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1、1. 1课题研究背景及意义伴随着现代工业的快速发展，标志着一个国家工业实力的相应设备如精密机 床、工业机器人等对其“驱动源”一电伺服驱动系统提出了越来越高的要求。而 基于正弦波反电势的永磁同步电动机（简称PMSM）因其卓越的性能已日渐成为电 伺服系统执行电动机的“主流” 随着现代电力电子技术、微电子技术及计算 机技术等支撑技术的快速发展，以永磁同步电动机作为执行机构的交流伺服驱动 系统的发展得以极大的迈进。然而伺服控制技术是决定交流伺服系统性能好坏的 关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分。随着国内交流伺服电机及 驱动器等硬件技术逐步成熟，以软形式存在于控制芯片中的伺服控制技术成为制
2、约我国高性能交流伺服技术及产品发展的瓶颈。研究具有自主知识产权的高性能 交流伺服控制技术，尤其是最具应用前景的永磁同步电动机伺服控制技术，具有 重要的理论意义和实用价值S o1. 2伺服系统简介1. 2. 1伺服系统的定义伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节 等五部分其系统结构如图1. 1所示。图1T伺服系统结构根据伺服系统图1.1中各组成部分的区别，伺服系统有多种不同的分类方法。 按照执行元件即电机的类型通常可分为直流伺服系统和交流伺服系统；根据控制 器实现方法不同，可分为模拟伺服系统和数字伺服系统；根据控制器中闭环的多 少，可分为开环控制系统、单环控制系统、双
3、环控制系统和多环控制系统囱。1. 2. 2伺服系统的发展状况对于发展高性能交流伺服系统来说，由于在一定条件下，作为“硬形式， 存在的伺服电机、逆变器以相应反馈检测装置等性能的提高受到许多客观因数的 制约；而以“软形式”存在的控制策略具有较大的柔性，近年来随着控制理论新 的发展，尤其智能控制的兴起和不断成熟，加之计算机技术、微电子技术的迅猛 发展，使得基于智能控制的先进控制策略和基于传统控制理论的传统控制策略的 “集成”得以实现，并为其实际应用奠定了物质基础。伺服电机自身是具有一定的非线性、强耦合性及时变性的“系统”，同时伺 服对象也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时受到不同程度的干扰，
4、 因此按常规控制策略很难满足高性能伺服系统的控制要求。为此，如何结合控制 理论新的发展，引进一些先进的“复合型控制策略”以改进控制器性能是当前发 展高性能交流伺服系统的一个主要“突破口” 7020世纪80年代至今，以机电一体化发展为时代背景。随着永磁材料和控制技 术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电机(方波电流驱动)、交流伺服电机(正 弦波电流驱动)等多种新型电动机，同时电力电子技术、微处理器、传感器的迅 速发展引发伺服驱动装置进入了一个全新的数字化的阶段。作为交流伺服系统的 执行机构，交流伺服电机应尽可能体积小，重量轻，力矩大，并以准确、快速的 动作完成指令要求的任务。所以，交流伺服电机应具
5、备以下基本条件：1. 体积小，重量轻，大转矩输出；2. 惯性小，以适应速度指令或位置指令的快速变化；3. 良好的控制性能；4. 宽广的调速范围，即要求伺服电机的转速能随控制电压的改变在宽广的 范围内连续调节；5. 控制转矩脉动小。常用的交流伺服电机主要包括感应式异步电机(IM)和永磁同步电机(PMSM) 两种。感应式异步电动机制造容易，价格低廉，不需要特殊维护。但在控制上采 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 转矩流，系统比较复杂。另外，转子电阻随温度而变化，会影响磁场定向的准确 性。低速运行时电机发热比较严重，而低速运行又往往是伺服控制机构经常所处 运行状
6、态。因此，在交流伺服系统发展初期，感应式异步电动机交流伺服系统虽 一度得到发展和应用，但由于存在上述一些问题，异步伺服系统一般应用于千万 级及以上大中电机驱动，在中小容量低速伺服系统中大多采用永磁同步电机。永 磁同步电动机的磁场由转子上的永磁体提供，不需要励磁电流，可以显著提高功 率因数，而且减少了定子电流和定子电阻损耗，在稳定运行时没有转子电阻损耗 89o永磁同步电机伺服系统与异步电机伺服系统相比具有以下优点：1. 永磁同步电机没有笼型转子，与异步电机相比，具有较低的惯性，对于 一定的电机转矩具有快速响应的能力，转矩/惯性比高；2. 永磁同步电机无转子损耗，效率较高，且转子无发热问题；3.
