（电机与电器专业论文）基于网络的无刷直流电动机控制系统的研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a e t a b s t r a c t t h ee l e c t r o n i cc o n v e r t e rr e p l a c e sm e c h a n i c a lc o m m u t a t o r , s ob r u s h l e s sd c m o t o r ( b l d c m ) b e c o m e sr e s e a r c hf o c u si nm o v e m e n tc o n t r o la r e ab e c a u s eo fi t s g o o dc h a r a c t e r i s t i c s i n l a n da n df o r e i g nr e s e a r c h e r sd om a n yr e s e a r c h e si nt h ec o n t r o l o fb l d c m ，t h ec o n t r o lt e c h n o l o g yi sm o r ea n dm o r er i p e ，b u tt h ec o n t r o lm e t h o d s c a n tg e tr i do ft h ed i m e n s i o n a ll i m i t i nr e c e n ty e a r s ，i n t e m e td e v e l o p sf i e r c e l y , p e o p l es t a r tt oc o n s i d e rh o w t oc o m b i n em o t o rc o n t r o la n dt h en e t w o r kt e c h n i q u e ，a n d i tm e a n st h a tm o t o ri sc o n t r o l l e db yn e t ，c a r r yo u tt h el o n gd i s t a n c ec o n t r 0 1 t h ep a p e r a i m st or e s e a r c ht h ec o n t r o ls y s t e mo fb l d c mb a s e do nn e t w o r k , i to f f e r sr e f e r e n c e t ol o n gd i s t a n c ec o n t r 0 1 f i r s t ，t h et h e s i si n t r o d u c e sb l d c ma n dn e t w o r k sd e v e l o p m e n ta n d c h a r a c t e r i s t i c s ，e x p a t i a t e sp r e s e n tc o n d i t i o na n dd e v e l o p i n gp r o s p e c to fn e t w o r k c o n t r o l ；s t u d i e sm o v e m e n tp r i n c i p l ea n dt i m i n gs t r a t e g yo fb l d c m ；d i s c u s s e s c h a r a c t e r i s t i c sa n d k e yt e c h n i q u e o fn e t w o r k ； a n a l y z e sn e t w o r kd e l a y a n d c o m p e n s a t i o nm e t h o df o ri t , t h e nc o m p a r i n gd i f f e r e n tk i n d so fp r o j e c ti nn e t w o r k c o n t r 0 1 t h ep r o j e c tw h i c hb l d c mm e c t sn e t w o r kt h r o u g hp ci sc h o o s e d o nt h eb a s i so f m a t h e m a t i c sm o d e lo f b l d c m ，t h ed y n a m i c a le m u l a t i o nm o d e l o f b l d c ma c c o r d i n gt ot h es t a t ee q u a t i o ni sp r o v i d e d b a s e do na n a l y z i n gt i m ed e l a y t h en e t w o r km o d e li sb u i l tu p t h e nt h en e t w o r km o d e l 、) l r i t l ls m i t hc o m p e n s a t i o na n d s u p e r v i s o r yc o n t r o li sb u i l tu pr e s p e c t i v e