（控制理论与控制工程专业论文）数字化交流电机智能控制系统的研究.pdf

摘要 本论文结合“基于d s p 的交流电机实验控制系统”实际科研项目，开发出 基于d s p 的全数字交流电机实验控制平台，给出了该系统平台的软硬件设计方 案，该系统使用工控p c 机对下位机d s p 进行实时控制，在d s p 中依据选定的电 机控制策略程序，发出空问矢量脉宽调制形式的电压波形，实现对交流电机变 压变频控制；在上位机中能实时查看变量波形，并对d s p 内存变量进行修改， 在该平台上能方便的使用软件实现各种高性能的电机控制算法。本文就在该平 台上进行了矢量控制的实验研究。其次，由于安装速度传感器有很多不便，本 文提出了一种p i 控制器与模型参考自适应( m r a s ) 结合的无速度传感器矢量控 制算法，这种算法的计算量不大，速度估算范围较宽。然而由于感应电机数学 模型复杂，具有非线性、时变、耦合等特点，仿真结果表明使用p i 速度控制器 的系统性能不是很理想，其性能受参数变化、外部扰动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，一旦系统参数动态变化或 受到外部不确定性因素的影响时，系统性能仍将受到影响。因此论文将模糊控 制和具有优越动态性能的递归神经网络结合起来，取长补短，提出了一种递归 模糊神经网络控制方法，利用神经网络来实现模糊推理，可动态的调整隶属函 数的形状、位置以及神经网络递归权值，并对其与p i 控制器的交流调速控制系 统进行了仿真比较，仿真结果表明与普通的p i 控制器相比较，递归模糊神经网 络控制器有较好的动态性能，控制器的收敛速度快、静差小，系统在遇到参数 发生变化和外部不确定性问题时鲁棒性、抗扰动性有明显的提高。 关键词：交流调速系统、矢量控制、无速度传感器、递归模糊神经网络、数字 信号处理器( d s p ) 。 a b s t 陷c t t h i s p a p e ri n v e s t i g a t e s 协ei n d u c t i o n m o t o rm i l d i g i t “a c 丘e q u e n c y c o n v e r s i o ns y s t e m ，a n dd e v e l o p sa na cm o t o ro 币e r i m e n tp l a t f o mb a s e do nd s p t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，t h es o f 【w a r ea l l dh a r d w a r ei m p l e m e m a t i o no ft h es y s t e mi sd i s c u s s e d i nd e t a i l t h ei n d u s t r yc o m p u t e rc o m r o l st h ed s pt oo u t p u tt h es p a c ev e c t o rp u l s e w i d t hm o d u l a t i o nv o l t a g ew a v e ( s v p w m ) o m ot h ei n d u c t i o nm o t o ru s i n gt h i s s o f h v a r ew ec a nv i e wt h es t a t ev a r i a b l ew a v e f o r t no nt h ep ca n dm o d i f - yt h ev a f i a b l e i nt h ed s pm e m o r y i nt h em e a n w h n e ，w ec a l lp u tt h ev 撕e da d v a n c e dm o t o rc o n 仃o l m e t h o di m op r a c t i c eo nt h i sp l a t f o m h lt 1 1 i sp a pe r w eh a v ef i n i s h e dt h ev e c t o r c o m r o le x p e m e n t so nt h i sp l a t f o 哪 t h e l l t h ep a p e rd i s c u s s e st h ei m p l e m e n t a t i o no fan e w1 ( i n do fr o t o rn u xa n d s p e e do b s e r v e rb a s e do nam o d e lr e f e r e n c ea d a p t 沁es y s t e m m r a s ) ，a n das p e e d s e n s o r - l e s s 丘e l d o d e m e dc o n t r o l 口o c ) s y s t e mu s i n gp ic o m m l l e rf o ri n d u c t i o n m o t o ri sp r e s e n t e d t h em a t hm o d e lo f t h ei n d u c t i o nm o t o ri sn o n l i i i e a f ，t i m ev a r y i n g 柚dc o u p l e d ，疗o mt l l es i m u l a t i o nr e s u h s ，w ew i l lf i n dt h ep e r f b n i l a n c eo ft h es y s t e m u s i n gh c o n 仃0 1 1 e ri sn o ti d e a lb e c a u s ei ti si n n u e n c e db yp a r a m e t e rv 撕a t i o n s 柚d e ) 【t e m a ld i s t u r b a n c eo ru n c e r t a i n t y s ot h ep a p e rc o m b i n e dt h e 如z 2 yl o g i cc o 眦r o la n d f e c u r r e n tn e u r a ln e 研。