（电机与电器专业论文）基于模糊pi控制永磁同步电机矢量控制系统的研究.pdf

华南理工大学硕士学何论文 a b s t r a c t p 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 ( p m s m ) h a si t so u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c e r e l a t i v et oo t h e rm o t o r s s oi ti su s e ds ow i d e l yi ne v e r yf i e l do fi n d u s t r y e s p e c i a l l y i ne l e v a t o ra n dh i g hp r e c i s i o ns e r v os y s t e m a n dr a r ee a r t hw h i c hc o n s i s tt h e p e r m a n e n tm a g n e ti s s or i c h i no u rc o u n t r y ，s oi ti s v e r yi m p o r t a n tf o ru st od o r e s e a r c hi nc o n t r o l l i n go fp m s m t h i sp a p e rd i s c u s s e st h en o n s a l i e n tp 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 ( p m s m ) d r i v e rb yt r i p h a s es i n u s o i d a lc u r r e n t i t sm a t h e m a t i c sm o d e l si ns e v e r a l c o o r d i n a t e sa r es e tu pb a s e do nt h ea n a l y s i so fe l e c t r o - m a g n e t i s mr e s t r i c t e dr e l a t i o n i ta n a l y s e sa n dc o n s e q u e n c e st h ef o r m u l a t i o no ft h et o r q u eo fp m s m b a s e do nt h ed q 0 r e f e r e n c ef r a m e t h ep a p e ra n a l y s e st h ef u n c t i o no fe l e v a t o rs y s t e ma n da l s oa n a l y s e s s o m em e t h o d so fc o n t r o l l i n gp m s m ，r a i s e s = 0m e t h o db yt h ea u t h o r sr e a d i n gs o m a n yd a t u ma n dd o c u m e n t ，a n df u l l yu n d e r s t a n d i n go fp m s mc o n t r o l l i n gt e c h n i q u e a n dt e n d e n c y t h e n ，s v p w mm o d u l a t i o ni sd i s c u s s e dt h o r o u g h l y i t sr e a l i z a t i o nm e t h o dw i t h s o f t w a r ei s g i v e n i t i so fc l a r i t yo fc o n c e p t i o n ，s i m p l e n e s so f a r i t h m e t i c ，h i g h u t i l i z a t i o no fd c v o l t a g e ，e s p e c i a l l ye a s eo fb e i n gr e a l i z e db yd i g i t i z a t i o n i na d d i t i o n ， t h em e t h o do ff u z z y p ic o n t r o l ，w h i c hi sb ym e a n so fc o m b i n i n gf u z z yc o n t r o la n d t r a d i t i o n a lp ic o n t r o l ，i sa d o p t e di nt h i sp a p e r ，i m b i b i n gt h ea p t i t