（电机与电器专业论文）基于滑模变结构控制的永磁同步电机伺服系统.pdf

a b s t r a c t h i g hp e r f o r m a n c es e r v oc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h em a n yf i e l d s ， s u c ha sm o d e mi n d u s t r i a l ，h o u s e h o l da p p l i a n c ea n dm i l i t a r y t h es e r v oc o n t r o ls y s t e m o fp 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 ) ，w h i c ha d o p t sa d v a n c e dc o n t r o l s t r a t e g ya n dd i g i t a lc o n t r o lt e c h n o l o g y , h a sb e c o m i n gt h et r e n do fa cs e r v os y s t e m t h eb a c k g r o u n d t e c h n o l o g y u s e di na cs e r v os y s t e mc o n t i n u e s a d v a n c i n g m e a n w h i l e ，m a r k e th a sm o r er e q u i r e m e n t so nt h ep e r f o r m a n c e ，c o s ta n da d a p t a b i l i t y o fs e r v os y s t e m i nt h i sp a p e r , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s m ，t h e o r ya n dc h a r a c t e r i s t i co f p m s mv e c t o rc o n t r o lw a sa n a l y z e d ，t h ef i e l do r i e n t e dc o n t r o ls t r a t e g ye m p l o y i n g i a = oa n ds v p w mi sa d o p t e d ，a n dt h ec o n t r o ls c h e m eo fp m s ms e r v os y s t e mw a s e s t a b l i s h e dw i t ht h r e ec l o s e l o o pp ir e g u l a t o r s a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e mo fp a r a m e t e r c h a n g i n ga n dl o a dd i s t u r b a n c e ，t h em e t h o dt od e s i g ns l i d i n gm o d ec o n t r o l l e ri n c o n t i n u o u sa n dd i s c r e t es y s t e mw a sa n a l y z e dt h o r o u g h l y t h es t a b i l i t y , d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p r o a c ht oa v o i d i n gc h a n e rw a sd i s c u s s e d s i n g l es u r f a c es l i d i n g m o d ec o n t r o lb a s e do nr e a c h i n gl a wa p p r o a c hw a si m p r o v e do n ，a n dm u l t i p l es l i d i n g m o d es u r f a c ec o n t r o lw a sp r o p o s e d b a s e do nf r e e s c a l em c 5 6 f 8 3 4 6 d s pa n d m a t l a b s i m u l i n k7 1 ，s i m u l m i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw e r ec a r r i e do u t t h e r e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h e s y s t e mp e r f o r m a n c ea c h i e v e dt h er e q u i r e m e n to fh i g h p e r f o r m a n c es e r v os y s t e m s l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lc o u l db e s u c c e s s f u l l yc o m b i n e dw i t hv e c t o rc o n t r o ls y s