高性能交流伺服马达统控制方法综述

  跟着电力电子技能、电机制作技能、大规模集成电路和微处理器操控技能的迅猛开展,人们对沟通伺服操控产品的功用、功用及性价比的要求越来越高,以永磁同步电动机作为执行机构的沟通伺服操控体系在数控机床、机器人、办公自动化设备、大规模集成电路制作、雷达以及柔性制作体系等领域都得到了广泛的使用。

沟通伺服体系作为现代工业生产设备的重要驱动源之一,是当代工业技能现代化所触及的核心技能。日本、美国、德国、英国和法国等发达国家掌握着该领域的绝大多数的核心技能,并对我国实行技能封闭,其间决定沟通伺服体系功用的要害技能—伺服驱动操控技能,是国外伺服技能封闭的首要部分。跟着国内沟通伺服电机及驱动器等硬件技能逐步老练,以软方式存在于操控芯片中的伺服驱动技能成为制约我国高功用沟通伺服技能及产品开展的瓶颈。

因而,对数字化沟通伺服驱动操控技能进行研讨开发自主常识产权的沟通伺服体系及运动操控技能,并使其构成工业,为我国装备制作业的开展提供有利的技能保障,具有重大的现实意义和广阔的社会使用前景。

伺服驱动技能的开展现状

高功用伺服体系及其伺服驱动技能的开展史是与伺服电动机有着密切关系的,在近60年的开展前史中,经历了三个首要开展阶段:

20世纪60年代以前,此阶段是以功率步进电机直接驱动为主,多为方位开环操控体系。体系具有呼应时间短,驱动部件的外形尺寸小等长处,在电火花加工机床、针式打印机,自动化生产线等领域获得广泛使用,但一起存在发热大、效率低、易污染环境、不易维修等缺点。

20世纪60~80年代,因为直流伺服电动机具有比沟通伺服电动机易于操控、调速功用好等长处,相关理论及技能都比较老练,因而直流伺服体系在工业及相关领域获得了广泛的使用,伺服体系的方位操控也由开环体系开展成为闭环体系。

进人20世纪90年代后,跟着微电子技能的快速开展,电路的集成度越来越高,传感器技能、稀土永磁材料与电动机操控理论等相关支持技能的开展,使得沟通伺服操控技能有了长足开展。出现了无刷直流伺服电动机(bldc),沟通伺服电动机(pmsm)等多种新式电动机。并逐步取代直流伺服体系在许多高科技领域得到了十分广泛的使用。沟通伺服体系的操控方式迅速向数字操控方向开展,并由硬件伺服转向软件伺服,智能化的软件伺服将成为伺服操控的一个开展趋势。

沟通伺服电动机驱动操控战略

以永磁同步电动机为代表的沟通伺服电动机模型是强耦合、时变的非线性体系,其操控战略比较杂乱,所以沟通伺服体系的功用与它所选用的操控战略有着直接的关系。优良的操控战略不但能够补偿硬件规划方面的不足,而且能进一步的进步体系的功用,操控战略在沟通伺服中发挥着至关重要的作用。高功用沟通伺服体系对操控战略的要求可概括为:不但要使体系具有快的动态呼应和高的动、静态精度,而且体系要对参数的改变和扰动具有不敏理性。

具有代表性永磁同步电机的操控战略有以转速开环恒压频比(u/f=常数)操控、经典pid操控、磁场定向操控(矢量操控)为代表的传统操控战略、以直接转矩操控、滑模变结构操控、自适应操控、非线性反应线性化理论等为代表的现代操控战略和以含糊操控、神经网络操控为代表的智能操控等。

传统操控战略

(1)恒压频比操控

带定子压降补偿的恒压频比操控确保了同步电动机气隙磁通恒定,调节频率给定完成同步改变电机的转速。此种操控战略为开环操控,只操控了电机的气隙磁通,不能调节转矩,简单产生转子振动和失步等问题。一起因为恒压频比操控根据的是电机的稳态模型,其动态操控功用不高,不适合具有高功用要求的伺服驱动操控场合。

为了获得良好的动态功用,必须根据电机的动态数学模型。因为沟通永磁同步电动机动态数学模型是非线性、强耦合、时变的多变量体系。要得到良好的操控功用,需对角速度和电流进行解耦操控,即矢量操控技能。

(2)经典pid操控

pid操控器就是利用比例、积分、微分对体系的差错进行计算得出操控量从而对被控目标进行操控。pid操控器是现在使用最为广泛的调节器,具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整便利等长处,一直以来是工业操控的首要技能之一,能够满足多数伺服操控使用领域。