l ya f t e rr e s e a r c h i n gt h et h e o r yo ft h e m t h r o u g hs i m u l a t i o ns u p e r v i s o r yc o n t r o li sc h o o s e dt ou 辩i np r a c t i c a ln e t w o r kc o n t r 0 1 f i n a l l y , t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g ni ns y s t e mo fb l d c mc o n t r o l l e db y n e ti sc o m p l e t e d ，a n dt h er u d i m e n to ft h el o n gd i s t a n c ec o n t r o lt e s tp l a t f o r mi sb u i l t t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v et h ep o s s i b i l i t yo ft h i sp r o j e c la n dh a v ei m p o r t a n t r e f e r e n c ef o rc o n t i n u a lr e s e a r c hi nl o n gd i s t a n c ec o n t r 0 1 k e y w o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) ，n e t w o r kc o n t r o l ，n e t w o r kd e l a y ， c o m p e n s a t i o nf o rd e l a y i i 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校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。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 童! i 坠 肺7 年弓月哆日 指导教师签名： 例d7 年 | 弓月涉【日 j ， 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是 本人在导师的指导下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 内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研 究成果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。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表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：童! i 坠 瑚年岁月2 ；日 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 电动机作为机电能量转换装置已经出现了一个多世纪，其应用范围已遍及人 类生活、生产的各个领域。主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机， 其中，直流电动机由于其良好的转矩控制特性，在8 0 年代之前一直在电气传动 领域处于主导地位。但传统的直流电动机均采用电刷、换向器以机械方式进行换 向，由此带来的噪声、火花、电子干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本 高、维修困难，从而影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。 针对上述传统直流电动机的弊病，早在2 0 世纪3 0 年代，就有人开始研制以 电子换相代替电刷机械换向的无刷直流电动机，并取得了一定成果，但由于当时 大功率电力电子器件仅处于初级发展阶段，使得这种电动机只能停留在实验室研 究阶段，而无法推广使用。1 9 5 5 年美国d h a r r i s o n 等人首次申请了用晶体管换 相代替机械换向器换向的专利，标志着现代无刷直流电机的诞生l “，但由于该电 机尚无起动转矩而不能产品化。随后经过人们的多年努力，借助于霍尔元件来实 现换相的无刷直流电动机终于在1 9 6 2 年问世，从而开创了无刷直流电机产品化 的新纪元。2 0 世纪7 0 年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高 性能半导体功率器件，如m o s f e t 、i g b t 、g t r 、g t o 等相继出现；高性能永 磁材料，如钐钴、钕铁硼等的问世；检测技术的发展以及控制手段的进步，均为 无刷直流电动机的发展打下了坚实的基础。因此，无刷直流电动机这一既具备交 流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的 运行效率高、调速性能好、无励磁损耗等诸多优点的新一代电机在当今国民经济 各个领域，如医疗器械、仪器仪表、电动汽车、化工、轻纺以及家用电器等方面 的应用日益普及l l 一。 