u d eo ff u z z yc o n t r o l a n dt h es t a b i l i z a t i o no ft r a d i t i o n a lp ic o n t r 0 1 a n dt h e n ，t h em e t h o do fh o wt of i xo n t h ep a r a m e t e ro fpa n di i sa n a l y s e si nd e t a i li nt h i sp a p e r i no r d e rt o i m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fm o d e r n i s t i cp m s m ，an o v e ls e n s o r l e s sc o n t r o ls c h e m ef o rp m s mi s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r i ti se a s i l yr e a l i z e di ni n d u s t r yf o ri t ss i m p l ea r i t h m e t i c ， i m p l e m e n ti nd i g i t a l ，a n dh i g hp r e c i s i o n a tl a s t ，t h eh a r d w a r ec i r c u i to fc o n t r o l l i n gs y s t e mi si n t r o d u c e di nd e t a i li nt h i s p a p e r ，i n c l u d i n gt h ed s pc o n t r o l l e r ，p e r i p h e r yc i r c u i t ，p o w e rd r i v ec i r c u i to fi g b t ， d e t e c t i n ga n dp r o t e c t i o nc i r c u i to fp h a s ec u r r e n t ，p r o t e c t i o nc i r c u i to fv o l t a g e ，s p e e d a n dp o s i t i o nd e t e c t i n gc i r c u i to fr o t o r t h et h e o r ya n dr e a l i z a t i o no fd e t e c t i o na n d m a n a g e m e n to fa l lk i n d so fs i g n a la r ea l s oa n a l y s e si nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：p 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 ，s v p w m ，f u z z y p ic o n t r o l ， s e n s o r l e s s i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：纂晚铷 日期：t 知玎年g 月，j ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：寨眺 导师签名：翻吗闭雪 日期：r 年 = o i f = 4 3 k s e c t o r = 3 ： e l s e s e c t o r = 1 ： e n d ； e l s e i f 一 = 0 i f 0 t h e nb = 1e l s eb = 0 i f k 0 t h e nc = 1e l s ec = 0 s e c t o r = a + 2 b + 4 c ( 3 1 2 ) 3 1 3 三相p w m 调制 本文选用三相p w m 波调制，不同扇区的调制模式如图3 5 所示。在3 1 1 节 中介绍了八个基本矢量作用时间的求解方法，为了求解方便定义变量x 、y 、z ， 则有： ，尸w m p r d “一一瓦云一 x = 虱么。 y = 缸。每。 。3 z = 缸粥粤。屹 其中p w m p r d 是p w m 周期计数值。由x 、y 、z 求出不同扇区的计数值i 、t 。 第三章基丁模糊p i 控制的系统控制原理 a b c a b b c a 表3 - 4i 、疋取值表 t a b l e3 - 4r u l e st a b l eo fia n d 互 s e c t o r123456 t l zyzxxy t 2 yxxzyz t o 4it l 2it z 2it o 2it 2 2it 1 2it o 4lit o 4it t 2ft 2 2it o 2jt 2 2it 1 2it o 4 0 0 0 0 ；u o ；u 6 0 ；0 1 1 1 ：u ；u o ；o o ( 0 0 0 ) ；( 1 0 0 ) ；( 1 1 0 ) ；( 1 1 1 ) ；( 1 i 0 ) ；( 1 0 0 ) ；( 0 0 0 ) s e c t o r3 b a c 。