t e ma n di m p r o v e dt h er o b u s t n e s so ft h e s y s t e me f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：p m s m ，s e r v oc o n t r o l ，v e c t o rc o n t r o l ，s l i d i n gm o d ec o n t r o l ， m c 5 6 f 8 3 4 6 d s p n 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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝至三盘堂或其他教育机 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谢意。 学位论文作者签名：签字同期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿态堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝望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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 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 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江人学硕i ：学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 随着科学技术的飞速发展，特别是微电子技术、电力电子技术、计算机控 制和电机制造技术取得的巨大进步，伺服驱动技术的发展日新月异，目前在数控 机床、激光加工、机器人、大规模集成电路制造、雷达和武器随动系统、柔性制 造系统、电动工具和家用电器等领域，伺服控制系统都扮演着支柱角色。随着机 电一体化技术的发展，伺服控制系统，作为电力传动自动控制系统的一个重要分 支，已成为现代工业、国防和高科技领域不可缺少的重要部分。从1 9 3 4 年，伺 服机构( s e r v o m e c h a n i s m ) 这个词被提出，伺服系统在其七十多年的发展过程中 主要经历了三个发展阶段。从最初的液压伺服马达、功率步进电机，到后来的直 流电机伺服系统，到如今，采用先进控制策略和全数字控制的交流伺服系统。应 用在交流伺服系统上的背景技术不断进步和市场的巨大需求成为交流伺服系统 快速发展的主要动力。而永磁同步电机( p e r m a n e n tm a n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ) 凭 借其结构简单、功率因数高、转矩电流比高、转动惯量小、易于散热及维护保养 等优点，逐渐成为伺服系统执行元件的主流。目前国际先进的交流伺服驱动系统 具有定位精度高、调速范围宽、动态响应快、抗扰动性能强等优点，我国有关交 流伺服系统的研究起步于二十世纪九十年代，目前仍落后于国际先进水平，数控 机床和工业机器人中的关键伺服控制技术仍然依赖进口。作为稀土资源大国，我 国永磁材料非常丰富，为永磁同步电机的制造打下了良好的基础。因此，研究高 性能伺服控制技术，特别是最具前景的永磁同步电机伺服控制技术，具有重要的 现实意义和实用价值n 儿2 儿3 制。 目前，永磁同步电机伺服系统广泛采用矢量控制方式以及p i d 调节器进行 控制，p i d 调节器存在易受参数变化影响、对负载变化的适应能力差、抗干扰能 力弱等缺点，而伺服系统在运行过程中易受到机械传动机构带来的摩擦、振动、 负载突变等问题的影响。因此，需要引入现代控制理论提高系统鲁棒性。滑模变 结构控制对系统数学模型精度要求不高，响应速度快，对参数及外部扰动不敏感， 是一种强鲁棒性控制方法，很适合应用于永磁同步电机伺服控制系统以改善其性 台匕【i l 】【1 2 儿1 3 】 日no 浙江人学颂i ：学位论义第一幸绪论 1 2 伺服系统概述 1 2 1 伺服系统组成 伺服系统，又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系 统。广义的伺服系统输出量不一定是位置，也可以是其他物理量，如转速、电流 双闭环调速系统中的电流环可认为是一个电流随动系统：多电机拖动的多轴纺织 机和造纸机要求各轴同步旋转，可以称为转速同步随动系统。广义伺服系统的共 性是输出量快速准确地复现给定量。本文主要讨论狭义的位置伺服系统，但其控 制规律可以推广到各种广义的伺服系统f 1d 】。伺服系统一般包括控制器、执行元 件、控制对象、检测环节等几个部分，系统结构如图1 所示。 图1 1 伺服控制系统结构图 其中控制器一般采用微控制器或数字信号处理器( d s p ) 来实现。控制对象 根据不同的应用场合而异。信号检测部分将执行元件及控制对象的位置、速度等 信号反馈，以构成闭环控制系统，检测元件的精度直接决定了伺服控制系统的性 能。最常见的执行元件为电动机，根据电动机的不同可将伺服系统分为直流伺服 系统和交流伺服系统。 1 2 。2 伺服系统的发展史 伺服系统的发展，与伺服电机的发展紧密相联，迄今为止己有了七十多年的 历史，经历了三个主要阶段： 第一阶段( 2 0 世纪6 0 年代以前) ，主要以步进电机驱动液压伺服马达或者以功 率步进电机直接驱动，具有响应时间短、驱动部件外形尺寸小等优点，伺服系统 的位置控制采用开环控制。 