针对无刷直流电机的控制，国内外学者进行了大量的研究，由模拟电路的控 制到基于单片机、d s p 等微处理器的控制，控制技术日趋成熟。然而随着现代科 学技术的进一步发展，传统的运动控制系统由于其本身特性的限制已不能满足现 代工业和社会发展的需求。归纳起来，具体表现在：封闭式结构；控制软件的兼 容性、容错性和可靠性差；缺少网络功能等方面。 与此同时，i n t e r n e t 技术快速发展、不断成熟，国际上越来越多的研究人员 开始关注基于i n t e m e t 的远程控制系统的研究。i n t e m e t 是世界上规模最大、应用 最广泛的计算机网络，它作为远程控制的技术平台具有自己独特的优点例。因此， 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 随着计算机网络的广泛使用和网络技术的不断发展，运动控制系统的结构逐渐发 生变化，使用专用或公用计算机网络实现传感器、控制器和执行机构等系统组件 之间信息传递的系统，不仅在广域分布式系统( 如大型工业过程控制系统) ，甚 至在小型局域系统( 如新型高性能汽车) 都正在或者将要得到使用【6 j 。在这样的 控制系统中，检测和控制等各种信号均可以通过公用数据网络进行传输，而预测、 控制和诊断等职能也可以在不同的网络节点中分布执行。这种将现场传感器、控 制器和执行器通过网络连接并实现信息交换，从而实现被控对象实时反馈控制的 系统称为网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，简称n c s ) 【”，这一概念到 1 9 9 9 年在w a l s h 等人的文献中正式提出【引。n c s 与传统的点对点结构的系统相 比，具有可以实现资源共享、远程操作与控制，具有高诊断能力，安装和维护方 便，能有效减少系统的重量和体积，增加了系统的灵活性和可靠性等诸多优点， 因此n c s 的研究已成为国际学术界研究的一个热点。 n c s 在通过共享网络资源给控制系统带来了各种优点的同时，也给系统和 控制理论带来了新的机遇和挑战。将通讯网络引入控制系统，使系统的分析变得 非常复杂，n c s 的复杂性是由网络自身的特点所决定的，主要在于【9 1 0 j ： ( 1 ) 网络环境下，多用户共享通信线路且流量变化不规律，这必然会导致 网络延时，同时采用不同的网络协议会使延时具有不同的性质； ( 2 ) 传输数据流经众多计算机和通讯设备且路径不唯一，这会导致网络延 时和网络数据包的时序错乱； ( 3 ) 在网络中由于不可避免的存在网络阻塞和连接中断，这又会导致网络 数据包的时序错乱和数据包的丢失。 而本文以无刷直流电动机为对象，围绕无刷直流电动机和网络技术两方面内 容，主要研究电机控制器的设计、网络技术在控制技术中的应用以及应用时对控 制器性能带来的影响。 1 2 基于网络远程控制的研究现状 随着i n t e r n e t 网的不断发展，远程控制技术广泛应用于邮电、教育、电力、 通讯、银行、医学等各个领域 1 1 - 1 4 1 ，如：远程网络教学 1 5 1 6 1 、家电的网络接入 【 18 1 、远程诊断1 1 9 1 、远程服务【刎，尤其是在i n t e m e t 上基于w e b 的远程控制机 器人领域活跃起来1 2 ”。 1 9 9 3 年美国国家航空航天局( n a s a ) j o h n s o n 航天中心与德州的四所大学 成功地进行了机器人远程分布控制实验。该试验是通过i n t e m e t 在j o h n s o n 航天 中心控制位于t e x a sa & m 大学和t e x a s 大学a u s t i n 分校的机器人，并同时在 a r l i n g t o n 分校和r i c e 大学进行监测和性能分析。1 9 9 4 年美国南加州大学完成 2 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 m e r c u r y 项目：该项目允许远程用户通过w e b 浏览器控制机械手进行文物挖掘 1 2 ”。同时南加州大学在i n t e m e t 上已公布的另一个项目是“t e l e g a r d e n ”：w e b 访 问者可以控制一个a d e p t 机械手进行种植，灌溉花园等活动。与此类似的有英国 b r a d f o r d 大学工业技术系于1 9 9 6 年研制的名为b r a d f o r dr o b o t i ct e l e s c o p e 天文望 远镜。该天文望远镜已在i n t e m e t 对外开放，天文爱好者可以通过w e b 浏览器访 问其主页，控制望远镜的角度和焦距，而且一般可以在第二天在e m a i l 信箱里 收到观测结果。1 9 9 8 年6 月，p u m a p a i n t 被联接到i n t e m e t 上，任何使用者都可 以通过网络控制一台p u m a 7 6 0 机器人在画架上作画。华盛顿大学的t j t a m 等 用游戏手柄通过i n t e r n e t 控制1 0 0 0 k m 以外的p u m a 7 6 0 机器人进行移动与障碍 回避。