咄a n dt h er e c u r r c n t 缸珂n e w 司n e 咖r k 限f n n ) c o m r o l l e r i si n t r o d u c e di m ot h e 印e e d s e n s o f l e s sv e c t o fc a n t r 0 1s y 髓e mm o r e o v e f a no m i n e p a r a m e t e r 缸a i l l i n gm e t h o d o l o g y ，w h i c hi sd e r i v e d 丘o mt h el y a p u n o vs t 曲i l i t y t h e o r e ma i l dg r a d i e md e s c e mm e t h o di sp r o p o s e dt oi n c r e a s et 1 1 el e a n 虹n gc a p a b i l i t y o ft h er 卧nt h er d c o n t r o l l e rl l a sab e t 【e rp e r f o 唧a n c et h a i lt h ep ic q l l 仃o l l e r s y s t e m ；t h ee f i 宅c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dc o n t r o ls c h e m ei sv e r i f i e db ys i m u j a t i o n r e s l l l t s k e y w o r d ：竹l es p e e dr e g u l a t i o no fa cm o t o f ，f i e l d o 哟m e dc o n t r o i ，s p e e d s e n s o r l e s s ， r e c u r r e n tf u 珂n e u r a ln e m f k ，d s p 湖南大学硕士学位论文 第一耄绪论 近年来，交流电机驱动在工业中得到了非常广泛的应用【l 】。在这些应用中， 大部分要求控制电机或机械执行机构的位置、转矩和速度。电机控制系统主要分 为速度控制和位置控制两大类，通常运动控制可以定义为位置、速度、转矩的高 精度伺服控制 1 】。本文重点研究了交流电机矢量控制系统的实现及电机实验控制 平台开发、无速度传感器驱动系统、交流调速控制系统的智能控制方法及其应 用。本章简单回顾了交流调速系统的发展、自动控制理论发展、异步电机控制策 略、智能控制理论在交流调速中的应用，并阐述了智能控制理论应用于交流调速 系统的目的和意义。 1 1 交流调速系统发展概况 众所周知，直流电机具有优越的调速性能，然而由于换向器的存在，使其 使用寿命缩短，维护工作量大。因而近年来人们对交流电机的调速进行了深入广 泛的研究。7 0 年代以来，电力电子技术和自动控制技术飞速发展，使得交流调 速性能可以与直流调速相媲美。目前，电力电子器件正向大功率化、高频化、模 块化、智能化发展，全控型高频率开关器件组成的s p w m 逆变器及其专用芯片 i p m 已经得到了普遍应用，且新型的变频技术如磁通跟踪型p w m 逆变器、电流 跟踪型p w m 逆变器及最新研究出的谐振型逆变器已经开始在工程中得到应用， 并取得了很好的效果。高性能的交流电机控制策略如矢量控制、直接转矩控制已 经在工程中得到实际应用u “。 工业电气传动系统一般指的是速度控制系统，而位置控制国际上一般称为 运动控制或伺服系统，伺服控制对系统控制要求一般较高一些，现在应用非常广 泛。 由于交流电机控制具有种种优点，近年来它一直是国外很多大公司、大学 研究开发的热点，目前国内外有关研究工作正围绕以下几个方面展开。 1 1 1 采用新型电力电子器件和脉宽调制控制技术 电力电子器件是实现弱电控制强电的关键所在，目前电力电子器件正向高 电压、大功率、高频化、组合化、智能化方向发展。功率器件及变频技术是建立 数字化交流电机智能控制系统的研究 在电力电子技术基础之上的。在低压交流电动机的传动控制中，应用最多的功率 器件有g t o 、印t 、i g b t 以及智能功率模块m m ( i l l t e l i i g e mp o w e rm o d i l l e ) ，后 面两种集g t r 的低饱和电压特性和m o s f e t 的高频开关特性于一体，是目前通 用变频器中使用最广泛的主流功率器件。i g b t 集射电压v c e s t a r t m o 血。哟； 调用脚e g i i l n 鹏a d 函数起动线程，线程控制函数为c o 删n p r o c ( ) ，线程 成功起动函数将返回t r i 厄。 