7、永磁同步电机转子为永磁体，不需要定子励磁电流，对于同等容量输出， 异步电机效率低，需要更大功率的整流器、逆变器；4. 永磁同步电机控制要比异步电机简单。永磁同步电动机转子所采用的永磁材料主要有铁氧体、钦铁硼、稀土钻等。 初期生产的永磁同步电动机转子以铁氧体材料居多，新一代伺服电机大都采用了 最新的钦铁硼材料，该材料的剩余磁密、矫顽力、最大磁能积均好于其他永磁材 料，再加上合理的磁极磁路及电机结构设计，大大提高了电机的性能，同时又缩 小了电机的外形尺寸。我国钦铁硼资源非常丰富，随着永磁材料制造工艺的不断 进步，性能的逐步提高，价格逐渐下降，钦铁硼永磁材料在永磁同步电动机中的 应用也会越来越广泛。
8、永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了优良的低速 性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动 的要求。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动 化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流I O1. 3交流伺服技术的发展1. 3. 1微处理器微处理器是交流伺服控制系统的核心。在交流伺服系统中，由于电机本身具 有非线性和耦合性的特征，在高级的电机微机控制系统中，例如全数字交流位置 伺服系统，也要求极快的矩阵运算，一些以前不考虑的复杂算法，如电机的矢量 控制、电机的和系统的非线性控制、系统的最优控制、适应性控制等都在变
9、成实, 除了DSP,用一般的微处理器无法满足现实要求。因此为了满足要求开发出电机 控制用的专用DSP。这种DSP集成了电机伺服控制所必需的可增加死区且灵活多变 的多路PWM信号发生器、高速高精度DAC,以及用于电机速度和位置反馈的编码器 接口等电路，因而可以说这种DSP是目前用于电机伺服控制中功能最强大的控制 器。1. 3. 2电力电子半导体器件电力电子技术的发展对电机控制技术的发展影响极大。自1958年世界上第一 个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件已经历了第一代半控式晶闸 管，第二代有自关断能力的半导体器件（大功率晶体管GTR、可关断晶闸管GTO、 功率场效应管MOSFET）和第三
10、代复合型场控器件（绝缘栅功率晶体管IGBT、静电感 应式晶体管SIT、MOS控制的晶体管MCT等），直至90年代出现的第四代功率集成电 路IPM,它将输入隔离、能耗制动、过温过压过流保护及故障诊断等功能全部集 成在一个模块中。永磁同步电机伺服系统经常采用的电力电子器件主要有功率场 效应管MOSFET和绝缘门极晶体管IGBT,二者均具有电压控制、驱动功率小、并联 容易、工作频率高的特点，但IGBT通态电阻要比MOSFET小得多，且其具有很高的 耐压和工作电流。在IGBT模块中内置整流模块电路、逆变主回路和制动回路，以 降低损耗和降低成本，这种新型模块称为功率集成模块，简称IPM。本文中应用 的电
11、力电子器件就是功能全面的功率集成器件IPM121. 3. 3传感器永磁同步电机伺服系统中通常需要传感器检测转子位置和定子电流。目前常 用的位置传感器有霍尔集成电路传感器、光电编码器、旋转变压器等，其中光电 编码器按脉冲与对应位黄（角度）的关系，通常分为增量式光电编码器、绝对式光 电编码器以及将上述两者结合为一体的混合式光电编码器三类，实际应用较广的 是增量式光电编码器，它有A、B、Z三相输出信号。A和B两相信号每转输出脉冲 数相同，但两者相位相差90度，通过检测哪一相超前得到转向，控制信号控制可 逆计数器对脉冲进行向上或向下的计数，Z相信号又称为零位信号，每转仅输出 一个窄脉冲在本伺服系统中，