另外，分布在美国各地的n a s a 的专家们使用p a u lg - b a e k e s 等建造的 w i t s 系统进行火星探路者的任务规划与控制，同时公众可以使用该系统进行虚 拟操作。2 0 0 4 年1 月4 日( 北京时间) 美国的“勇气号”火星探测车在历时半 年多的星际旅行后在火星表面成功着陆，行程1 0 6 亿英里，它发回的照片需9 分钟才能到达地球1 2 6 1 。 与国外相比，我国网络的应用只是限于企业内部网络的建设或i n t e r a c t 的联 接，缺少企业之间横向的联系，尤其是对需要多部门共同合作完成的大型工程建 设和运行期间遇到的故障问题，极少应用远程控制技术来解决。但是，我国的机 械制造业经过几十年的发展，尤其是上世纪8 0 年代末以来的计算机产业的迅猛 发展和普及应用，以及国家8 6 3 高技术发展计划的推动，在许多设备制造企业进 行了以信息技术为基础的改造，已经具备了实现远程控制技术的硬件体系基础。 虽然我国在基于网络的远程控制的研究工作才刚起步，但已取得了一些成果1 2 卜 2 9 1 。然而将电机，尤其是无刷直流电机控制引入网络，在国内研究的还不多。 可见，电机的i n t e m e t 化是控制技术的一个发展趋势，随着i m e m e t 和电机 控制技术的发展，他们必将能够更好的结合，基于i n t e m e t 网络的电机远程控制 系统必将得到迅速的发展。 1 3 论文研究的目的与意义 基于网络的远程控制系统一个显著特点就是空间开放性，即操作者在任何时 候、任何地方，只要能登陆互联网，就能实现对远程设备的控制。此外，基于 i n t e m e t 的远程控制系统还有以下特点【3 叫：实现现场设备层和企业管理层的无缝 连接；控制系统的成本降低：更高的稳定性。这些优点都是目前传统机电控制技 术所无法比拟的。它使得传统的无刷直流电机控制系统摆脱了空间的限制，通过 网络实现了远距离的控制，极大的方便了操作，同时也实现了资源和技术的共享。 采用远程控制系统便于企业集团对所属工厂生产设备的及时监控、诊断和维护， 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 同时这种远程控制还能节省大量用于管理和维护的人力、经费，从而提高经济效 益，并可以实现企业信息网与控制网的有效连接，实现企业的综合自动化。而且 基于网络的远程控制不仅充分利用了现有资源，拓宽了网络的应用范围，还能够 减少远程控制的成本、扩大远程化距离、实现任意节点的访问机制。综上所述， 基于网络的无刷直流电机控制系统的研究为电机控制的空间局限性找到了解决 方案，对于推动运动控制和工业的发展有十分深远的意义。 而本文正是围绕这一研究热点，主要研究无刷直流电动机的网络控制，即在 无刷直流电动机本地控制器的设计基础上，引入网络技术，搭建出远程控制测试 平台。客户端通过网络对电机发送控制命令，而电机的运行状态通过网络反馈给 客户端。这一研究对后续复杂远程控制的研究有一定的参考价值。 1 4 本文的主要内容与文章结构 本论文以无刷直流电动机为研究对象，在学习电机运行原理和网络控制技术 的基础上，主要研究电机控制器的设计和网络技术在电机控制中的应用。文中以 一台4 0 w 的无刷直流电动机为例，分别进行了仿真、基于d s p 的本地控制器的 软硬件设计和远程测试平台的搭建，并对仿真结果，本地控制器的实验结果和远 程测试平台测试的结果进行对比与分析。 第1 章，首先介绍了无刷直流电动机发展和网络控制的研究现状，然后展望 了网络技术用于运动控制的发展前景，最后分析了本文研究的目的和意义。 第2 章，主要阐述电机控制和网络技术的理论基础，包括无刷直流电动机的 运行原理，无刷直流电动机的调速策略，网络控制的概念和特点、网络控制的关 键技术，网络延时以及网络延时补偿方法的分析，最后得出无刷直流电机网络控 制的总体方案。 第3 章，在分析无刷直流电动机数学模型的基础上，建立了无刷直流电动机 本体模型和双闭环控制模型，然后引入网络延时，建立了网络控制模型；分析了 s m i t h 预估补偿和监督控制补偿，分别建立基于两种补偿方法的模型，并进行了 仿真，对仿真结果进行了比较和分析。 第4 章，系统地介绍了下位机基于d s p 的无刷直流电动机控制器的软 硬件设计，并对于4 0 w 的无刷直流电动机样机进行了开环和闭环加载实验，实 验结果表明下位机控制器具有较好的闭环性能。 第5 章，搭建了无刷直流电动机的网络控制测试平台，在此基础上，进行了 开环和闭环实验，通过与第4 章的实验结果的比较，分析了系统在网络环境下的 运行性能。 第6 章，对论文所作工作做了总结，同时对进一步的工作做了展望。 4 西北工业大学硕士学位论文第2 章无刷直流电动机及网络控制的基础理论 第2 章无刷直流电动机及网络控制的基础理论 本系统研究的是基于网络的无刷直流电动机控制系统，这就涉及到两方面的 内容，一方面是电机控制，一方面是网络技术。这两方面的理论知识的掌握对本 系统的研究都具有至关重要的作用。 2 1 无刷直流电动机控制的相关技术研究 2 1 1 无刷直流电动机的基本结构及工作原理 无刷直流电动机的基本组成包括电动机本体、控制器和转子位置传感器三部 分3 ，如图2 1 所示。 图2 一l 无刷直流电动机构成框图 其中无刷直流电动机的电机本体在结构上与永磁同步电动机相似，永久磁钢 装在转子上，电枢绕组装在定予上，定子绕组一般制成多相( 三相、四相、五相 不等) ，转子由永久磁钢按一定极对数( 2 p = 2 4 ) 组成。