b o o lc d 印c u d o c ：s t a i m i o i l i t o 哟 i n - p n l r e a d = 址l ( b e 曲闻m a d ( c o m i n p r o c ，t h j s ，聊t e a d _ p i u o 耻t y _ n o r m a l o ，c r e a 7 1 1 三一s u s p e n d e d ，n u l l ) ； i 坟m _ p n a d n u l l ) c l o s e h 卸d l e ( m - h c o m ) ； 形n 】mf a l s e ； 1 e l s e m b c o n n e c t e d = t r u e ； mp t h r e a d r e s 啪e t l l r e a d o ； 启动线程运行 ) 蛐t r u e ； 在线程控制函数中监视串口，监视事件为e vr x c 弛娘，使用 w a i t c o 叫i l e v e r l t o 函数等待接收到任何数据并放入接收缓冲区这一事件的发生。 为同步d s p 发送图形数据的时间，发送前先进行握手。监视接收到d s p 发送数 据请求信号后，向d s p 发送数据接收就绪信号，等待再次监视事件发生即为图 形数据，r 髓d f i l e 函数读串口数据到文档类b u f 数组，并调用s e n d m e s s a g e 发送 消息通知视图响应。 u i n tc o 删【i l p r o c ( l p v 0 mp p a r a 】m ) ( c d s p c t l d o c + p d o c = ( c d 啷d o c + ) p p a r 锄； 塑堕查兰璺主兰垡笙茎一 d w o r dd w m a s k = o ，d w e r r d r f l a g s ，d w l e n g t l ； u n s i g n e dc h a r ) 【2 2 】； d w o r dn n ： x 2 0 = o x 9 9 ； w l m e ( p d o c m - b c o 皿e c t e d ) 一直监视串口设备，直到串口连接被挂断 i f ( w a i t c o m m e v e n t o p d o c l h c o m ，d 、栅v i a s k ，n u l l ) ) f n 啪= 1 ； r e a d f i l e ( p d o c - i r l _ h c o m ，p d o c b u n 啪，& 肌nn u l l ) ； i f ( p d o c 讪u f 【0 】o x 9 9 ) f d w m a s k = 0 ；设置的串口监视事件 p u 玛e c o r 衄0 d o c - r r l h c o m ，p i 瓜g e a b o r t i p u r g er x a b o r t i p u r g e j x c l e 阚p u r g e r x c l e a r ) ；腈除输入、输出缓冲区 p d o c w 血e d a t a ( 】( 2 ，1 ) ；发送开始传送数据 c o m s t a tc o m s t a t ： p u r g e c o m m ( p d o c m c o 啦p u r g e d 己a b o r 训 p u r g er x a b o r t i p u r g e j x c l e a r i p u r g e j c l e a r ) ； i 坟w a i t c o m r n e v e z l t ( p d o c 呻c o m ，d w m a s l ( ，m 几l ) ) ( s l e c p ( 1 2 0 ) ； 等待读入数据计数 c l e a 疋o m m e r r o r ( p d 0 c - m - h c o m ，& d w e r r o r f l a g s ， c o m s 诅t )； d w l e l l g t h 二c o m s 诅t c b h l q u e 腧入缓冲区有多少数据? r c a d f i l e ( p d o c m h c o m ，p d o c - b u d w l e n g 吐l ，& d 、儿e n g t l ，m 几l ) ；读入数 据p 、l r g e c o m m ( p d o c m c o m ，p u r g et x a b o r t l p u r g e - r ) ( a b o r t i p u r g e 7 c l e a r i p u r g er x c l e a r ) ； ) s e n d m e s s a g e d o c r r i j 汀e 皿w n 也w mc o 删o n f y ，0 ，0 ) ；) ) d w m a s k = o ；清除设置的串口监视事件 r c t i l m 0 ： ) 最后，在视图的用户定义消息处理函数中调用0 1 1 e r a w l _ m e 进行绘图。 l r e s u l tc d s p c t l v i e w ：o r l c o n l r n n o d 母( 、肿a r a mw p a 】国m ，l p a r a ml p 卸f a m ) 0 i l 【) 豫w i i l l e 0 ；矾固用绘图函数绘制曲线 托咖l o l 1 数字化交流电机智能控制系统的砑宠 3 4 3 3 下位机通讯软件设计 下位机采用查询方式实现与上位机的通讯，当工控机发来启动运行命令 时，程序在定时中断程序的缓冲区中存储须发送的变量数据，当缓冲区存满后， 向上位机发送传送数据命令。上位机的辅助线程一直监视串口通讯状态，当其发 现串口传来d s p 要求开始传送数据的命令，马上向d s p 发送可以开始传送数据 的握手命令。下位机开始把缓冲区中的所有数据传到上位机中。详细通讯流程可 以参见图3 1 3 。由流程图可见，下位机通讯与上位机通讯密切相关，一环扣一 环。数据存在数据缓冲区中的部分程序如下： t r a n sl d p # 0 4 h l a c cs h o w 砌e xs h o 、i i l d e x 为存储计数变