重復(fù)控制在永磁電機(jī)低速控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì).docx

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重復(fù)控制在永磁電機(jī)低速控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì) 摘要：隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、電機(jī)控制理論以及稀土永磁材料的快速發(fā)展，永磁同步電機(jī)（P M S M ）得以迅速使用。除了具有一般同步電機(jī)的工作特性以外，永磁同步電機(jī)還具有效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、維修性好等特點(diǎn)。因此，廣泛應(yīng)用于柔韌性制造系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、辦公自動(dòng)化、數(shù)控機(jī)床以及航空航天等領(lǐng)域。由于永磁同步電機(jī)是一個(gè)非線性、多變量、強(qiáng)藕荷的系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的 P I D 控制方法很容易受電機(jī)參數(shù)變化和負(fù)載擾動(dòng)等不確定因素的影響。為了提高控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，可以采用新型控制理論和智能控制理論代替 PID 控制，比如滑模控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等。本文將分析重復(fù)控制用于永磁電機(jī)低速控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞:重復(fù)控制；永磁電機(jī)；低速控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)原理 Abstract:with the rapid development of power electronic technology, microelectronics technology, motor control theory and rare earth permanent magnet materials, the permanent magnet synchronous motor (P M S M) can be used quickly. In addition to the general characteristics of synchronous motor, permanent magnet synchronous motor has the advantages of high efficiency, simple structure, small inertia, good maintainability and so on. Therefore, it is widely used in flexible manufacturing systems, industrial robots, office automation, CNC machine tools and aerospace, etc.. Because of the permanent magnet synchronous motor is a nonlinear system, multivariable, strong coupling, using the traditional P I D control method is easily affected by motor parameter variations and load disturbances and other uncertain factors. In order to improve the dynamic and static characteristics of the control system, the new control theory and intelligent control theory can be used instead of PID control, such as sliding mode control, neural network control, fuzzy control and so on. In this paper, the repetitive control is used to design the low speed control system of permanent magnet motor. Key words: repetitive control; permanent magnet motor; low speed control system; design principle 目 錄 摘要 I 關(guān)鍵詞 I Abstract: I 一、 緒 論 1 （一）課題研究的背景及意義 1 （二）永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 二、 重復(fù)控制系統(tǒng) 2 （二）重復(fù)控制發(fā)展現(xiàn)狀 2 （二）重復(fù)控制研究 3 三、 永磁同步電機(jī)低速控制系統(tǒng) 4 四、 重復(fù)控制在永磁電機(jī)低速控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì) 5 （一）重復(fù)控制方法是通過(guò)內(nèi)部模型作為基礎(chǔ)而運(yùn)行 5 （二）仿真波形分析 6 結(jié) 論 7 參考文獻(xiàn) 8 致 謝 9  一、 緒 論 （一）課題研究的背景及意義 一個(gè)國(guó)家的綜合實(shí)力如何，可以通過(guò)觀察其國(guó)家的航空航天事業(yè)的水平來(lái)確定。在人類的發(fā)展歷程上，人們不斷研制出各種航天器進(jìn)行太空探索活動(dòng)。初期時(shí)，類似于導(dǎo)彈，火箭，或各種航天器的飛行器，其研發(fā)制造過(guò)程中，需要進(jìn)行多次試飛以確定研制過(guò)程中所涉及的大量技術(shù)參數(shù)。