位置传感器与电动 机转轴连接，随转子一起转动，用于获取转子位置信号。 控制器由电子换相电路和控制电路组成，用来控制电动机定子上各相绕组通 电的顺序和时间。而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的转 子位置信号，转子位置传感器检测转子磁极相对于电枢绕组轴线的位置，控制电 路对转予位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制信号，经过驱动电 路放大送至逆变器各功率开关管，将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷直流 电动机定子上各相绕组，从而控制电动机各相绕组按一定顺序通电，在电机气隙 中产生跳跃式旋转的电枢磁场，该电枢磁场与永磁体励磁磁场相互作用，产生电 磁转矩，带动电动机转子旋转。 下面结合图2 2 、图2 3 以二相导通星形三相六状态无刷直流电动机为例 说明其工作原理。 西北工业大学硕士学位论文第2 章无刷直流电动机及网络控制的基础理论 图2 2 无刷直流电动机系统图 ( a ) ( b ) 图2 3 无刷直流电动机工作原理示意图 当转子稀土永磁体位于图2 3 ( a ) 所示位置时，转子位置传感器输出磁极 位置信号，经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管v l 、v 6 导通， 即绕组a 、b 通电，a 进b 出，电枢绕组在空间的合成磁势只如图2 - 3 ( a ) 所 示。此时定转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动。电流流通路径为：电源 正极一v l 管一a 相绕组一b 相绕组一v 6 管一电源负极。当转子转过6 0 0 电角度， 到达图2 3 ( b ) 位置时，位置传感器输出信号，经逻辑变换后使开关管v 6 截 止，v 2 导通，此时v l 仍导通。则绕组a 、c 通电，a 进c 出，电枢绕组在空间 的合成磁场如图2 3 ( b ) 中e 。此时定转子磁场相互作用使转子继续沿顺时针 方向转动。电流流通路径为：电源正极一v 1 管一a 相绕组一c 相绕组一v 2 管一 电源负极，依次类推。当转子继续沿顺时针每转过6 0 。电角度时，功率开关管的 导通逻辑为v 3 v 2 一v 3 v 4 一v 5 v 4 一v 5 v 6 一v 1 v 6 ，则转子磁场始终受到定子合 成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动。 2 1 2 无刷直流电机的调速策略 无刷直流电动机电压平衡方程式为： u 一2 a u = e + 2 1 0 r o ( 2 1 ) 式中u 电源电压；u 开关管的管压降；e 电枢感应电势； 6 寓 枣 西北工业大学硕士学位论文第2 章无刷直流电动机及网络控制的基础理论 j 。每相绕组电流；每相绕组电阻。 而电枢感应电势的表达式为： e=ceon(2-2) 式中e 电势常数；中每极磁通；拧转速 把式2 2 代入式2 一l ，得出转速公式： 刀；u - 2 a u - 2 1 n r o ( 2 3 ) 刀= 一 、z j j e 中 式2 3 表明无刷直流电动机的速度公式与普通直流电动机的相似，同样应 该有三种调速方式： ( 1 ) 在电枢回路中串联调节电阻调速：这种调速方式是从基速向下调速， 机械特性较软，串入的电阻愈大，机械特性愈软；在低速运行时，转速的稳定性 较差；不能实现连续调速；调速时功率损耗大；只适用于调速性能要求不高的中、 小电机上。 ( 2 ) 降低电源电压u 调速：此调速方法也是从基速向下调速，可以实现平 滑无级调速，转速稳定性好，调速范围大。 ( 3 ) 弱磁调速：即改变主磁通巾，可以实现平滑无级调速，但调速是从基 速向上调速，并且转速的最大值受换向能力与机械强度的限制。 由于改变电枢电压调速方法具有恒转矩特性的大调速范围，因此大多数应用 场合使用此种调速方法，但是有的系统由直流稳压源供电，电源电压是不直接可 调的，这就需要用脉宽调制的方法来达到调节电压的目的。 脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，简称为p w m ) p 2 l 控制就是一种对脉冲 宽度进行调制的技术。p w m 控制利用大功率开关特性，使逆变电路中的m o s f e t 管导通和断开，通过改变“导通”与“断开”时间的长短，来改变平均电压眈的大 小，从而达到调压调速的目的。u 。的计算公式如式2 4 所示。 u 一生u ： ( 2 4 ) o t f l , u + + 2 0 autt 式中 导通时间，f ：断开时间，口= 兰占空比，变化范围为 0 s 口1 。 在p w m 调速时，占空比口是一个重要参数，它直接关系到平均电压的大小， 理论中由三种改变口的方法【3 3 】：定宽调频法：保持t ，不变，只改变t ：；调宽调频 法：保持t ：不变；只改变t ，；定频调宽法：保持周期r 不变，同时改变t ，、t 2 。 