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1、11 绪 论1.1 电机测试系统的发展状况交流伺服系统根据使用伺服电机的种类不同可分为两种 1：一种是由永磁同步伺服电机构成的伺服系统，包括方波永磁同步电机伺服系统和正弦波永磁同步电机伺服系统；另一种是由感应式异步电机构成的伺服系统。20世纪60年代中叶，人们首次研制成功了磁能密度很高的烧结型SmCo5稀土永磁材料。由于战略物资钴（Co）的价格昂贵，钐（Sm）储量稀少，人们又继续尝试开发磁性能更优且价格低廉的稀土永磁材料。1983年，日本研制成功了具有这些优点的钕铁硼（NdFeB）永磁体，它的加工性能好，能量密度更高，应用于电机可大幅度减小电机的体积和重量，并提高电机的效率。1984年，我国成
2、为世界上第三个能独立生产钕铁硼材料的国家。稀土永磁材料的出现给电机工业带来了历史性的变革。控制相对简单、功率密度较高等优点使得永磁同步电机逐渐成为交流伺服系统的主流，尤其是在高精度、高动态性能要求的中小功率伺服领域。而交流异步伺服系统仍主要集中在对伺服性能要求不高的大功率伺服领域。目前，交流伺服系统已经越来越多地采用数字控制方式，利用一些专用的可编程微处理器芯片（如数字信号处理器等）来实现其核心控制算法。数字控制的永磁同步伺服电机系统具有下列优点：(1)体积小、重量轻、效率高。(2)数字电路温度漂移小，分散性参数的影响较小，稳定性好。(3)集成电路芯片可靠性大大优于分立元件，且屏蔽性能好。(4
3、)信息双向传递能力大大增强，容易和上位机系统联合运行，可随时改变控制参数。(5)提高了信息存储、监控、诊断以及分级模块化控制的能力，有利于实现性能优异但算法复杂的控制策略。伺服系统的性能与其中的伺服电机的类型紧密关联，目前常见的伺服电机主要包括步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以直接接收数字量，步进角一般为0.36
4、90 。步进电机控制方法简单，一般采用开环控制就能实现精度比较高的位置控制，且不存在位置误差积累。直流伺服电机具有优良的调速性能，伺服系统的位置控制由闭环系统实现。永磁式直流电动机在众多应用领域占有重要地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。但直流伺服电机机械结构复杂，维护工作量大，成为其发展的瓶颈。20世纪80年代开始，随着伺服电机在材料、结构和控制技术方面的突破性进展，交流伺服电机得到了越来越广泛的应用，并呈现出良好的发展前景。由于微电子技术的快速发展，交流伺服系统的控制方式向微机控制方向发展，由硬件伺服转向软件伺服，模交流伺服电机智能测控系统设计2拟控制转向数字控制。1.2 智能控
5、制在电机控制系统中的应用随着工业生产过程的日趋复杂化，系统不可避免的存在非线性。如大型交流电机系统、纺织过程等，尽管在很多情况下，当我们考虑系统的某些现象时，可以用系统的线性模型来代替系统的非线性模型，然后，对线性模型实施开展。但更多情况下，不可能用系统的简单线性模型作为该真是系统的替身。在工程技术、自然、社会、经济等众多情况下，人们必须建立真实系统的非线性模型以代替简单容易处理的线性模型。非线性系统中可能发生的现象是十分复杂的、十分丰富的。严格地说，对非线性系统，目前虽然已经经历了百年的研究，认识任不充分的。例如，近二十年来人们才认识到，混扥现象是非线性系统中发生的一种现象。从研究方法上看，