多種航天器在試飛的過(guò)程中若采用實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn)，需要大量的人力及財(cái)力的支持，且試驗(yàn)時(shí)具有一定的安全隱患。目前計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在航空航天領(lǐng)域得到大范圍應(yīng)用。利用計(jì)算機(jī)仿真，在給出特定技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)模仿實(shí)物的實(shí)驗(yàn)，避免了實(shí)驗(yàn)所帶來(lái)的危險(xiǎn)性，而更為重要的是仿真在保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)性的基礎(chǔ)上，與實(shí)物試飛相比具有極大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。在仿真測(cè)試中，借助于計(jì)算機(jī)的精細(xì)控制結(jié)合轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試設(shè)備，可模擬各種航天器或其它飛行器在真實(shí)試飛時(shí)的環(huán)境，進(jìn)而對(duì)給定參數(shù)下的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)。模擬仿真可以在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，在可操控條件下，將傳統(tǒng)的具有一定危險(xiǎn)性的實(shí)物試飛用可多次反復(fù)的模擬仿真來(lái)替代，對(duì)飛行器的相關(guān)技術(shù)參數(shù)多次實(shí)驗(yàn)，以改善其性能指標(biāo)，最終使得所設(shè)計(jì)的飛行器有更合理的技術(shù)參數(shù)。 （二）永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在材料學(xué)（永磁材料）的快速發(fā)展的同時(shí)，各國(guó)PMSM（永磁同步電機(jī)）的研究日益受到研究人員青睞，同時(shí)也增多了PMSM的伺服控制方式。十九世紀(jì)二十年代世界上誕生了首個(gè)永磁體電機(jī)，當(dāng)時(shí)天然的鐵礦石被充作永磁體電機(jī)的永磁體，由于這個(gè)原因使得永磁體電機(jī)體積異常的大，為應(yīng)用所轉(zhuǎn)運(yùn)帶來(lái)不便。電勵(lì)磁電機(jī)的出現(xiàn)逐步淘汰了最初的使用天然磁鐵的永磁體電機(jī)。而如今鐵氧體或鋁鎳鈷等永磁體材料的發(fā)現(xiàn)使得磁性能有了較大程度的提升。二十世紀(jì)六十至八十年代人們發(fā)現(xiàn)了更適合做永磁體的稀土鈷和釹鐵硼材料。相比于稀土鈷，釹鐵硼材料因?yàn)槠浯琶芏雀?、剩磁性能?qiáng)、成本較低的特點(diǎn)，更多的應(yīng)用于永磁體電機(jī)中。永磁同步電機(jī)，去除了電勵(lì)磁繞組和電刷等環(huán)節(jié)，采用永磁體來(lái)勵(lì)磁，簡(jiǎn)化了同步電機(jī)結(jié)構(gòu)，同時(shí)使得電機(jī)的功率因數(shù)等技術(shù)參數(shù)得以明顯提升。同時(shí)，由于永磁同步電機(jī)定子電流減小及電能消耗明顯下降，轉(zhuǎn)子在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)其電阻損耗相當(dāng)小。除上述諸多優(yōu)勢(shì)外，永磁同步電機(jī)還具有體積小，維護(hù)成本低，運(yùn)轉(zhuǎn)效率高，轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩大，機(jī)械特性強(qiáng)度大、易于散熱等特點(diǎn)。根據(jù)永磁體轉(zhuǎn)子在安裝時(shí)的差異，可以將永磁體同步電機(jī)分為插入式，內(nèi)裝式或者是面裝式。 二、 重復(fù)控制系統(tǒng) （二）重復(fù)控制發(fā)展現(xiàn)狀 重復(fù)控制原理是基于內(nèi)模理論應(yīng)用的基礎(chǔ)上逐漸演變發(fā)展而形成的。內(nèi)模原理概念首次由Francis B. A和Wonham W. M應(yīng)用于他們共同撰寫的多變量線性調(diào)節(jié)器模型原理中。在內(nèi)模原理中給出了一條永磁體電機(jī)方面很具有指導(dǎo)性的理念，即當(dāng)外部信號(hào)的動(dòng)力學(xué)模型已經(jīng)構(gòu)建且包含于控制器中時(shí)，可以很大程度的提升控制系統(tǒng)的控制精度，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)給定信號(hào)的無(wú)靜止跟蹤提供依據(jù)。一九八一年兩學(xué)者Inoye T（日本） 與 Iwai S（日本）在內(nèi)模原理基礎(chǔ)上在抑制諧波時(shí)采用了重復(fù)控制的方式，提升了電機(jī)的伺服控制精度，以此為基礎(chǔ)他們進(jìn)一步提出改良應(yīng)用于加速器的勵(lì)磁電源精度的方法，并確定了可重復(fù)控制的理論。一九八五年，Hara S在電機(jī)伺服控制中將重復(fù)控制方式應(yīng)用于多輸入條件模式下，并在此條件下分析研究對(duì)多輸入系統(tǒng)穩(wěn)定。之后，他與Yamamoto Y 在信號(hào)輸入端使用周期性信號(hào)并研究系統(tǒng)穩(wěn)定性能。緊隨其后，研發(fā)人員在電機(jī)伺服系統(tǒng)中，將輸入信號(hào)端由連續(xù)信號(hào)向離散型信號(hào)轉(zhuǎn)變，并在離散數(shù)字伺服系統(tǒng)中應(yīng)用重復(fù)控制理論。此時(shí)引出了新的問(wèn)題，即在數(shù)字控制系統(tǒng)時(shí)，采樣周期與輸入信號(hào)周期往往不同步且有時(shí)并不具備倍數(shù)關(guān)系，由此使伺服系統(tǒng)有較差的魯棒性。G.pipeleers, B等人利用高階無(wú)窮小的方式研發(fā)高階可重復(fù)控制器，將輸入信號(hào)周期與采樣周期不確定性的敏感程度降低，在一定程度上使伺服系統(tǒng)急魯棒性有所改善。