涮。矧1 - 1 6 0 啪蚺u 6 0 ，糯， s e c t o r i t o 4it i 2it 2 2it o 2it 2 2it 1 2it o 4l it d 4it i zit 2 zt o 2it 2 2it l 2it o 4 ( 。0 。o o 。o ) i ( 0 。，1 2 。0 ) i ( 。u 1 。8 。o ) i ( ? r i ) ；( 。u 1 。8 。o ) i ( 。u t 。2 。o ) i ( 0 。0 0 。0 ) s e c t o r5 t o 4it 1 zit 2 2it o 2it 2 2it 1 2it o 4 ( 0 0 0 ) 惴o o l 。) 糯1 0 1 柚1 x ) i ( 酬( 酬6 b ( () i ( ；( ) ；( 11 ) ；( 1 d 1 ) ；( o；( 0 0 0 ) s e c t o r6 c b a a c b 。0 。o o 。o ，i 。u 。2 4 。o ，f 。u ，l s ，o ，f 。? r i ，f 。u 。1 8 ，0 ，i 。u 。2 4 ，o ，i 。0 。0 0 。0 ， s e c t o r 4 t o 4t 1 2it 2 2lt o 2it 2 2it 1 2it o 4 ( 0 0 0 ) i ( 1 u 0 0 0 ) 协1 0 1 。) m 1 1 ) m ( 1 0 i ) 勰1 0 0 ) 0 0 0 )() ；() ；() ；( 1 ) ；() ；() s e c t o r2 图3 - 5 不同扇区的三相p w m 调制模式 f i g 3 5t h r e ep h a s ep w m m o d u l a t i o nm o d eo fd i f f i r e n ts e c t o r 华南理工人学硕士论文 由计数值i 、五可以求得d s p 中的p w m 波脉宽计数器c m p r l 、c m p r 2 、 c m p r 3 的计数值： 尸w m p r d z l “一一 2 b = a + 7 ； c = 6 + 正 ( 3 1 4 ) 要注意不要使a 出现负值，因此当7 ；+ 五 p w m p r d 时，要对五、瓦进行限制，此 时五、瓦分别为： 最后需要根据不同的扇区将a 、b 、c 值装入不同的c m p r x 寄存器，从图3 5 可得到在不同扇区a 、b 、c 值装入c m p r x 寄存器的关系表，如表3 5 所示 表3 - 5 比较寄存器取值表 t a b l e3 5r u l e st a b l eo fc m p r s e c t o r123456 c m p r lbaac c b c m p r 2 acbbac c m p r 3cbcaba 3 2 基于传统p i 控制策略 在工业控制中，广泛使用p i d 控制器，原因在于p i d 控制器结构清晰，参数 可调，能适应于各种对象，无需预先知道对象数学模型，可在现场根据实际调节 参数而取得较好的控制效果。 p i d 控制器是一种比例、积分、微分并联控制器。它是最广泛应用的一种控 制器；p i d 控制器的数学模型可以用下式表示： 比泓托，+ 专舢寺掣l p 其中：u f t l 一一一控制器的输出； e 控制器的输入，它是给定值和被控对象输出值的差，故而称偏 差信号； 薹m 第三章基于模糊p i 控制的系统控制原理 k 控制器的比例系数； z 控制器的积分时间，也称积分系数； l 控制器的微分时间，也称微分系数。 在p i d 控制器中，它的数学模型由比例、积分、微分三部分组成。这三个部 分分别是： 1 比例部分 比例部分由数学式表示如下： 足。e ( f ) 在比例部分，比例系数置。越大，则过渡过程越快，控制结果的静态偏差也越小； 但k 。越大，也越容易产生振荡。故而，比例系数k ，必须恰当，才能取得过渡时 间少，静差小而又稳定的效果。 2 积分部分 积分部分由数学表达式表示如下： 等m 出下j 、7 从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就会不断增 加；只有在偏差e f f l = 0 时，它的积分才会为一个常数，控制作用才是一个不会增 大的常数。町见，积分部分的作用可以消除系统的偏差。 积分时间z 对积分部分的作用影响极大。当z 较大时，则积分作用较弱；这 时，系统的过渡时间中有可能产生振荡；但是消除偏差所需的时间也就较长。当z 较小时，则积分作用较强；这时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差 所需的时间较短。 