前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期，当控制脉冲的频率和系统的固 有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法用的很少。因此在实际运用中一 般选择定频调宽法。 7 西北工业大学硕士学位论文第2 章无刷直流电动机及网络控制的基础理论 三相永磁无刷直流电机工作于两两开通方式( 1 2 0 0 导通方式) 时，常见的 p w m 调制有六种方法1 ：1 ) 上斩下不斩：即三相全桥的上管采用p w m 调制， 而下管采用恒通的方式；2 ) 下斩上不斩：即上管恒通，下管进行p w m 调制；3 ) 前通后斩：即每个管子在开通的1 2 0 0 电角度的过程中，前6 0 0 先恒通，后6 0 0 采用p w m 调制；4 ) 前斩后通：和第4 ) 种方法相反，即前6 0 0 电角度进行p w m 调制，后6 0 0 为恒通方式；5 ) 上下都斩：即不管上管还是下管，每个管子都采 用p w m 调制；6 ) 上下恒通：在导通的1 2 0 0 电角度内不进行p w m 斩波，一直 保持恒通状态。 六种调制方式进行比较，从开关损耗看，前四种工作方式只有一个开关管进 行p w m 斩波调制，而第五种有两个开关管同时斩波调制，因此开关损耗是前四 种的两倍。从逆变器输出电压极性的角度来看，前4 种属于单极性p w m 调制方 式，5 ) 属于双极性p w m 调制方式。一般认为，在单极性调制方式下，电流脉 动小，在双极性调制方式下，电流脉动大。而6 ) 所采用的调制方式，对于已给 定的直流母线电压，不能实现调速，在不增加直流调压电路的情况下，一般不能 采用这种调制方式。 综合考虑，本系统选择定频调宽的p w m 法来进行调压调速，并且在斩波方 式上，选择的是“上斩下不斩”的方式。 2 2 上位机一基于网络远程控制的相关技术的研究 将无刷直流电机控制器接入网络，进行网络控制，则系统的运行性能不仅受 到本地控制器性能的影响，更多的受到网络因素的制约。控制电机的指令或电机 的运行数据在传感器、控制器、执行器之间通过网络来回传送，不可避免的受到 计算机设备处理能力的限制或网络带宽、网络流量等各方面的影响，这都将造成 系统控制的不稳定。因此充分掌握网络控制技术的理论知识，对实现电机的网络 控制是很有必要的。 2 2 1 网络控制的概念与特点 远程控制就是将控制器与被控对象在地理位置上分开，采用一定的通信手段 来实现控制信息和反馈信息的传输。远程控制的方法很多，所采用的通信手段也 多种多样，如i n t e m e t 、计算机总线、异步串行通信、微波技术、局域网等。 远程控制系统的空间示意图如图2 4 所示，它反映了远程控制系统的主从 式结构。系统“空间”被分为两部分：主控端和从属端。主控端在远程环境中，它 包括操作者和远程设备；从属端在本地环境中，它包括本地设备和本地工作台； 西北工业大学硕士学位论文 第2 章无刷直流电动机及网络控制的基础理论 主控端和从属端之问由通信信道相连。操作者的任务或操作指令经由远程设备、 通信信道和本地设备作用于本地工作台，从本地工作台反馈的信息经过上述环节 反向传输给远程操作者。 图2 4 远程操作系统的空间示意图 本文主要研究的是基于i n t e m e t 的远程控制，因此将i n t e m e t 作为两端的通 信信道，构成了基于i n t e m e t 的远程控制系统。基于i n t e m e t 的远程控制系统的 结构图如图2 5 所示，其中i n t e m e t 作为一个信息传输的环节被引入到控制回 路的前向通道和反馈通道中。i n t e m e t 中传输的是系统的实时运动信息，在一定 周期下进行采样，可以获取系统实时的运动量信息，并实现对系统的实时控制和 监测。 图2 5 基于i n t e m e t 的远程控制系统的结构图 i n t e m e t 是世界上规模最大、应用最广泛的计算机网络，所以它作为远程控 制的技术平台具有以下特点 3 5 1 ： ( 1 ) i n t e m e t 网络设施提供了价格低廉的通信线路，将现场设备的数据采集 和t c p i p 通讯功能集成在一起，结构简单，体积小，且大大降低了远程控制系 统的成本。 ( 2 ) 具有很大的灵活性，不受地理条件的限制，一般可以在采用t c p i p 协 议充分享有现有的网络资源。 ( 3 ) 监控端和现场控制部分都以计算机为基础，不受一些硬件关键技术的 影响，维护费用小，可靠性高。 9 西北工业大学硕士学位论文第2 章无刷直流电动机及网络控制的基础理论 2 2 2 网络控制的关键技术 将现有的i n t e m e t 网络技术进行设备的远程控制，不同于其他远程控制系统。 i n t e m e t 网络技术已经取得了很大的进展，例如传输声音、图像不在是难事，但 是在工业控制上，它还存在着一些需要解决的问题，主要有以下几个脚3 9 j ： 实时性问题： 基于t c p i p 协议的i n t e r n e t 注重的是信息传递的准确性和传输的信息量， 并不注重实时性，所以在其传输通道上存在信息传输的延时问题。而且，i n t e m e t 上的传输速率由于传输数据量的大小和网络负载的状况而波动很大，造成延时还 具有不确定性、大延时和数据包丢失等问题。延时及其引起的这些问题会造成系 统不稳定，甚至根本无法控制。实时性问题是基于i n t e m e t 的远程控制所存在的 最主要、最难解决的问题l 柏】。 