6、线性系统的解是可以求出来的。因此，在相当长的一段历史时期里，不求解非线性系统而直接依据非线性系统来探讨系统的定性性质，成为研究非线性系统的只要内容之一。与此同时，只适用于低阶系统的相平面法、描述函数法等近似方法，也得到了完善和发展。但这些方法能解决的问题是很有限的。非线性系统的控制问题一直是控制理论和控制工程时间中的难题，由于系统存在非线性，系统的设计比线性系统的设计困难的多，特别对象机器人这类存在严重非线性的系统，非线性的存在常常是系统震荡。在工业控制系统中常规的PID控制虽然能解决实际生产中遇到的大多数问题，但当被控对象是非线性时，常规的PID空盒子就很难取得满意的控制效果，而且调制器参数
7、的整定也是棘手的事。对于此类系统，采用更高级古城控制算法，来达到预期的控制效果。因此，研究非线性系统的建模与控制具有重要的理论意义和实际意义。由于现代控制理论和计算机的发展，工业过程控制算法的设计不再像传统的PID算法那样收到硬件的限制，各种新型的控制算法如：自适应控制、最优控制、变结构控制等都为非线性系统的控制提供了方法。近些年来，为了满足生产过程日益严格的要求，许多学者将智能方法融入电力系统、大型交流电机，发电机等这类非线性系统的控制中，把神经网络、模糊控制与一些新型控制算法相结合，形成智能化控制系统。1.3 本设计的主要研究工作本设计主要由五大部分组成：1绪论：阐述了智能电机测试与控制系
8、统的发展状况以及研究智能测试与控制系统的显示意义。2智能电机测试系统设计与实现：研究了一种智能电机测试系统，给出了该系统的软硬件实现方法。3模糊PID控制器在电机调速系统中的应用：介绍了模糊控制器的原理，以及Fuzzy-PID控制器的计算分析，对模糊PID控制器在智能电机控制系统中的应用进行了仿真。4神经网络PID控制在电机调速系统中的应用：阐述了基于神经网络在电机控制系统中的运用，介绍了神经网络PID控制器，并对这种控制器的实现进行了仿真分析。5智能电机控制系统的设计与实现：介绍了一种基于工控机、变频器的电机控制系统，对该系统提出了完整的系统结构设计方案，并介绍了变频器和可编程控制器在该系3
9、统中的应用。2 智能电机测试系统设计与实现2.1 系统设计框架2.1.1 系统总体结构设计基于对实际智能电机测试系统项目的需求分析，我们设计了如图 2.1 所示的系统总体结构图。结构图大致分为三部分 2：服务器部分；客户部分；执行部分，其中服务器部分由数据存储、输出部分以及绘图、计算机部分组成。客户部分由主程序部分组成，是面向操作者的主界面，由他控制整个试验过程的进行；硬件电路驱动部分和通信部分是执行部分，负责响应由操作者发出的控制命令，通过通信对硬件电路执行逻辑判断和控制。图 2.1 系统总体结构图交流伺服电机智能测控系统设计42.1.2 系统功能的分布 服务器服务器部分的功能如图 2.1
10、所示，它是实现采集数据的实时存取、分析和计算的部分。这是系统的核心部分，实现系统的主要功能，合理的安排数据库的结构，有利于高效率的执行数据的存取，更方便电机性能的分析和计算。 客户主程序部分由于是面向操作者的用户界面，它是实现最终用户控制的接口。操作者在这里用输入设备（鼠标和键盘）对系统实施控制。由于系统需要控制的节点比较多，而且节点之间具有逻辑互锁功能，所以用户界面应该给用户一定的提示信息，保证操作者不会或尽可能少的误操作，这是客户界面的主要功能。 执行系统的执行部分主要是响应操作者的命令，实现命令的逻辑判断、互锁功能的。2.1.3 系统结构评价将服务层、客户层与执行层分开是一种分层式结构。
11、这种分层式系统结构，在图 2.1看来是区分明显的层次，但是在系统的具体实现中系统的各个部分是有机的结合在一起，互相渗透，互相影响，互相补充的实现系统的功能。如图 2.2 所示：服务层执行层 客户层5图 2.2 系统各层联系2.2 系统硬件实现系统硬件图 2.3 分为前向通道和后向通道两个部分组成。前向通道即系统的控制通道，后向通道即系统的数据采集通道。2.2.1 前向通道的一次线路组成前向通道的一次线路由如下图 2.3 所示由 22 个配电屏组成：图 2.3 配电屏组成图图 2.3 配电屏组2.2.2 前向通道二次线路前向通道二次线路由 XSZ1-1 型试验桌、XSZ1-2 型试验桌、ZSZ