3 微分部分 微分部分由数学表达式表示如下： d e l t 、 k 哥 微分部分的作用由微分时间乃决定：乃越大，则它抑制偏差p ( f ) 变化的作用越强； 乃越小，它反抗偏差e ( f ) 变化的作用越弱。微分部分显然对系统的稳定有很大的 作用。 在计算机为硬件核心的控制系统中，由于是以采用周期对输入和输出状态进 行实时采样，故它是离散时间控制系统。在离散控制系统中，p i d 控制器采用差 分方程表示，故有 “c t ，= k ， e c t ，+ 毒喜e c ，丁+ 疋兰掣 c s 一， k 采样周期时的输出 华南理工大学硕士论文 e ( k 1 k 采样周期时的偏差 丁采样周期 本文中对永磁同步电机的控制在速度环和电流环中采用p i d 调节器，由于电 机控制中无需抑制偏差，因此这里只采用了p i 控制，省去了微分部分。 3 3 模糊控制的基本原理及模糊p i 控制的实现 p i d 控制是最早发展起来的应用经典控制理论的控制策略之一，由于其算法 简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确 数学模型的确定性控制系统。而实际工业控制过程中经常会遇到大滞后、时变、 非线性的复杂系统。其中，有的参数未知或缓慢变化，有的存在滞后和随机干扰， 有的无法获得精确数学模型等，应用传统p i d 控制不能达到理想的控制效果。将模 糊控制与p i d 控制理论有机地结合起来，可构造一类新型的智能控制系统，即模糊 p l d i z oj 复合型控制系统。模糊控制与p i d 控制器两者结合起来后，能扬长避短，既具 有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有p i d 控制精度高的特点12 1 1 。因此模糊控 制并不是简单的代替，而是拓展了经典控制理论的控制。 3 3 1 模糊控制的基本原理 在生产实验中，存在着大量的模糊现象，对于那些无法获得数学模型或模型 粗糙复杂的。非线性的、时变的或是耦合十分严重的系统，无论用经典控制，还 是现代控制理论的各种算法，都很难实现控制。但是，一个熟练的操作工人或技 术人员，凭借自己的经验，靠眼、耳等传感器官的观察，经过大脑的思维判断， 给出控制量，可以用手动操作，达到较好的控制效果。因此，操作者的观察与思 维判断过程，实际上是一个模糊化及模糊计算的过程。我们把人的操作经验归纳 成一系列的规则，存放在计算机中，利用模糊集理论将它定量化，使控制器模仿 人的操作策略，这就是模糊控制器，用模糊控制器组成的系统就是模糊控制系统。 从广义上讲，模糊控制指的是应用模糊集合理论统筹考虑控制的一种控制方 式，它具有如f 主要特点1 2 2 1 ： ( 1 )在设计系统时不需要建立被控对象的数学模型，只要求掌握现场操作 人员或者有关专家的经验，知识或者操作数据； ( 2 )系统的鲁棒性强，尤其是适用于非线性时变、滞后系统的控制； ( 3 )由工业过程的定性认识出发，较容易建立语言变量控制规则； ( 4 )由不同的观点出发，可以设计几个不同的指标函数。但对一个给定的 系统而言，其语言控制规则是分别独立的，且通过整个控制系统的协 第三章基于模糊p i 控制的系统控制原理 调，可取得总体的协调控制。 3 3 2 模糊p i 控制的实现 一、模糊控制器的实现原理 模糊p i 控制系统1 2 3 1 。1 35 1 是以模糊规则实时调节p i 参数的一种自适应控制系统。 本文中，模糊规则给出的是永磁同步电机在不同实时状态下对p i 参数的推理结 果。模糊p i 控制系统的结构如下图所示： 图3 - 6 模糊p i 控制系统结构图 f i g 3 - 6s t r u c t u r em a po ff u z z yp ic o n t r o ls y s t e m 这是在一般的p i 控制系统的基础上，加上一个模糊控制规则环节；模糊控制 规则环节是为了根据系统实时状态调节p i 的参数而设置的。因此，模糊参数p i 控制系统的关键在于模糊控制规则对p i 参数的调节机理及过程。 为了能使模糊控制规则可以对p i 参数进行推理，故而需要对p i 控制器的一 些参数作一定的处理；并且，有利于进行参数的实际修证。 在一般系统中，k 。、k i 是用扩充临界比例度法或者扩充响应曲线法等使用工 程方法整定。这些工程方法都要对被控对象进行现场实际测定之后，才能确定、 足等参数。 为了寻找可以实时推理出恰当的p i 参数的模糊控制规则，对有关参数作一些 规定。 假设置，的范围为【，一、k ，一 ，则通过下面的线性变换使k ，的范围归一化 到【o ，1 ： k ；= ( k ，一世，。) ( 置，一k ，。) ( 3 1 8 ) k ：= ( 髟一k d 。) ( 配一k d 。) ( 3 一1 9 ) 这罩计算是为了计算墨，以下将给予推导。 在p i 控制器中，还存在积分系数岸：。由于在模糊p i 控制系统中，将会根据