在步進(jìn)電機(jī)，無(wú)刷電機(jī)，直流電機(jī)或者永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)中，都應(yīng)用了重復(fù)控制技術(shù)。其中，將該技術(shù)引入到步進(jìn)電機(jī)控制的是孫耀杰，這一方式使五相電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過(guò)強(qiáng)的問(wèn)題得以一定程度的緩解。此外，無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速及平穩(wěn)性能經(jīng)蘇寶庫(kù)的努力而得以解決；鄒繼武在永磁同步電機(jī)中應(yīng)用重復(fù)控制技術(shù)，為由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩周期性波動(dòng)產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)起到了抑制作用。 （二）重復(fù)控制研究 重復(fù)控制技術(shù)作為一項(xiàng)已經(jīng)比較成熟的技術(shù)，得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在控制系統(tǒng)中，起到了很好的效果，它對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的控制也十分關(guān)鍵。重復(fù)控制技術(shù)的運(yùn)行平穩(wěn)，也可以達(dá)到較為精確的控制。本章先對(duì)此技術(shù)的運(yùn)行原理進(jìn)行闡述，介紹了重復(fù)控制系統(tǒng)的構(gòu)成，同時(shí)分析整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。內(nèi)部模型，是一種數(shù)學(xué)模型，它起著將外部信號(hào)引入封閉系統(tǒng)中的作用，它是整個(gè)重復(fù)控制系統(tǒng)的中心。為保證系統(tǒng)運(yùn)行的精度、提升控制系統(tǒng)跟蹤信號(hào)的性能或是有效地防止外界信號(hào)干擾，就需要在整個(gè)系統(tǒng)中進(jìn)安裝帶有外界信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，這就是內(nèi)部模型的誕生的原因。同時(shí)，如系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，沒(méi)有產(chǎn)生偏差，這時(shí)如果系統(tǒng)中帶有內(nèi)部模型，它就可以穩(wěn)定保證系統(tǒng)向外輸出信號(hào)，直到控制的作用。特別是在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中如果沒(méi)有出現(xiàn)任何誤差的前提下，使用內(nèi)部模型就可以重復(fù)輸出有效的控制信號(hào)。 依據(jù)內(nèi)部模型的運(yùn)行原則，如果進(jìn)入系統(tǒng)中的信號(hào)類型為階躍式，需要將對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型1/S配置到控制系統(tǒng)中的控制器內(nèi)，來(lái)最終達(dá)到無(wú)偏差的對(duì)信號(hào)的跟蹤。一樣的道理，如果進(jìn)入系統(tǒng)中的信號(hào)類型為特定頻率的正弦式，就需要在控制器內(nèi)配置為相同頻率的正統(tǒng)信號(hào)模型/(s2+ω2)，來(lái)最終達(dá)到無(wú)偏差的對(duì)信號(hào)的跟蹤。但是， 這只是理論上可以實(shí)現(xiàn)，實(shí)際情況是控制系統(tǒng)中經(jīng)常需要多頻率的信號(hào)輸入，如果實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的無(wú)偏差信號(hào)跟蹤效果，就須對(duì)每個(gè)外部信號(hào)配置一個(gè)內(nèi)部模型，不僅沒(méi)有意義，也難以達(dá)成。 三、 永磁同步電機(jī)低速控制系統(tǒng) 永磁同步電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)正常，與原系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)行變參數(shù)Ｍ／Ｔ的設(shè)置相比，整個(gè)高速系統(tǒng)有了比較優(yōu)良的精度控制表現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也令人滿意國(guó)。但是電機(jī)控制是一個(gè)比較復(fù)雜的話題，不應(yīng)當(dāng)將注意力只集中在電機(jī)本身，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)誤差，均會(huì)影響到電機(jī)的調(diào)速性能，同時(shí)其它環(huán)節(jié)出現(xiàn)的誤差如果與電機(jī)本身沒(méi)有明確的區(qū)分，也不利于對(duì)于電機(jī)的控制，這就也是理論模型與實(shí)際運(yùn)行時(shí)的差異所在，所以很有必要控制產(chǎn)生誤差的原因，并應(yīng)用合理的補(bǔ)償措施。 從永磁同步電機(jī)本身的理論特性來(lái)講，對(duì)于它的控制就涉及到許多方面，實(shí)際運(yùn)行中，也需要對(duì)系統(tǒng)的電壓、電子元件、系統(tǒng)運(yùn)行的檢測(cè)進(jìn)行控制，這無(wú)疑會(huì)增加電機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，其它的因素造成的誤差使得理論模型與實(shí)際運(yùn)行相去甚遠(yuǎn)。所以就需要對(duì)這些外部因素進(jìn)行分析、控制，并對(duì)電機(jī)運(yùn)行進(jìn)行的誤差曝氣，將理論模型最大程度地貼近實(shí)際系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行較好的控制。