意义，以及电机同步控制技术中涉及 到的相关领域的知识。 第二章首先详细地介绍了多电机同步控制的相关理论发展情况，介绍了目 前常用的几种控制策略，分析比较提出了一种基于模糊补偿器的多电机同步控 制技术方案，这也是本文所采用的的控制方案。并对模糊控制的相关理论进行 了简单阐述。 第三章首先分析并建立了交、直电机同步模型的过程及本实验系统中两类 电机传动控制的控制方法，最后重点介绍了模糊补偿器的实现过程。 第四章介绍了实验系统的硬件结构平台，对西门子直流调速装置、交流变 频器、s 7 系列p l c 和p r o f i b u s d p 现场总线及相关辅助器件的功能特点进行 了分析和参数设置，为下一章软件的实现奠定了基础。 第五章分析介绍了实验系统软件实现的过程。重点介绍了如何利用西门子 s t e p 7 实现模糊控制器的过程。最后还介绍了利用w i n c c 建立过程画面的方 法和实现结果。 第六章分析了实验系统调试与运行的结果，通过实验数据找出同步控制性 能最佳运行点。 第七章总结本文所做的主要工作，并提出一些今后需要进一步研究的问题。 1 4 本章小结 本章简要讲述了课题研究背景、课题研究意义以及与电机同步控制相关的 理论知识，并简要给出了论文的主要内容。 4 硕士学位论文第二章多电机同步控制的相关理论与分析 第二章多电机同步控制的相关理论与分析 2 1 多电机同步控制相关理论 多台电机的同步运行【1 刀【1 8 1 现象在现代很多工业生产现场随处可见，因此研 究多电机的协调同步运行有非常重要的现实意义。 保持多电机同步控制实际上就是通过控制手段使多台电机能够协调运行共 同完成某一工艺生产流程。多电机同步运行的方式有很多种，目前存在的同步控 制技术主要包括主令控制、主从控制、补偿控制。 2 1 1 主令并行同步控制 主令并行控制【1 9 】是一种最简单的控制方法，其控制原理如图2 1 所示。 速度 图2 - 1 主令并行多电机同步控制 其基本控制思想是：各电机之间给定信号相同，由同步系数口来协调各电机 之间的速度运行情况。该种控制策略简单，对于性能相似的电机能够较好地实现 同步控制。但由于各电机单元之间没有任何联系，因此当系统受到干扰时整个系 统的同步效果就会变得很差。 2 1 2 主从多电机同步控制 主从同步控制【2 0 1 的控制策略是：将第一台电机作为主电机，其余电机都作为 从电机，将主电机的转速输出信号作为从电机的转速给定信号。控制原理如图2 2 硕士学位论文 第二章多电机同步控制的相关理论与分析 所示。 图2 - 2 主从多电机同步控制 相比于同一给定信号的同步控制方法，电机之间有转速信号的联系，其同 步精度相对高些。但同时也可以看到主电机的干扰会影响到从电机。 2 1 3 多电机补偿同步控制 补偿同步控制【2 1 1 基本控制思想是：主电机和从电机的速度差值首先通过一 个补偿器，然后将补偿器的输出作为从动电机或主动电机的速度补偿信号。电 机同步补偿控制原理如图2 - 3 所示。 图2 - 3 基于补偿原理的同步控制 大量实际应用资料【1 刀【1 8 】表明，采用转速补偿控制策略的多电机同步控制系 统，其同步效果非常好。 除了上述同步控制策略外，还有交叉耦合控制【2 2 1 、电子虚拟总轴控n t 2 3 1 等。 但他们的同步控制效果都不理想。 基于以上分析可知，基于补偿原理的同步控制方法是一种同步跟随精度相 对比较高的多电机同步控制策略。本文采用的就是这种同步控制方案。 6 硕士学位论文 第二章多电机同步控制的相关理论与分析 2 2 多电机同步控制方法 现代工业企业对电机同步控制系统要求越来越高，所以越来越多的研究者 开始致力于各种现代同步控制算法的研究，因此现在出现了许多比较先进的基 于现代控制理论的同步控制方法，比如模糊控制算法【2 4 1 、如控制算法【2 5 】、神经 网络控制算法【2 6 】等。 