第二阶段( 2 0 世纪6 0 、7 0 年代) ，这是直流伺服电机诞生和全盛发展的时期。 直流电机电枢电流和励磁磁通相互问没有耦合，可以通过相应电流分别控制，因 此直流电动机调速时易获得良好的控制性能及快速的动态响应。随着大功率晶体 管的应用，电流控制性能大大提高，在很多高性能驱动装置中广泛采用直流电机， 2 浙江人学硕i ：学位论义 第一章绪论 伺服系统的位置控制也由丌环控制发展成为闭环控制。然而，由于直流电机需要 设置机械换向器和电刷，使得直流调速系统存在固有的结构性缺陷，机械换向器 结构复杂、成本增加，同时容易磨损，需要经常维护，影响运行可靠性，并且由 于运行时电刷中易产生电火花，限制了使用场合，不适于在易燃、易爆、多尘的 恶劣环境中应用。 第三阶段( 2 0 世纪8 0 年代至今) ，以机电一体化发展为时代背景。随着交流 调速理论的不断发展完善，现代高性能的交流调速系统的动态性能已完全达到甚 至超过了直流调速系统，交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，无需电刷和换 向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低；定子绕组散热比较方便；惯量小， 易于提高系统的快速性；适应于高速大力矩工作状态；同功率下有较小的体积和 重量。因此，交流伺服系统已经全面取代了直流伺服系统。在交流伺服系统中， 执行元件一般有三种：感应式异步电动机，无刷直流电动机和永磁同步电动机。 感应式异步电动机的优点是制造容易，价格低廉，不需要特殊维护，一般采用矢 量变换控制，将转子电流分为与转子磁通方向一致的励磁电流和与之垂直的转矩 电流分量。但是存在机械性能差，效率低，起动转矩小，过载能力低，电动机轻 载运行时功率因数低等缺点。无刷直流电机具有控制简单、成本低、检测装置简 单等优点。但由于存在转矩脉动较大、铁心附加损耗大的特点，从而限制了无刷 直流电机伺服系统在高精度、高性能要求的伺服驱动场合的应用。永磁式同步电 动机和异步电动机相比，由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高， 力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好。 与无刷直流电机相比较，永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性 能、大范围的调速或定位控制。此外，永磁同步电机还具有结构简单、体积小、 重量轻等优点，特别是随着永磁材料价格的下降和新型永磁材料的出现，使得以 永磁同步电机为执行元件的交流伺服系统，逐步成为了现代伺服驱动系统的主流 【2 1 。 1 2 3 伺服系统的发展趋势 2 0 世纪9 0 年代以后，国外的一些著名公司，如德国的西门子公司、美国的 a b 公司、科尔摩根公司、日本的安川、f a n u c 、富士通、松下公司、韩国三星等 公司不断推出交流伺服驱动产品。此后，国内的公司和研究机构在积极的研究和 开发中取得了一些进展，如兰州电机厂、西安微电机研究所、北京机床研究所、 华中理工大学、沈阳工业大学、中科院沈阳自动化研究所等，相继也推出了一些 伺服驱动产品，但其性能仍难以同国际先进水平相比1 4 1 。 从前面的讨论可见，数字化交流伺服系统的应用越来越广，用户对伺服驱动 浙江人学倾i ：学位论史 第一章绪论 技术的要求越柬越高。总的来说，伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面： 1 交流化 伺服技术将继续迅速地由直流伺服系统转向交流伺服系统。从目前国际市场 的情况看，几乎所有的新产品都是交流伺服系统。在工业发达国家，交流伺服电 机的市场占有率已经超过8 0 。在国内生产交流伺服电机的厂家也越来越多，正 在逐步地超过生产直流伺服电机的厂家。可以预见，在不远的将来，除了在某些 微型电机领域之外，交流伺服电机将完全取代直流伺服电机。 2 全数字化 采用新型高速微处理器和专用数字信号处理器( d s p ) 的伺服控制单元将全 面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。 全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系 统中应用现代控制理论的先进算法( 如：最优控制、人工智能、模糊控制、神经 元网络等) 成为可能。 3 采用新型电力电子半导体器件 目前，伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率 半导体器件，主要有大功率晶体管( g t r ) 、功率场效应管( m o s f e t ) 和绝缘 门极晶体管( i g b t ) 等。这些器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的功 耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。尤其值得一提的是，新型的伺服 控制系统已经开始使用一种把控制电路功能和大功率电力电子器件集成在一起 的新型模块，称为智能功率模块( i n t e l l i g e mp o w e rm o d u l e s ，简称i p m ) 。这种 器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成 于一个不大的模块之中。