可靠性问题【4 1 】： i n t e m e t 是由很多子网连接起来的复杂系统，数据包在传输过程中可能丢失 或被窜改。在基于i n t e m e t 的远程控制系统中，数据包中的控制命令能否通过 i n t e m e t 准确地传达及控制结果能否准确地返回都十分关键，但i n t e m e t 的复杂性 使它很难保证数据传输的可靠性。为此可采用在通信时加强加密和校验，及对重 要数据采用多次重复发送等方法来提高系统的可靠性。 网络安全性： 数据按t c p i p 协议在网络上传输，口协议具有效率高、成本低、功能强大 等优点，但是伪造i p 地址、篡改i p 数据报的内容也比较容易实现，这就意味着 在通讯线路上数据信息很容易被窃听、泄漏、篡改和破坏。为了保证数据信息在 网络传输时的安全，采取一些保护措施是必要的。随着i n t e m e t 的应用越来越广， 其安全问题也越来越突出，目前的主要解决方法有：( 1 ) 加装防火墙；( 2 ) 采用适 当的加密方法，防止网络传输的敏感或机密信息被非信任方截获，常用的有链路 加密、节点加密等；( 3 ) 加强身份确认，防止第三方盗用通讯双方中的某一方的 身份进行控制，它包括一些常用的算法：数字签名标准( d s s ) 算法、 m d 4 ( m e s s a g e - d i g e s ta l g o r i t h m4 ) 、m d 5 ( m e s s a g e - d i g e s ta l g o r i t h m5 ) 等，其中 常用的方法是数字签名标准。 传输效率问题【4 2 】 在远程控制中，传输的控制信息一般都是一些短小的控制命令或设备状态信 息，而i n t e m e t 是传输大量数据的网络，它以数据包的形式来传输。所以，在传 输的数据包中，实际需要传送的控制信息远比包中各种其他的信息要少很多，就 好像“大马拉小车”一样，结果导致效率很低。 1 0 西北工业大学硕士学位论文第2 章无刷直流电动机及网络控制的基础理论 2 2 3 网络延迟的分析 由2 2 2 节的分析可知实时性是远程控制所存在的最主要问题，网络延时是 影响实时性的关键因素 4 3 4 4 】。它根据不同的分类分法，可以分成不同的组分。 ( 1 ) 从延时分布的时间上分，把系统的网络延时分为4 个部分。t ：从远 程端到本地端之间的传输反馈信息的延时；t ，：本地操作者作出控制决定的时间； t ，：从本地端到远程端之间的传输控制信息的延时；t ：远程端完成一个基本动 作的执行时问。系统总的延时是r ，则有t = t 。+ f ：+ + r 4 。 ( 2 ) 从延时的性质上来分，可将网络延时分为4 个部分。r ：为通信延时， 包括通信初始化时间和在介质中的传输时间。传输时间随距离的增大而增大，而 且传输过程中路由选择的不同会使信息延不同的线路传输，从而导致传输时间的 可变性和不可预测性。咒：为执行延时，包括控制指令的解释、计算、执行时 间、现场图像的处理时间及仿真图像的运行时间等。瓦：为数据延时。传输时间 随传输数据量的增大而增大，这就与传输介质的带宽有很大关系，高效的数据压 缩技术和良好的通信通道有助于解决这一问题。l 为扰动延时，主要指传输中不 可预测的扰动，如信息丢失或信息次序的混乱等。系统总的延时 t = 瓦+ 耳+ r o + 瓦 ( 3 ) 从网络延时的本质出发，将单向的延时用厅表示，它可以表示为前 向延时或反馈延时，即把厅( f ) 分成3 个部分，表示为_ l l ( f ) = + ( f ) + h b ( t ) 。其 中，见为传输延时。它是指不存在干扰，仅仅将信号从源地址发送到目标地址 这段物理传输过程中所用的时间。它的值通过实验方法来确定，一般不随时间而 改变。h 。为扰动延时。它表示与预期的延时之间的偏离，它的产生是由于未知 的扰动，甚至是信息的丢失。为基于h 。的一个阶跃函数。因为数据交换是离 散的，所以交换的具体时刻所对应的扰动延时就对应到了函数。为带宽延 时。因为信息以有限速率b 进行交换，所以相应的可变延时就产生了。延时玩是 锯齿函数，满足= 1 b h b ( f ) 0 。b 的值取的大，当然使信息交换的更快，减 小系统的延时，但可能会使传输系统过载，导致数据的丢失，甚至可能过早关闭。 基于i n t e m e t 的网络延时具有不确定性的特点，而正是这种不确定的延时使 得远程控制过程变得比较困难。网络延时的不确定性的原因主要有以下几个方 面： ( 1 ) 因为有大量的用户共享i n t e m e t ，而且连接到i n t e m e t 上的每台计算机 的流量、数据包调度、路由策略都有所不同，所以i n t e m e t 的通信状态时刻在变。 ( 2 ) 负载的不确定性变化是网络延时变化的不确定性的主要原因。i n t e m e t 上多个通信结点共享通信信道资源，每个数据包在传输过程中都会经过许多个计 西北工业大学硕士学位论文第2 章无刷直流电动机及网络控制的基础理论 算机结点控制着来自不同数据源的数据包，对它们进行排队，并路由到离目的最 近的结点。当网络中的数据量突然增大时，将造成其经过的路由器的负载增大： 一种情况是数据排队等处理的时间增长，造成路由器处理延时的增大；另一种情 况，当路由器的负载超过其处理能力时，将对随后到达的数据包丢弃或将它们路 由到负载较低的路由器上。