模糊控制是一种自动控制策略，在设计中不需要建立被控对象的精确数学 模型，因而使得模糊控制算法设计简单，便于应用。这种控制算法能有效地克 服传动系统中各种非线性因素，适合于复杂非线性系统的控制。 风，控制是指状态变量鲁棒控制法，该算法应用的关键是如何解决系统鲁棒 稳定性和鲁棒控制器的设计问题。但控制算法复杂，不适合大量应用。 人工神经网络控制算法是一种具有人类大脑思维的现代智能算法，适用于 处理各种变量不确定的控制对象。但被控对象的输入、输出关系不能用简单明 了的方式表达出来，分析方面有难度，因此在多电机同步控制系统领域应用得 比较少。 综合以上分析，结合实验平台速度要求，本文采用基于模糊控制补偿原理 的主从同步控制方法来进行系统设计。 2 3 模糊控制算法 模糊控制算法是一种以现场操作者的经验、知识为基础的非线性智能控制 策略。采用这种控制方法的控制器称为模糊控制器。模糊控制是一种正在兴起 并蓬勃发展的能够提高工业自动化能力的控制技术；其最大的优点是无需知道 受控对象精确的数学模型，也可以采用模糊控制技术。下面就详细介绍模糊控 制系统的核心即模糊控制器的有关知识。 2 3 1 模糊控制器的组成原理 模糊控制器的结构原理如图2 4 所示。 推理机 i 模糊化卜 l 叫去模糊l l 规则库l ll 图2 - 4 模糊控制器结构框图 模糊控制器工作的基本过程【2 7 1 是：将精确输入信号x 模糊化为模糊变量， 7 硕士学位论文第二章多电机同步控制的相关理论与分析 然后通过模糊推理得到输出控制量的模糊值y ，最后由去模糊转化精确控制量。 整个过程可以总结为清晰到模糊，再由模糊到清晰。下面一节就重点介绍模糊 控制器各个部分的设计过程。 2 3 2 模糊控制器的设计过程 模糊控制器的设计过型2 刀就是对组成部分的设计过程。下面就具体介绍各 个部分的设计方法。 1 模糊控制器结构的选择 模糊控制器的结构选择意思就是要根据系统控制具体要求合理地选择输入 变量和输出变量的数目、维数。根据多数工程实践经验，一般选取单变量的二 维模糊控制器结构，因为它结构简单、非常具有代表性。其结构框图如图2 - 5 所示。 图2 - 5 二维模糊控制器框图 2 模糊化 这个过程是将实际输入转换为模糊变量论域的过程。因此我们首先要给模 糊控制器实际输入、实际输出值选择模糊论域范围，目的就是为了下一步利用 三个因子将实际值转换到模糊论域里面去。这里假定将误差e 的论域定义 ( - m ，一m + 1 ，o m 一1 ，脚) ，同时也假定将误差变化率e c 的论域定义 ( 一万，一以+ 1 ，0 ，刀一1 ，咒) ，输出控制量u 的论域定义( - z ，- 1 + 1 ，o z 一1 ，) 。 按照经验一般取m 6 ，r l 6 ，7 这样计算比较简单又不会有大的误差。 做完上面一步后就使用量化因子e 、e ，和比例因子k 。来将实际输入和输 出转换到相应的模糊论域里。假设误差e 的实际范围e = e l ，e h l ，误差变化率e c 的实际范围e c = e c f ，嘞】，输出控制量“的实际范围“- - - - - u 工，】。则量化因子 k 、以和比例因子k 。可由( 2 1 ) 式确定 鼍：上生 一e l k ：旦( 2 - 1 ) e c h e c l k = 等 在确定了量化因子和比例因子后，误差e 和误差变化率e c 通过式( 2 2 ) 转换 为模糊控制器的输入e 和e c 。 硕士学位论文 第二章多电机同步控制的相关理论与分析 式中( ) 代表取整运算。 接着还需要定义模糊语言，这一步是为制定模糊控制规则做准备。每个语 言变量的取值为一组模糊语言名称。一般在语言变量的论域上，将其划分为有 限的模糊状态。在实际应用中，通常选取7 个模糊语言值，即 n b ，n m ，n s ， z o ，p s ，p m ，p b 。