其输入逻辑电平与1 v r l 信号完全兼容，与微处理器的 输出接口可以直接相连。它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服 系统的小型化和微型化。 4 高度集成化 新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元 两个模块的做法，代之以单一、高度集成化、多功能的控制单元。同一个控制单 元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以使用电机本身配置 的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接e l 与外部的位置或速度或力矩传感 器构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化还显著地缩小了整个控制系统的 体积，使得伺服系统的安装与调试工作都得到了简化。 5 智能化 智能化是目前工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的工 业控制装置当然也不例外。最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产 品，它们的智能化特点表现在以下几个方面：首先他们都具有参数记忆功能，系 4 浙江人学颂f ：学位论义 第一章绪论 统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内 部，通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，应用 起来十分方便；其次它们都具有故障自诊断与分析功能，只要系统出现故障，就 会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简 化了维修与调试的复杂性；除以上特点之外，有的伺服系统还具有参数自整定的 功能。众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也 是需要耗费较多时问与精力的工作。带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试 运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。对于使用伺服单元的 用户来说，这是新型伺服系统最具吸引力的特点之一。 6 模块化和网络化 在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化( f a c t o r ya u t o m a t i o n 简称 f a ) 工程技术在最近十年来得到了长足的发展，并显示出良好的发展势头。为 适应这一发展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口( 如r s 一2 3 2 或p s 4 2 2 接口等) 和专用的局域网接口。这些接口的设置，显著地增强了伺服 单元与其它控制设备间的互联能力，从而与伺服系统间的连接也由此变得十分简 单，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台甚至数十台伺服单元与上位计算机连 接成为整个数控系统。也可以通过串行接口，与可编程控制器( p l c ) 的数控模 块相连1 5 1 1 6 1 1 7 1 1 8 1 1 9 1 1 0 1 。 1 3 永磁同步电机伺服系统 1 3 1 永磁同步电机伺服系统概述 基于上文的论述，交流伺服系统，特别是永磁同步电机伺服系统已成为伺服 系统发展的主流方向。因此，下文将主要讨论永磁同步电机伺服系统。永磁同步 电机伺服系统主要包括永磁同步电机、功率驱动单元、微处理器、位置反馈单元、 电流反馈单元等部分。 1 永磁同步电机 根据永磁体在转子上的位置不同，永磁同步电动机的转子结构可分为：面贴 式( 图2 a ) 、内插式( 图2 b ) 和内埋式( 图2 c ) 。永磁同步电动机转子所采用的 永磁材料主要有铁氧体、钕铁硼、稀土钴等。初期生产的永磁同步电动机转子以 铁氧体材料居多，考虑到永磁材料性能、价格以及电动机应用等诸多方面的要求， 目前则以采用稀土永磁材料较为普遍。我国钕铁硼资源非常丰富，随着制造工艺 的不断进步，性能的逐步提高，价格逐渐下降，钕铁硼永磁材料在永磁同步电动 机中的应用越来越广泛。 如* 镕 ( a ) 血蚺式( b ) 山摘式( c ) 内蛐代 i q1 2 永融川步【b 机结构削 面贴式转r 结构制造成本低、结构简单、转动惯培小，其中的永磁体易于实 现优化敬引能使电机气隙磁密波趋近f 弦分如，进而提商电动机的运行性能。 内插式的转予结构能充分利用转千磁路不对称性所产生的磁阻转矩，提高电机的 功率密度，使f n 机的动忐性能较而贴式有所改善但漏磁系数，f 【l 制造成本部较面 贴式大。这种结构的水磁h 步电机经常应片 于交流调速传动系统中。内埋式转子 结构的水磁体位丁转于内部能有效避免永磁体失磁，但转子漏戳系数更大，这 种结构的永磁同三【：电机戍川于动态性能要求较高的堂流渊速传动系统中。 2 功率驱动单儿 功率驰动竹兀般采片j 全桥小控整流及= 柏电m 型逆变器的a c d c a c 结 构。逆变器部分可以采用助率集成模块( p i m ) 或智“功率模块( i p m ) 世可以 采用m o s f e t i g b t 组成。 3 控制单元 控制单兀是i 睦个何服系统的核心，j 门十实现并种性能优越的摔制算法。