尤其是在電機(jī)以較低速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，它的電壓等技術(shù)參數(shù)會(huì)低于電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的技術(shù)參數(shù)值，所以為達(dá)到更加穩(wěn)定的控制性能，就有必要對(duì)這些因素進(jìn)行誤差補(bǔ)償。 對(duì)于如何控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，第一步就是需要計(jì)算得出需要多長(zhǎng)時(shí)間來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。第一個(gè)因素就是PWM周期，它是電機(jī)進(jìn)行速度控制的基礎(chǔ)，同時(shí)將逆變器的頻率等其它技術(shù)因素考慮在內(nèi)，得出PWM的周期和頻率，也就是PWM頻率為５ｋＨｚ。同時(shí)，電流環(huán)產(chǎn)生的電壓也與PWM波密切相關(guān)，為提升電流環(huán)的反映速度，將它的周期設(shè)置為０．２ｍｓ。并且要注意對(duì)速度環(huán)周期的設(shè)置，一般情況下，如果速度環(huán)的周期過(guò)長(zhǎng)，就不能及時(shí)地對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，如果周期過(guò)短，也會(huì)出現(xiàn)時(shí)間不夠充足，無(wú)法進(jìn)行完整的算法，也達(dá)不到較好的控制效果。所以需要依據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況結(jié)合控制經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行周期的取值，一般將速度環(huán)周期設(shè)定為電流環(huán)的10倍?？刂齐姍C(jī)轉(zhuǎn)速的第二步就是對(duì)控制器進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，本文推薦將電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的測(cè)速算法應(yīng)用到控制器的設(shè)計(jì)中來(lái)，可以提升數(shù)據(jù)的精確性，而且算法兼容性強(qiáng)，可以應(yīng)用到多種控制器上。  四、 重復(fù)控制在永磁電機(jī)低速控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì) （一）重復(fù)控制方法是通過(guò)內(nèi)部模型作為基礎(chǔ)而運(yùn)行 內(nèi)部模型的運(yùn)行要求指出，如果被反饋的信號(hào)促使控制器產(chǎn)生反饋信號(hào)，且同樣的來(lái)來(lái)自外界的信號(hào)也出現(xiàn)在反饋回路中，那么可以推斷出控制系統(tǒng)是處在穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)中。重復(fù)控制的作用實(shí)際上是對(duì)于控制信號(hào)的偏差，再加載一個(gè)上一次的偏差信號(hào)。圖2展示了重復(fù)控制系統(tǒng)的構(gòu)成，實(shí)際使用的過(guò)種中，將額外的重復(fù)信號(hào)控制器設(shè)置到現(xiàn)有的PI控制器內(nèi)，起到了對(duì)信號(hào)的校正作用，圖4為使用對(duì)電流進(jìn)行控制的裝置來(lái)確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 （二）仿真波形分析 為了測(cè)試以上控制器的運(yùn)行性能，在ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ設(shè)計(jì)了PMSM的控制模型，并對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的模擬測(cè)試。以下是電機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)的設(shè)置額定功率８００Ｗ；額定相電壓１５０Ｖ；等。 為了測(cè)試對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬的相關(guān)參數(shù)，待整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，在t=0.15s時(shí)增加負(fù)載，可以得到相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，如相電流等。通過(guò)波形可以判斷出，控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度較為理想，特別是突然增加負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)也比較穩(wěn)定。 結(jié) 論 本文使用了重復(fù)控制技術(shù)以達(dá)到對(duì)PMLSM永磁電機(jī)控制體系中的相位移動(dòng)信號(hào)與干擾信號(hào)的周期性跟蹤。從上文所進(jìn)行的試驗(yàn)不難看出，重復(fù)控制技術(shù)可以高效地抵抗干擾信號(hào)，對(duì)輸入信號(hào)也可以高精度地進(jìn)行踴躍。從模擬測(cè)試的結(jié)果也可以看出，在對(duì)重復(fù)控制系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步地改進(jìn)后，它可以有效地減緩誤差信號(hào)的影響，理論模型與實(shí)際系統(tǒng)更另吻合。所以，重復(fù)控制技術(shù)對(duì)永磁電機(jī)的控制還是起到了良好的作用。 參考文獻(xiàn) [1] 趙建亞.基于 DSP 的轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文， 2006：1-3. 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