模糊变量的语言值确定后，就需要确定论域内的元素对模 糊语言变量的隶属度，即对模糊语言变量确定隶属函数。 隶属函数的类型有许多种形式，通常有正态分布型、三角形和梯形等。一 般根据实际系统要求灵活选择。 3 规则建立和模糊推理 模糊控制规则的建立是模糊控制器的核心部分，它是模糊控制系统设计的 主要部分。模糊规则库一般通过两条途径建立：第一种就是归纳总结操作人员 或专家的操作经验和知识；第二种就是通过实验，从实验的输入输出数据中 总结出来。不管我们通过哪种途径去实施，一般都是通过以下两种形式表达： 语言型的模糊控制规则和表格型的模糊控制规则。本实验系统是先写出语言型 的，然后为了编程方便将它转换为表格型的表达出来。 一般语言型模糊控制规则我们按照i s a n d i s t h e n i s 的形式表 达。假设有n 条控制规则。则可写成 r l ：i fei s a la n de ci sb lt h e nui sc 1 r 2 ：i fei s a 2a n de ci sb 2t h e nu i sc 2 r 3 ：i fei s a 3a n de ci sb 3t h e nui sc 3 r n ：i fei s a na n de ci sb nt h e nui sc n 第i 条控制规则的模糊关系为 r i = ( a i 历) 枣a ( 2 3 ) 每个隶属值可以这样计算 如( e ，e c ，u ) = 心，( e ) , u b t ( e c ) 心( u ) ( 2 4 ) 所有规则总的模糊关系为 r = u r i ( 2 5 ) f 最后根据上面的模糊关系利用模糊推理的方法便可得到模糊控制器的某个输入 状态的模糊控制器输出模糊值【， 9 ，掣心体 硕士学位论文 第二章多电机同步控制的相关理论与分析 u = f a i x s i ) o r ( 2 - 6 ) 上述各个运算式中，运算符、八、v 、o 分别表示直积、取小、取大、合成 运算。并且合成运算通常采用取大取小运算方法来求。 模糊控制规则建立时一个总的的基本原则是：当误差比较大时，选择控制量 的原则是以尽快消除误差为主；当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以 系统的稳定性为主要出发点，后续相关章节会具体说明。 4 去模糊 去模糊实际上就是将控制输出量由模糊一精确的转化，只有转化为精确的 控制量“才能用于去控制被控对象。所以实行的这个过程就叫去模糊。在模糊 自动控制系统中常采用的方法有如下几种 ( 1 ) 取最大隶属度法 对于输出模糊集u ，其论域为u = “，吃，坞 。最大隶属度法的思想就是 将u 中隶属度最大的元素作为精确输出控制量，即 肋( ) 肋( “) ，甜u ( 2 7 ) 该方法简单易行，但概括的信息量少，精度不高。 ( 2 ) 取重心法( 加权平均法) 这种方法主要就是利用控制输出量u 中每个元素所对应的隶属曲线与坐标 轴所形成的面积的重心来计算的，并在最后结果时采取四舍五入取整方法来得 到精确输出控制量，用公式可表示为 约( ) 矿2 ( 肃) q 书 该方法要注意的地方就是权系数的选择，因为全系数与系统的响应特性有 关。一般我们选取隶属函数值作为加权系数，即肋( 坼) 。 例如u：j二+j二+旦兰+o-4-o-i-o+o，贝iju：lx(-3)+1x(-2)+05x(-1)：-2 。3- 2- 1012 31 - i - 1 + 0 5 ( 3 ) 取中位数方法 该方法也叫面积平分法，基本思想是计算出将隶属函数曲线与横坐标所围 面积两等分所对应论域元素作为判决输出。该方法比较直观，但计算有点复杂 不方便。 实际运用中，每种方法都有各自的优点，需要我们根据具体问题的特征来 具体选择。 经过上面这步后便可得到模糊控制器的精确输出量“，然后输入到执行机 构供它控制实际的被控对象。 