控制 单元的功能殷由单片机或数字信号处理器( d s p ) 束完成。r 前，微处理器已 j t 泛应用- 蹙流伺服系统，世界备大芯片公司也推出了面向电机控制的专片j 芯 片，如i n t e l 公司的8 0 c 1 9 6 m c 单机t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列d s p , 以及 f r e e s c a l e 公刊的5 6 f 8 0 0 帆系列d s p 。 4 位兄反馈装胃 f _ ；) ：置反馈装置是伺服系统的币要自【成部什，选择的是行合理直接关系到系统 的静态及动态特性。目前常的位置传感器主要有高分辨：簪的旋转，鱼压器、光电 编码器和磁性编码器等。 5 电流反馈单元 l n 机的电流直接反映出控制器性能的好坏，电流的实时检测是为了实现电流 闭环控制和过流保护。常用的电流检测方法有：l b 阻聚样；磁场平衡式霍尔电流 检测器( l e m 模块) 和电流互感器。 q、l：u 。、ou畦粤6， 万(i-：懑万一 攀 心心殿哆 黪一 浙江人学硕t j 学位论文第一章绪论 1 3 2 永磁同步电机的高性能控制策略 良好的调速性能，是实现伺服控制的基础。目前，发展较为成熟，广泛应用 于永磁同步电机调速系统中的高性能控制策略主要有两种：矢量控制和直接转矩 控制【5 j 1 7 】【引。 1 9 7 1 年，由德国s i m e n s 公司的f b l a s c h k e 首次提出了矢量控制理论，将交 流传动技术的发展向前推进了一大步。其基本原理为：以转子磁链这一旋转空间 矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的两个分量，一个与磁链同方向， 代表定子电流励磁分量，另一个磁链方向正交，代表定子电流转矩分量，分别对 其进行独立控制，以获得像他励直流电机一样良好的动态特性。此后，矢量控制 被广泛应用于永磁同步电机调速系统，常用的控制方法有：厶= 0 控制、c o s c p = 1 控制、最大转矩电流比控制和最大输出功率控制等。矢量控制方法可以使交流电 机传动系统的动态特性得到显著改善，但也存在一些问题，比如要进行复杂的坐 标变换，并需准确观测转子磁链。而且，采用普通p i 调节器的矢量控制系统， 其性能受参数变化及各种不确定性影响严重，即使在参数匹配良好的条件下能取 得好的性能，一旦系统参数发生变化或受到不确定性因素的影响，可能导致性能 变差。 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授提出电机直接转矩控制方法。该 方法的特点是：用空间矢量的分析方法直接在定子坐标系下计算与控制交流电机 的转矩，采用定子磁场定向，省掉了矢量变换过程，直接对逆变器的开关状态进 行最佳控制以获得转矩的高动念性能。因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制 技术中控制性能易受参数变化影响的问题，很大程度上克服了矢量控制的缺点。 但是它在理论和实践上还不够成熟，低速性能和带负载能力还有待提高。而且由 于它对实时性要求高，计算量大，因此对微处理器的要求较高。 以上介绍的控制策略主要是针对交流电机数学模型的，将它们应用于交流伺 服系统的内环，对改善伺服电机调速的动态特性会起到良好的作用。但是，纯粹 基于电机数学模型的控制策略，会不可避免得要受到电机参数变化的影响，而且 对交流电机数学模型的认识还需进一步提高。因此，人们开始将诸如自适应控制、 滑模变结构控制、模糊控制等基于现代控制理论及智能控制思想的控制方法应用 于高性能调速系统的研究，以使系统获得更好的鲁棒性【9 1 。 1 3 3 永磁同步电机伺服系统的国内外研究现状 近年来，国内外对永磁同步电机伺服控制系统的研究主要集中在以下几个方 向【2 】【4 】【1 0 1 ： 7 浙江人学硕i ：学位论文第一章绪论 1 电机模型分析及设计方法的优化 二十世纪八十年代初，国外就开始对逆变器供电的永磁同步电动机进行深入 的研究，1 9 8 0 年后发表了大量的论文研究永磁同步电动机的数学模型、稳态特 性、动态特性。a v g u m a s t e 等研究了电压型逆变器供电的永磁同步电动机稳态 特性及电流型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性，指出逆变器供电的永磁同 步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同，在逆变器供电情况下，永磁 同步电机的原有特性将会受到影响，其稳态特性和暂态特性与恒定频率下的永磁 同步电机相比有不同的特点。随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提 高，需要设计出高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电机，g r s l e m o n 等入针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出了现代永磁同步电机的设 计方法，为永磁同步电机在各类调速及伺服系统中的应用奠定了良好的基础。 2 高性能控制策略及其数字控制的实现 随着微型计算机技术的发展，永磁同步电动机矢量控制系统的全数字控制取 得了很大的发展。二十实际八十年代木、九十年代初b k b o s e 等发表了大量关 于永磁同步电动机矢量控制系统全数字控制的论文【8 】。