若数据包被丢弃，将造成数据包的重发，这样会导致 数据延时的瞬间增大；而动态路由的策略也增大了传输延时，并增强了延时的不 确定性。这样，就在数据传输中引入了不确定的延时，该延时可能随传输距离、 随穿过结点的数量和各个结点的传输策略而变化。 ( 3 ) 在网络传输中，大的数据包会被分解成更小的部分进行传输，而且数 据可能会在发送前压缩并在接收后进行解压缩。这也是引起延时不确定的一个因 素。 ( 4 ) 使用t c p p 协议时，当数据传输出现错误时，数据会重发直至正确的 数据被接收，这种情况也会促使偶然的、不确定的延时产生。 2 2 4 网络延迟的补偿方法 把网络引入无刷直流电动机控制器中，相当于在控制系统的前向通道和反馈 通道都引入了i n t e m e t 这个信息传输环节，所以不可避免的在控制回路中产生前 向延时和反馈延时，如图2 6 所示。 厂一一= 二= = i 广一一一一一一i i = = = = 广一一一一 制釜盯匦刊垫阎 i l i i i ii i i l ：l + 卜压堕丑 卜叫 远程计算机因特阿本t l k l , i - f - # t 被控对象 图2 - - 6 带有延时环节的远程控制系统 由于延时的存在，系统的前向通道和反馈通道就不能保证系统正常、稳定的 工作。前向通道的延时就相当于被控设备在这段时间内没有接受到任何的控制信 息；而反馈通道的延时相当于这段时间内系统没有负反馈，所以就和开环系统一 样，容易导致系统发散。而且，由于系统中有延时，控制信息不能实时地传递给 被控设备，输出信息也不能实时地反馈给控制器，从而使整个系统的稳定性和过 渡过程性能变差，信息传递的连续性遭到破坏，系统输出相应严重变形。因此如 何进行网络延时补偿成为网络控制实时性的关键。 针对远程控制中的网络延时问题，主要有两个方面的解决方法：一方面是从 网络技术入手，采用合适的网络算法和交换技术，直接减少网络中的延时；另一 方面是从控制方法入手，在网络延时存在的前提下，通过采用某些控制理论和控 西北工业大学硕士学位论文第2 章无刷直流电动机及网络控制的基础理论 制方法，来消除延时对系统带来的不良影响。这里主要介绍通过控制技术来补偿 网络延时的各种方法1 4 5 4 7 1 。 l 、预测控制 预测控制技术是通过在控制器端建立被控对象的仿真模型，根据无延时的虚 拟反馈发送超前的控制信息，来达到消除延时影响的目的。预测控制的原理是， 操作者的控制命令在发送给远程端被控设备之前，先输入给本地的仿真模型，仿 真模型就可以预先显示出模拟的执行结果，而操作者观察到的实际的系统输出与 模型的仿真的结果一致，只是有一段时间的延时。因此在引入了预测控制时，操 作者不需要等待反馈信息，可以连续地执行任务，保持控制的速度。 2 、基于事件的智能控制 基于事件的智能控制理论的基本点就在于引入了一个不同于时间的新的运 动参考量，这个变量随控制过程的进行而更新。原理框图如图2 7 所示。 图2 7 基于事件的智能控制系统的原理框图 图中s ( 玎) 为事件参考，行为规划模块根据本地操作者的要求y ( j ( 栉) ) 与远程 端反馈状态y ( j ( 以) ) 来规划系统的参考输入，当一个事件被处理完后再生成下一 个事件s ( n + n 。系统的理想输出是事件参考的函数，在系统运行过程中，通过 行为规划模块实时修正系统的目标输出值，使得系统规划过程成为实时过程，具 有自适应的特性。系统所传递的信息是传感器所感知的信息，仅与被控设备当时 的任务执行情况有关而与时间无关，这样就巧妙地避开了由于延时所引起的信息 传递不准确所带来的问题。在控制过程中，被控设备在没有获得操作者的下一指 令之前一直处于静止状态，系统实际上假定被控设备的静止代表着其运动环境也 不发生改变，不过在越来越广泛的应用中，要求被控设备在动态变化的、非结构 的环境下完成特定任务，原有的基于事件的远程控制方法显然难以简洁的描述这 样复杂的系统，因此有待改进。 3 、监督控制 “监督控制( s u p e r v i s o r yc o n t r 0 1 ) ”的概念最早是由f e r r e l 和s h e r i d a n 于1 9 6 7 年提出的，最初是研究用以解决空间远程操作中传输延时问题的p 5 1 。在传统的 带有延时的远程控制中，操作者必须始终保持在主控端，由最早的“移动等 西北工业大学硕士学位论文 第2 章无刷直流电动机及网络控制的基础理论 待”策略发展而来的各种直接控制方法，都只是对“移动等待”策略的不同 程度的改善，操作者仍然必须提供持续的在线控制。而且，对于长时间的延时， 实时的进行远程控制也不是可行的办法，因为即使能够保证稳定性，操作者也还 是无法保证远程端在紧急情况下能接收到及时的控制命令，所以出现了监督控 制。监督控制的基本思想就是将操作者置于控制结构之外，使其避开了持续控制； 并且绕开了传输延时，减小了延时对整个系统的影响。目前它已经成为解决远程 控制中延时问题的一种重要方法，在许多领域都得到了广泛的应用，特别是在存 在着长达几秒甚至几十秒延时的空间与深海远程控制系统中。例如，1 9 9 3 年在 哥伦比亚太空飞船上远程控制r o t e x 的实验中，在解决延时问题时就用到了监 督控制。 4 、s m i t h 预估器的补偿控制 s m i t h 预估器的补偿控制是最早用来控制具有固有延时的工业过程的方法， 它一直被研究人员所关注。基于i n t e r n e t 的远程控制系统在前向通道和反馈通道 都存在着网络延时