1 0 硕士学位论文 第二章多电机同步控制的相关理论与分析 2 4 本章小结 本章介绍了多电机同步控制系统的相关理论，通过比较几种不同的同步控 制方案，最后选择采用了基于模糊补偿原理的同步控制是比较好的控制方案， 也是本文所采用的方法。同时也简单地介绍了模糊控制器的基本设计过程，为 第三章模糊补偿器的具体实现奠定了理论基础。 硕士学位论文 第三章基于模糊补偿器的交直电机同步控制系统研究设计 第三章基于模糊补偿器的交直电机同步控制系统研究设计 3 1 交流电机调速系统 三相异步电机是一个多变量系统，本节在分析研究异步电机动态数学模型 的基础上确定了本实验系统所采用的交流电机调速系统模型。 3 1 1 交流电机动态数学模型 在研究交流电机模型时，常做如下假设【2 8 】【2 9 】： 1 没有谐波，各个绕组对称，主磁场正弦波分布。 2 没有磁路饱和发生，并且定、转子绕组的电感都不变。 3 不计铁心损耗和频率及温度变化对绕组电阻的影响。 这样不管是笼型的还是绕线式的异步电动机，都能够将异步电机转子等效 为三相绕线式转子。同时将转子折算到定子侧，折算后的转子匝数和定子匝数 相等，此时异步电机绕组就可等效为如图3 - 1 所示的物理模型。 i 谨 v 、j 一一 一co a一6 啃 。名 u 圆 7 c 图3 - 1 三相异步电动机的物理模型 图中，a 、b 、c 组建定子三相静止坐标系，a 、b 、c 则组建的是转子坐标系。 定子a 轴和转子a 轴间的空间角位移变量为电角度p 。规定各绕组电压、电流、 磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。此时异步电动机的数学模型由 1 2 硕士学位论文第三章基于模糊补偿器的交直电机同步控制系统研究设计 下述电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。 1 电压方程 三相定子绕组的表示如下 肾r + 誓 旷栈+ 誓 铲i c 足+ 等 三相转子绕组折算到定子侧后的为 心= 挑+ 警 = 挑+ 鲁 心= 之b + 鲁 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) 式中 u 彳，u c ，u o ，u b ，心定、转子绕组相电压瞬时值； ，0 ，屯，屯，定、转子绕组相电流瞬时值； 仍，讫，纯定、转子绕组的全磁链； 足，母定、转子绕组的电阻。 这里处理一下，假定用微分算子p 代替微分符号酬衍，则可将电压方程表示成 如下矩阵形式 足0 0 足 00 00 00 oo 00oo o0oo 墨0 0 0 0冠0 0 00 r 0 00 0 冠 + p 仍 纪 纯 织 ( 3 - 3 ) 2 磁链方程 电机每个绕组磁链的值是由每个绕组的自感磁链和每个绕组的互感磁链两 大部分组成，电机六个绕组的磁链计算表达式为 1 3 0bkk咕k 咖咖比如如以 硕士学位论文第三章基于模糊补偿器的交直电机同步控制系统研究设计 仍 统 纯 仍 l “l 屯al 詹cl hl bl c ( 3 - 4 ) 式中l 是一个6 x 6 的电感矩阵，矩阵中的对角线元素是定子、转子绕组的自感， 其它元素是两绕组之间的互感。 3 转矩方程 根据机电能量转换【4 】相关原理，三相交流电机中，假设其电感都呈线性规律， 则电机磁场的储能和磁共能为 既= 哌= 寺f r 伊= ，1 _ i r l i ( 3 5 ) 而电磁转矩是根据机械角位移变化时磁共能的变化率薏来计算的，因为电机 的机械角位移见= 形刀p ，所以就有 互= 薏= 等 ( 3 _ 6 ) 将式( 3 - 5 ) 代入式( 3 6 ) 并结合定、转子绕组的自感和互感有关矩阵可得电 磁转矩z 的表达式为 互( i a i , + i s i b + i c i , ) s i n a + ( i a i b + i s - - - n p k + i a t + i c 乞s i n 秒+ 1 2 。 ( 3 7 ) i u 叫 式中刀。为电机极对数，k 为电机每相最大互感。 4 系统运动方程 若忽略电力拖动过程中传动机构所包含的粘性摩擦和扭转弹性，则电力拖动 系统的运动方程可表示为 互却丢警 ( 3 _ 8 ) 其中乏负载转矩； 厂机组转动惯量。 将( 3 3 ) 、( 3 4 ) 、( 3 7 ) 、( 3 8 ) 以及式缈：辈联合起来，便是恒转矩负载 下异步电动机的多变量非线性数学模型。 1 4 如缸k 如如励励励励如缸励k 知如励励励伽励励励励励励励励励励助 硕士学位论文 第三章基于模糊补偿器的交直电机同步控制系统研究设计 3 1 2 交流电机矢量控制 异步电动机的动态数学模型方程组已经推导出来，但要得到最终的模型相 当困难。因此我们必须想办法将这个模型简单化，最好是能使其接近直流电机 模型，这样便提出了以坐标变换为基础的矢量控制。 矢量控制【2 】实际上就是坐标变换控制，利用坐标变换使三相异步电机的数学 模型可以等效为直流电动机模型那样对励磁和转矩分别进行控制。在控制转子 总磁通，不变的前提下，实现对异步电机励磁和转矩电流分量的解耦控制，这 样便可用模仿控制直流电机的方法来控制交流电机了。 下面就介绍下矢量控制中用到的几个坐标变换即三相静止一两相静止变换 ( 3 s 2 s 变换) 和两相静止一两相旋转变换( 2 s 2 r 变换) ，三种坐标系关系如图3 - 2 所示。 图3 - 2 三相异步电动机三种坐标关系图 三相定子绕组的a 、b 、c 轴构成静止的a b c 坐标系。口轴与a 轴重合， p 轴逆时针垂直口轴，构成静止口一坐标系。d 轴沿转子总磁链矢量纯的方向， q 轴逆时针垂直d 轴，d 轴与口轴之间的电角度为缈，构成d q 坐标系也称为旋 转坐标系。这样，根据坐标变换原9 i u - ( 1 ) 变换前后电流所产生的旋转磁场等效； ( 2 ) 变换前后电动机功率不变，可推导出不同坐标之间的变换关系 阱层 三唧咖j l f 割, 1 5 ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) 12正一2一：2 2 12一；一 一：2 括丁 l 0 硕士学位论文 第三章基于模糊补偿器的交直电机同步控制系统研究设计 阱后 唧s 2 z ) c o s h 等) 一血伊砒卜等) 一s m l 伊+ 等) 利用上面的坐标变换关系可得到同步旋转由坐标系上的磁链方程为 丘0 0 丘 厶0 0 乙 l 0 0 厶 厶0 0 l 白 k 式中 厶旋转坐标系下定、转子同轴等效绕组间互感，乙= k 丘旋转坐标系下等效两相定子绕组自感，厶= l + 厶 旋转坐标系下等效两相转子绕组自感，= 乙+ 厶 同步旋转坐标系上的电压方程为 r + pq 丘厶p q 丘r + 厶pq 厶 厶pq 厶b + p s l ml m ps l r 同步坐标系上的转矩方程为 互= 厶( k 一岛k ) 同步坐标系上运动方程为 辩+ 丢警 一q 厶 l 。p q r r + l r p t n k ( 3 - 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) ( 3 - 1 4 ) ( 3 - 1 5 ) 根据以上坐标变换关系，可推得矢量控制系统的结构框图如图3 - 3 所示。 l 一一j 图3 - 3 矢量控制系统框图 图中的职指两相静止筇坐标系到两相同步旋转的由坐标系的p a r k 变换， 凇1 指其反变换。三相异步电机的给定和反馈信号经过类似于直流电机调速系 统所用的控制器后，产生励磁电流的给定信号i ：和电枢电流的给定信号# ，经 过豫1 变换得到i ：和易，再经过2 3 s 变换得到变频器的参考输入电流e 、和 1 6 硕士学位论文第三章基于模糊补偿器的交直电机同步控制系统研究设计 l ：二。