12、位置检测即采用增量式光电编码器，而电流 信号的检测则采用磁场平衡式霍尔电流检测器。1. 3. 4控制策略目前在交流伺服系统中常用的控制策略主要有：PI控制、模糊控制、神经网 络控制以及复合控制策略等等。PI控制由于比较简单，易于实现，在伺服控制中 应用比较广泛，但是PI控制通常其参数调整、确定比较麻烦，并且对控制系统的 模型要求较高，其应用存在一定的局限性。模糊控制得以广泛发展并在工业实践中得以成功应用，其根源在于模糊逻辑 本身提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一种系统的推理方法， 因而能够解决许多复杂而无法建立精确的数学模型系统的控制问题，是处理控制 系统中模型不精确和不确定性的
13、一种有效方法。从广义上讲，模糊控制是基于模 糊推理，模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制方 法，它是模糊数学同控制理论相结合的产物，是智能控制的重要组成部分。模糊 控制的突出特点在于：1. 控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现场 操作人员的经验知识及操作数据；。2. 控制系统的鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及 滞后系统；3. 模糊控制是用语言变量代替常规的数学变量，构成模糊推理规则库；4. 模糊控制的模糊推理是一种不精确的推理方式，是模仿人的思维过程。 由于交流电动机是一种非线性、强耦合、多变量的控制对象，所以模糊控制在解 决
14、交流电动机的控制方面有着非常大的优势，取得了许多重要的结果，是一种在 运动控制中比较成熟的智能控制方法。本伺服系统中采用的控制策略是将模糊控 制与常规PID控制相结合的方法，即模糊参数自整定PID控制方法。2永磁同步电机的矢量控制高性能的永磁同步电机伺服系统需要现代控制理论的支撑，目前对交流电机 最为实用的、准确的控制方法是空间矢量控制。而矢量控制需要精确的电机数学 模型及空间矢量控制实现的原理。3模糊参数自整定PID控制和仿真对于永磁同步电机伺服系统，除了要求其具有动态响应快、稳态运行平稳的 特性外，还要求系统能够实现精确定位和快速跟踪心。位置控制器直接影响系 统定位控制和位置跟踪性能。位置
15、伺服系统要求动态响应快、没有超调、稳态精 度高俄 传统PID控制器结构简单、鲁棒性较强，但由于本身内部的三个分量的 线性组合，使控制器在静态和动态性能之间、跟踪设定值和抑制扰动能力之间存 在着矛盾；而且，由于系统存在的某些不确定因素，如控制对象特性的非线性、 参数的时变性及干扰因素，要求位置控制器具有很强的自适应能力(在位置偏差 较大时能够快速跟踪，在位置偏差较小时能够平滑运行并精确定位且无误差)。 考虑到以上这些因素，本文将位置调节器设计成能够自适应调节PID参数的模糊 控制器，即将模糊控制与常规PID控制相结合的方法，参数调整规则存入处理器 的存储单元，根据现场情况，依据已经写好存入的参数
16、调整规则进行参数的在线 自动整定。3. 1模糊控制简介3. 1. 1基本原理模糊gN(Fuzzy Control)是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为 基础的一种智能控制方法。模糊控制系统基本组成如图3. 1所不。模糊控制系统 的核心部分为模糊控制器，如图中方框中所示，是由计算机的程序实现的。实现 一步模糊控制算法的过程描述如下：微机经中断采样获取被控制量的精确值，然 后将此量与给定值比较得到误差信号E,并作为模糊控制器的一个输入量。误差 信号E的精确量进行模糊化后变成了模糊量，该模糊量可用相应的模糊语言表示, 得到误差E的模糊语言集合的一个子集e(e是一个模糊矢量)，再由e和模糊关系R 根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量“，即u = exR (3-1) 模糊控制系统与通常的计算机控制系统的主要差别是采用了模糊控制器。模糊控制器（微机）A/D