12、出厂试验桌组成。前向通道的试验桌与工控机并联构成了手动测试于计算机自动控制方式，两种方式之间采用隔离互锁装置，相互不产生影响。工控机可以实时测量手动装置的状态，进行保护。工业控制计算机对继电器开关动作的控制见图 2.4（详图于附录 A） ，是通过模拟量输出板卡控制的。系统采用的板卡有如下几种:研华 PCL711B、研华 PCLD-885。PCL711B 是 ISA 总线多功能卡它具有 8 通道模拟量和数字量 I/O,12 为 A/D 分辨率，每秒 25K 采样速率，8 路单端模拟量信号输入，可编程设定输入范围，可选定时触发或软件触发，1 路 12 位模拟量输出（D/A),16 路数字量输入/输
13、出 3。1DB：低压源进线配电屏 1JCP：型式试验配电屏 12DB：调压器 1 原边配电屏 2JCP：型式试验配电屏 23DB：调压器 2 原边配电屏 3JCP：型式试验配电屏 34DB：调压器 3 原边配电屏 4 JCP：陪试电机配电屏6DB：调压器 5 原边配电屏 5 JCP：出厂试验配电屏 17DB：直流电机控制屏 6 JCP：出厂试验配电屏 28DB：整流子电机控制屏 7JCP：出厂试验配电屏 31DG：调压器 1 副边配电屏 8 JCP：出厂试验配电屏 42DG：调压器 2 副边配电屏 9 JCP：转子电路配电屏3DG：调压器 3 副边配电屏 10 JCP：电阻屏4DG：调压器 5
14、 副边配电屏 GDA：硅整流交流伺服电机智能测控系统设计6PCL711BD/D 通道PCL885D/A 通道发出控制命令 控制继电器动作图 2.5 工控机前向控制通道一个 PCL885 板卡又 16 个 D/A 继电器输出通，系统总共用了 3 个 885 板卡，38 个通道来控制输出。其中每个通道的定义见附录图 A。2.2.3 后向通道系统后向通道如图 2.6 所示，为 PCL711BA/D 输入通道和 PCL880 输入端子板组成。它的主要功能是将系统的模拟量和信号量通过端子板输入到 PCL711B 的模/数输入端，由工控机实时采集。PCL711B A/DS输入通道 PCL880 端子工控机
15、采集 现场实时数据图 2.6 后向通道数据采集示意图系统中的模拟量和信号包括：电机定子电压、各种开关状态信号等。通过互感线圈或直接连接到 PCL880 端子板口，通过 PCL711BA/D 模-数转换通道，由计算机实时采集进入。系统的模拟量输入信号详细资料如下图 2.7 所示：块板：7通道 端口号 功能 备注1 A1,A2 频率2 A3,A4 定子电压快速采集3 A5,A6 转子三相电压4 A7,A8 转子三相电压5 A9,A10 转子三相电压6 A11,A12 温度回路7 A13,A14 温度回路8 A15,A16 温度回路表 2.7 系统模拟量输入现场信号表2.2.4 系统通信结构系统中的扭矩仪、功率仪、三相电阻仪和变频器是分立器件，它需要和工控机进行实时通信，以便接受控制命令和上传测量的数据。而且这些器件需要同时工作来完成数据的采集任务。由于前三个仪器是采用的 RS-232C 通信协议，变频器采用的是 485 通信协议，所以必须为系统增加通信接口。其系统通信布局如下图 2.8 所示：交流伺服电机智能测控系统设计8图 2.8 系统通信结构图PLC746 是一种四端口串行通信接口板卡。每个端口可以通过跳线单独设置为RS232、RS422 或 RS485。PLC746 支持两种操作模式：标准模式和增强模式。标准模式中每一个端口可以分别设置不同的地址和中断。增强模式中四个端