这样把三个电流控制信号和由控制器得到的频率信号c o l 加到电流控制的变 频器上，便可得到异步电动机调速所需要的三相变频电流。 在设计矢量控制系统时，如果忽略变频器的滞后因素，并认为职变换和 豫- 1 变换相互抵消，2 s 3 s 变换器与电机内部的3 s 2 s 变换环节相抵消，则图 ( 3 - 3 ) 中虚线框内的设计部分可以不考虑，把输入或输出信号直接连接起来，则 这样的矢量控制变压变频调速系统在静、动态性能上就完全可以和直流调速系 统相媲美了。 实际应用矢量控制时，异步电动机都是基于磁场定向的控制策略。目前主 要是基于转子磁场定向控制和基于定子磁场定向控制的两大控制方案。两种控 制方案各有特点，具体见有关参考文科4 1 。 结合本实验系统要求，本论文中异步电机采用的是基于转子磁场定向的转 速控制，因此必须首先解决转子磁链的定向问题。在实际应用中，一般是通过 比较简单的计算模型来算得。根据磁链检测信号的不同，可分为电流模型和电 压模型【4 】两种。电压模型适合于中高速范围，而电流模型适应低速范围。考虑 到交流电机的低速运行性能差，因此通过比较分析选择电流模型来计算转子磁 链。 实验系统中矢量控制系统的控制原理图如图3 - 4 所示。 图3 - 4 矢量控制系统框图 该系统由以下六个功能模块组成：控制电路部分、信号转换模块、计算模块、 逻辑控制模块、信号模块和计时器。另外，该控制装置还具有滑差补偿功能， 用于达到单独传动的异步电动机无法达到精确的速度精度。 1 7 硕士学位论文 第三章基于模糊补偿器的交直电机同步控制系统研究设计 3 2 直流调速系统 3 2 1 直流电机数学模型 直流电机与交流电机相比，因其呈现线性、变量少等特点，所以直流调速 系统模型相对容易建立。本实验系统所用直流电机为他励直流电动机，额定励 磁作用下电机等效电路如图3 - 5 所示。 图3 - 5 豆流电动机寻效电路 图中，r 为电枢回路总电阻，l 为总电感，e 为反电动势。根据等效电路图并 假设主电路电流连续，可列出其数学模型的常微分方程如下 u d 0 = 码+ 三鲁+ e ( 3 - 1 6 ) e = e 栉 ( 3 1 7 ) 互= c 辨厶 ( 3 1 8 ) t 一互= 丽g d 2 瓦d n ( 3 1 9 ) 式中互电机负载转矩( 所) ； 。理想空载整流平均电压( 矿) ； g d 2 系统运动部分等效在电机轴上的飞轮惯量( m 2 ) ； q = 挚e 电动机转矩系数( 州彳) 。 这里还引入两个时1 , - 1 5 数： 互2 责电磁时间常数( s ) ； 乙= 嚣一桃蝴撇。 将以上定义的常数代入微分方程整理可得 u d o - e = r ( i d + z i 盟d t ) ( 3 - 2 0 ) 硕士学位论文 第三章基于模糊补偿器的交直电机同步控制系统研究设计 厶一屯= 套警 式中气负载电流( 彳) ，k = 争。 零初始条件下我们取上述两式的拉氏变换， 的传递函数 ( 3 - 2 1 ) 就可得到电压与电流之间关系 图3 - 6 直流电机的动态结构图 3 2 2 转速、电流双闭环直流调速系统 参考电机课程书籍及相关资料，我们可以知道单闭环调速系统启动比较慢 并且不同运行状态之间切换速度慢，因此绝大部分直流调速场合都在使用的是 性能很好的转速、电流双闭环直流调速系统，其系统原理图如图3 - 7 所示。 图3 - 7 转速，电流双闭环调速系统 1 9 圣二 硕士学位论文第三章基于模糊补偿器的交直电机同步控制系统研究设计 从原理图中可以看到，转速调节器a s r 构成外环，并且它的输出最大值决 定了电动机的最大电流，它的输出信号则是内环电流调节器a c r 的参考信号， 并且为了使调速性能更优越，转速调节器和电流调节器都采用具有限幅输出功 能的p i 调节器；电流调节器的输出信号则是整流装置的脉冲控制信号。 