目前，伺服系统的数字控 制大都是采用硬件与软件相结合的控制方式，其中软件控制方式一般是利用微处 理器实现的。这是因为基于微处理器实现的数字伺服控制器与模拟伺服控制器相 比，具有下列优点： ( 1 ) 能明显地降低控制器硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微处理器不 断涌现，不仅具有体积小、重量轻、耗能少的优点，成本也在不断降低。 ( 2 ) 可显著改善控制的可靠性。集成电路和大规模集成电路的平均无故障时 ( m t b f ) 大大长于分立元件电子电路。 ( 3 ) 数字电路温度漂移小，也不存在参数的影响，稳定性好。 ( 4 ) 硬件电路易标准化。在电路集成过程中采用了一些屏蔽措施，可以避免电 力电子电路中过大的瞬态电流、电压引起的电磁干扰问题，因此可靠性比较高。 ( 5 ) 采用微处理器的数字控制，使信息的双向传递能力大大增强，容易和上位 系统机联合运行，可随时改变控制参数。 ( 6 ) 可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路，其中软件可以模块化 设计，拼装构成适用于各种应用对象的控制算法，以满足不同的用途。软件模块 可以方便地增加、更改、删减，或者当实际系统变化时彻底更新。 ( 7 ) 提高了信息存贮、监控、诊断以及分级控制的能力，使伺服系统更趋于智 能化。 ( 8 ) 随着微处理器芯片运算速度和存贮器容量的不断提高，性能优异但算法复 杂的控制策略有了实现的基础。 3 无速度传感器控制技术的研究 3 浙江人学硕1 ：学位论义 第一章绪论 永磁同步电机控制系统中，一般需要在转子轴上安装传感器( 如编码器、解 算器、测速发电机等) ，测量电机的速度和位置。传感器提供了电机所需的转子 信号，但也给调速系统带来了一些问题：增加了电机转子轴上的转动惯量，加大 了电机空间尺寸和体积；使系统易受干扰，降低了可靠性；易受使用条件，如温 度、湿度和振动的限制：增加了调速系统的成本等。为了克服使用传感器给调速 系统带来的缺陷，许多学者丌展了无传感器交流调速系统的研究。无传感器交流 调速系统是指利用电机绕组中的有关电信号，通过适当方法估计出转子的位置和 速度取代传感器。无速度传感器永磁同步电机控制系统中转速和转子位置的估计 方法主要有以下几种： ( 1 ) 基于永磁同步电机电磁关系的转速和位置估算方法 利用永磁同步机的电压方程和磁链方程，经过推导得到转子位置角和转速的 表达式，采用直接计算的方法得到这两个量。还可以通过计算定子磁链的空间矢 量位置( 也即计算感应电动势的位置) ，再估计转速和转子位置。 ( 2 ) 通过计算电感值估算转速和位置 这种方法是由l o r e n z 提出的，适用于有凸极效应的永磁同步机，对应于转子 的不同位置，定子的等效电感值是不同的。提前把对应于转子不同位置的定子电 感值制成一个表格，程序运行时实时计算定子电感值并与表格中的值相比较，得 到当前时刻永磁同步电机转子的空间位置。 ( 3 ) 基于各种观测器的估算方法 观测器的实质是状态重构，其原理是重新构造一个系统，利用原系统中可直 接测量的变量如输出量和输入量作为它的输入信号，并使其输出信号在一定的条 件下等价于原系统的状态。通常称为的重构状态或状态估计，而称这个用以实 现状态重构的系统为观测器。常用于实现无速度传感器运行的观测器方法包括自 适应观测器、推广卡尔曼滤波器、滑模观测器等。 4 先进现代控制理论的引入【9 】【1 0 】【l l 】【1 2 】【1 3 】 永磁同步电动机矢量控制系统转速控制器大多采用比例积分( p i ) 控制。p i 控 制器具有结构简单，性能良好，易于实现等优点。但是，电机在运行过程中，模 型和参数往往是不断变化的，参数和模型的变化将会影响系统的控制性能。现代 控制理论中的各种鲁棒控制技术能够使控制系统在模型和参数变化时保持良好 的控制性能。因此，将各种鲁棒控制技术运用于伺服控制系统，可以大大提伺服 系统的性能。在这方面，运用的较为成功的控制技术主要有：自适应控制、参数 辨识技术、人工智能技术、滑模变结构控制等。 自适应控制技术能够改善控制对象和运行条件发生变化时控制系统的性能， 1 9 9 1 年，r b s e p e 首次在交流转速控制器中采用自校正控n 5 0 】。n m a t s u i ， j h l a n g 等人将自适应控制技术应用于永磁同步电机调速系统。仿真和实验结果 9 浙江人学顾i ：学位论文 第一章绪论 表明，自适应控制技术能够使调速系统在电机参数发生变化时保持良好的性能。 参数辨识技术通过对电机参数变化进行在线辨识，并运用辨识的参数对调速系统 进行控制，也能够提高控制系统的鲁棒性。而随着人工智能技术的发展，智能控 制已成为现代控制领域中的一个重要分支，智能控制技术的应用也已成为目前电 气传动控制的主要发展方向。目前，实现智能控制的有效途径有三条：基于人工 智能的专家系统( e x p e r ts y s t e m ) ，基于模糊集合理论( f u z z yl o g i c ) 的模糊控制以 及基于人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 的神经控制。滑模变结构控制的本 质是滑模运动，通过结构变换开关以很高的频率来回切换，使状态的运动点以很 小的幅度在相平面上运动，最终运动到稳定点。滑模运动与控制对象的参数变化 以及扰动无关，因此具有很好的鲁棒性，但是滑模变结构控制在本质上是不连续 的开关控制，因此会引起系统发生抖振，这对于控制系统的运行是有害的，减小 和消除抖振的同时仍然保证系统的鲁棒性，是实现这种控制方式最重要的问题。 综上所述，对于永磁同步电机伺服系统的研究，包括电机本体优化设计，控 制策略的数字化实现、无速度传感器运行，以及现代控制策略的应用。将现代控 制策略与伺服控制系统相结合，提高伺服系统的鲁棒性，保证系统在负载环境下 可靠运行，具有很强的现实意义。而在各种鲁棒性控制策略中，滑模变结构控制 因对系统模型要求不高、控制率实现方法简单、响应速度快等性能，具有良好的 应用前景。 1 4 滑模变结构理论发展及应用情况 1 4 1 滑模变结构控制的引入 如前所述，各种性能优良的交流伺服机驱动器在众多领域己获得了大规模的 广泛应用，而其应用场合和环境越来越呈现多样化和复杂化，比如使用同一规格 电机和驱动装置的不同系统，其数学模型可能相去甚远。即使对于同一确定系统， 当工作状态发生变化时，系统参数( 如转动惯量、摩擦系数等) 亦可能发生显著变 化。工业对象的多样化和复杂化对伺服控制提出了更高的要求，即希望伺服系统 具有一定的自适应能力和较强的抗干扰能力，这一方面可降低用户调试系统的难 度，另方面可在参数时变及干扰等恶劣的工况下保证系统良好的动态响应和较 高的稳态精度。许多专家学者及生产厂家近年来积极致力于这种具有较强自适应 能力的伺服控制器的研究和开发，这已成为高性能伺服驱动系统的重要研究方 向。 高性能伺服控制技术主要的研究目的是提高伺服系统对参数摄动和外扰的 鲁棒性。为此可采用扰动补偿、控制率的整定、自适应控制以及一些人工智能控 l o 浙江人学硕i j 学位论义第一章绪论 制方法。这些方法实现自适应性能的手段不同，但其出发点具有很多相似之处。 首先是检测外扰( 如使用负载观测器观测负载变化) ，并通过补偿以提高系统的抗 干扰能力，其次是在线进行参数估计和模型估计，根据其变化实时调整控制率以 保证动态性能。该过程可以概括为“观测一调节( 补偿) 一适应”，其中基础性问 题是“观测”的精度和在线操作的可实现性问题。由于工作环境中的干扰和观测 器设计中的一些理想化处理，使观测的精度很难保证。另外一些参数估计算法带 来的滞后性，也将产生不利影响【9 】【2 7 】。 针对上述问题，滑模变结构控制采取了独特的解决方法，通过简单的开关控 制使系统状态变量沿事先规定的滑模面运动，不仅可在滑模运动段保证系统的动 态性能，且对参数摄动和外扰具有完全的自适应能力。滑模变结构控制的特点是 不需对系统的精确观测、控制率整定方法简单，当扰动出现时系统响应和调整速 度快。基于这些独特的优点，滑模变结构控制已经开始成功地应用于各类交流伺 服控制系统中。 1 4 2 滑模变结构理论研究和发展状况 二十世纪五十年代，前苏联学者e m e l y a n o v 提出了变结构控制( v a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o l ，v s c ) 。这一概念本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性表 现为控制的不连续性。这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构 不固定，可以在动态过程中，根据系统当前的状态有目的地不断变化，迫使系统 按照预定的“滑动模态 轨迹运动，所以又常称变结构控制为滑动模态控制 ( s l i d i n gm o d ec o n t r o l ，s m c ) ，即滑模变结构控制。由于滑动模态可以进行设计 且与对象参数及扰动无关，这使得变结构控制具有快速响应、对参数变化及扰动 不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。该方法的缺点是当状态轨迹 到达滑模面后，难以严格地沿着滑模面向平衡点移动，而是在滑模面两侧来回穿 越，从而形成抖振【l l j f l 3 j 。在e m e l y a n o v 提出变结构这一概念之后，u t k i n ，i t l d 等 人进一步发展了变结构系统理论。二十世纪七十年代，变结构系统以其独特的优 点引起了西方学者的广泛重视，进而众多学者从不同理论角度，运用各种数学手 段对其进行了深入研究，使得变结构理论逐渐发展成为一个相对独立的研究分 支。近年来滑模变结构控制理论研究倍受关注，研究主要集中在以下几个方面： l 。抖振问题 控制结构切换具有理想开关特性的变结构系统，能在切换面上生成滑动模 态。滑动模态是降维的光滑运动，且渐进趋向原点。但在实际的滑模变结构系统 中，由于开关器件的时滞及惯性等因素的影响，使得滑动模态呈抖动形式，在滑 动状态上叠加了自振，这种现象称为抖振。抖振不仅影响系统的精确性，增加能 浙江人学硕i ：学位论文 第一章绪论 量消耗，而且容易激发系统中的高频未建模部分，破坏系统性能，甚至使系统产 生震荡和失稳，因而削弱和消除抖振是变结构控制在实际应用中必须解决的问 题。目前，有代表性的研究工作主要有以下几个方面： ( 1 ) 准滑动模态法二十世纪八十年代s l o t i n e 等在滑动摸态控制设计中引 入了“准滑动摸态和“边界层”的概念，实现准滑动模态控制，采用饱和函数 代替切换函数，即在边界层外采用正常的滑模控制，在边界层内为连续状态反馈 控制，有效地避免和削弱了抖振，为变结构控制的工程应用开辟了道路。此后， 众多学者对切换函数和边界层的设计进行了研究。 ( 2 ) 趋近率法高为炳利用趋近率的概念，提出了一种变结构控制的抖振消 除方法。以指数趋近率j = 一e s g n ( s ) 一q s 为例，通过调节趋近率参数s 和q ，既可 以保证滑动模态到达过程的动态品质，又可以减弱控制信号的高频抖振。 ( 3 ) 滤波方法通过采用滤波器，对控制信号进行平滑滤波，是消除抖振的 有效方法。 ( 4 ) 观测器法在常规的滑模控制中，往往需要很大的增益来消除外加干扰 及不确定项，因此外界干扰及不确定项是滑模控制中抖振的主要来源。文献【5 3 】 提出了利用观测器来消除外干扰及不确定项，从而解决滑模控制中的抖振问题。 ( 5 ) 动态滑模法传统的滑模控制方法中切换函数一般只依赖于系统状态， 与控制输入无关，不连续项会直接转移到控制器中。动态滑模方法将常规变结构 控制中的切换函数通过微分环节构成新的切换函数，该切换函数与系统控制输入 的一阶或高阶导数有关，可将不连续项转移到控制的一阶或高阶导数中去，得到 在时间上本质连续的动态滑模控制规律，有效降低了抖振。 此外，还有模糊方法、神经网络方法、遗传算法优化方法、切换增益方法、 扇形区域法等消除滑模变结构控制抖振的方法。上述各种方法都有各自的优点和 局限性，针对具体问题需要进行具体分树1 2 】1 1 4 】f j 5 】。 2 离散系统的滑模变结构控制 从理论上来说，滑模变结构控制主要是针对连续系统模型。因为只有理想的 连续滑模变结构控制，才可由具有切换逻辑的变结构控制产生等效滑模控制。对 于离散系统，变结构控制不能产生理想滑模的等效滑模控制，只能产生准滑模控 制。然而，在实际设计控制系统时，常常需要建立对象的离散时间模型，如采样 控制系统、计算机控制系统等，因此离散时间系统变结构控制的研究与设计，就 成为变结构控制理论与应用的一个重要组成部分。早期对离散系统的变结构控制 设计，一般采用连续系统变结构控制的设计方法，文献 4 1 1 提出了离散变结构控 制系统滑模存在的充分条件，指出了将连续系统变结构控制的设计方法用于离散 系统时，其采样周期允许的范围。随着计算机技术在控制领域的广泛应用，专门 针对离散系统的变结构控制的理论与设计的文献逐渐增多，对离散变结构控制的 1 2 浙江人学硕l j 学位论文 第一章绪论 特有性质的研究也逐步深入。文献f 4 2 】首次考虑了离散时间系统的变结构控制， 并提出了与连续时间系统相对应的到达条件。文献【4 3 】给出了准滑动模态的定义 及其详细的物理解释，并提出了更一般的到达条件即离散趋近律，其控制方法已 被广泛应用。提高控制系统的鲁棒性并有效消除抖振，是离散变结构控制的研究 热点。文献1 4 4 分析了离散滑模变结构系统的稳定性，采用引入不确定性上下界 的方法以保证系统鲁棒性。文献 4 5 】介绍了边界层的方法以消除滑模变结构控制 带来的系统抖振，并分析了边界层对系统响应及鲁棒性的影响。 3 自适应滑模变结构控制 对于变结构控制系统，若干扰、参数变化以及建模误差等不确定因素满足“匹 配条件”时，滑模面上的运动对这些不确定因素具有完全的不变性。当匹配条件 不满足时，滑模特性直接取决于这些不确定量。将滑模变结构控制和自适应控制 进行有机的结合，是解决参数不确定或时变参数系统控制问题的一种新型控制策 略。文献 4 6 1 将模糊控制、自适应控制与滑模变结构控制结合，用自适应控制优 化不确定边界的选择。文献 4 7 1 针对线性化系统将自适应与滑模变结构控制方法 相结合，实现了自适应滑模变结构控制。文献f 4 8 针对具有未知参数变化和干扰 变的不确定性系统的变结构控制，设计了一种新型的带有积分的滑模面，并采用 一种自适应滑模控制方法，控制器的设计无需不确定性及外加干扰的上下界，实 现了一类不确定伺服系统的自适应变结构控制。 4 智能滑模变结构控制 非线性系统的控制是控制领域面临的一大难题。对一般非线性系统而言，其 自适应控制问题的解决仍相当困难。由于智能控制在解决非线性问题上和变结构 控制存在着互补性，可将两者结合起来，形成智能变结构控制，能有效地克服传 统变结构控制理论的缺陷，同时还能保持变结构控制鲁棒性强的优点。模糊滑模 变结构控制是智能控制系统中较为成熟的控制理论，是以模糊集合论、模糊语言 变量以及模糊逻辑推理为基础的一种控制，可完全在操作人员控制经验基础上实 现对系统的控制，无需建立数学模型，能够有效地处理不确定性系统，而且具有 较强鲁棒性和系统实时性。模糊控制和传统滑模变结构控制相结合，构成模糊滑 模控制，其基本设计方法是在滑模控制系统的趋近阶段通过模糊逻辑调节控制作 用来补偿未建模动力学的影响，使系统轨迹既能快速趋近滑动面，又能降低抖振， 从而提高控制系统的品质。模糊滑模控制不依赖系统的模型，而且对干扰具有完 全的鲁棒性，同时保持了模糊控制和变结构滑模控制的优点。文献【4 9 】提出了一 种模糊滑模面，即将滑模面进行模糊划分，阐述了模糊控制器的设计方法并进行 了实验研究。文献 5 0 l 将智能控制与滑模控制相结合，设计了基于智能控制的滑 模控制器，该控制器成功地应用于永磁同步电机伺服驱动系统。 浙江人学倾i j 学位论文第一章绪论 1 4 3 滑模变结构控制在交流伺服系统中的应用 1 9 7 8 年，d i z o s i m o v 等人在文章“电机控制中的滑模使用问题”中首次把 滑模控制用于异步电机的控制中，在此之后，出现了大量的关于同步电机和异步 电机滑模变结构方面的文献。滑模变结构控制以其良好的控制性能和易于实现等 优点，在交流伺服系统中有着良好的应用前景【2 引。其主要研究内容主要几种在 以下几个方面：一是切换函数选择；二是运动点到达切换面附近时，抖动的削弱 问题。实际上前者主要是解决运动点到达滑模状态后的收敛速度，即动态快速性 问题，后者是解决稳态的稳定性和精度问题。文献 3 9 1 提出了滑模变结构控制器 在交流传动系统中的设计方法和原则，详细分析了降阶、对参数扰动的不敏感性 以及功率变换器实现方法等方面的问题。文献【5 1 】将滑模变结构控制鲁棒性的特 点与模糊神经网络在线学习的特点结合，设计了一种新型位置控制器并应用于永 磁同步电