由单闭环调速系统结构图可以推导得出双闭环调速系统的动态结构图，如 图3 - 8 所示。 图3 - 8 双闭环直流调速系统动态结构框图 图中 吒转速给定电压的最大值。 电机运行最高转速。 电流给定时电压最大值。 电机最大电枢电流。 疋转速调节器比例系数。 l 转速调节器的超前时间常数。 瓦电流调节器比例系数。 l 电流调节器超前时间常数 r ， 口：兰丛表示转速反馈系数。 ：垃表示电流反馈系数。 j 西霄 呢强= 茎乏笋尘表示转速调节器传递函数。 呢翻= 墨与争坐为电流调节器传递函数。 由自动控制理论有关知识运用闭环函数求解方法，根据直流电机动态结构 图转们可以计笪简化得到调谏系统的闭环侍涕函数 硕士学位论文 第三章基于模糊补偿器的交直电机同步控制系统研究设计 嘶) ；荔( 3 - 2 4 ) 式中 r 2 舞表示转速开环增益。 巧= t o n + 2 z + 2 t o i 为一近似时间( t o n 为转速反馈滤波时间常数，互为失 控时间，t o ，为电流反馈滤波时间常数) 通过分析双闭环直流调速系统的启动过程【4 1 可以得出双闭环调速系统具 有比较满意的动态性能，这也是为什么双闭环使用广泛的重要原因。 3 2 3 逻辑无环流可逆直流调速系统 我们知道现代工业越来越多的传动设备要求其电机既能正转又能反转， 并能实现能量的回馈制动，也就是需要可逆的直流调速系统。但一般的可逆 系统存在环流现象，环流影响系统的安全性和元器件利用的效率，所以目前 很多直流控制系统常采用的是切断环流通路的逻辑无环流控制可逆系统，这 也正是本系统中直流调速电机所采用的方案。 直流电机的双闭环逻辑无环流可逆调速控制在本文中是由西门子直流调速 装置6 r a 7 0 来完成的。6 r a 7 0 配有专门的逻辑无环流控制器，只需要设置相应 的参数即可实现，非常方便。 3 3 模糊补偿器的设计与实现 根据第二章第二节有关模糊控制器的设计知识，本系统选择二维模糊控制器 进行设计。具体设计方案是：每台电机采用常用的转速电流双闭环控制方法调速， 两电机的偏差经模糊补偿器处理后累加到从电机的输入端。输入信号为直流电机 和交流电机的转速差e 转速差的变化率e c ，输出信号为交流从电机的转速补偿量 “。为提高控制精度，我们选用测量精度较高的转速脉冲编码器和直流测速发电 机来分别测量直流电机和交流电机的实际转速。 3 3 1 系统采样时间的确定 为了能够提高同步实验控制系统中交流从电机跟踪主电机的快速性，在实 验系统响应速度范围内，系统的采样时间越小越好。但系统采样时间受到硬件 本身、系统运行周期等因素的影响，经过分析可得本实验系统的采样时间主要 由总线循环时间决定。 2 l 硕士学位论文第三章基于模糊补偿器的交直电机同步控制系统研究设计 在p r o f b i u s d p 网络中，现场总线循环时间【3 0 1 为 疋= 耳+ 乃+ l + 巧+ + + + 耳 ( 3 2 5 ) 式中，耳主站访问所有从站所需的时间。， 死主站读取某一从站诊断信息所需的时间。 l 主一从非周期访问所需的时间。 巧个总线循环时间里等待从站最小访问间隔时间所需的总时 间。循环周期时间短的情况下非常重要。 响应数据链路层用户请求的f d l 服务时间。的大小由f d l 的用户数决定，是一个无法提前预知的值。 维护总线网络所花费的时间，典型值一般为2 1 5 。( 指传 送一个位需要的时间) 总的令牌传输时间，常用值为6 6 ，例如系统中有n 个主站， 则= 6 6 加k 。 瓦由于传送出错而导致的报文重发时间，其随机性很大。 本实验系统在理想的运行情况下，p r o f i b u s d p 循环周期只由从站周期 轮询的时间乃和从站最小间隔时间决定。定义标准总线循环时间【3 1 3 2 为