但是经典的沟通伺服同步电动机的三环pid调节操控方式仍然存在一些问题,如调节器参数整定繁琐且差错较大,对体系模型及参数的依赖性较强等,在一些高精度使用场合,很难满足体系要求。

(3)磁场定向操控(id=0)

矢量操控是建立在被控目标准确的数学模型上,使沟通电机操控由外部宏观稳态操控深入到电机内部电磁过程的瞬态操控。矢量操控经过坐标改换将沟通电机内部杂乱耦合的非线性变量改换为相对坐标系为静止的直流变量(电流、磁链、电压等),完成近似解耦操控,并从中找到约束条件,获得某一目标的最佳操控战略,id=0操控是矢量操控的一种特定的操控战略,在转子坐标系内完成永磁同步电机交直轴电流解耦,因为id、iq双电流闭环的存在,使电机iq电流动态跟随体系力矩给定(te=ktiq,kt为电机力矩系数),完成电机电磁力矩操控。该操控战略使电机体系具有较好输出力矩线性度,并可获得最大线性转矩。一起因为全部电流均用来产生电磁力矩,能够充分利用电机过载能力,进步电机启、制动速度,确保电机具有优良的启、制动功用。

矢量操控技能经历二十多年研讨完善历程,在调速体系中使用所获得的功用优异,不论在低速(恒转矩操控模式)仍是在高速(恒功率操控模式),其抗扰特性、启制动特性、稳速特性均达到或者超过直流调速体系。但是矢量操控模型及算法比较杂乱,完成时需求进行坐标改换等,很难确保电机体系的电压、电流在直、交轴的彻底解耦,进而会影响电机体系的动态和效率等指标。

现代操控战略

传统的沟通伺服电机驱动操控战略多用于被控目标模型确定、不改变且为线性,以及操作条件、运转环境确定不变的条件下。但沟通永磁同步电动机动态数学模型是非线性、强耦合、时变的多变量体系,在高功用要求的场合,就必须考虑各种非线性的影响、目标的结构与参数改变、运转环境的改变以及环境干扰等时变和不确定性要素。现代操控理论的开展与使用,一定程度上补偿了经典操控理论对时变非线性随机体系无能为力的缺点。

(1)直接转矩操控

直接转矩操控理论是在20世纪80年代由德国鲁尔大学m.depenbrock教授和日本学者i.takahash分别提出的一种高功用的沟通电机操控战略,其操控战略也是基于被控目标准确的数学模型,但是与矢量操控不同,它直接在定子坐标系下分析沟通电动机的数学模型,无需杂乱的坐标改换。选用定子磁场定向,无需解耦电流,转矩和磁链都选用直接反应的双位式砰砰操控,避免了将定子电流分解成转矩和励磁分量,直接对逆变器的开关状态进行最佳操控,着眼于转矩的快速呼应,以获得转矩的高动态功用。直接转矩操控磁场定向所用的是定子磁链,不受转子参数的影响,只要知道定子电阻就能够把它观测出来,对电机参数不灵敏。

直接转矩操控技能在感应电动机变频操控领域获得了成功使用,瑞典abb公司已推出系列产品。但现在在永磁同步电动机使用方面,直接转矩操控还存在着一些问题。直接转矩操控选用磁链滞环,电机转矩存在脉动,直接影响电机运转的平稳性。直接转矩操控需求观测磁链和转矩,低速情况下准确性很差,致使电机低速运转功用差、电机调速规模较小。因为电机定子电感较小,电机启动和负载变动时电流冲击大,磁链和转矩脉动大。此外,因为电机静止时无法估算磁链初始方位,电机启动困难。虽然近些年国内外一些学者不断尝试和改进永磁同步电动机转矩直接操控战略,但现在这种操控方案很难满足沟通伺服驱动技能要求。

(2)滑模变结构操控

变结构操控属于非线性操控范畴,其非线性表现为操控的不连续性,即一种使体系的“结构”改变的开关特性。滑模变结构操控不需求知道体系的数学模型,只需求了解体系参数及其改变的大致规模,使得变结构操控具有快速呼应、对参数及扰动改变不灵敏、无需在线辩识与规划等长处,具有降阶、解耦的功用,当体系进入滑模状态时,体系状态的转移就不再受体系原有的参数改变和外部扰动的影响,而是强制在开关平面附近滑动,具有彻底的自适应性和鲁棒性,因而滑模变操控在永磁同步电机伺服体系中得到了成功的使用。但因为选用的是bang-bang操控,不可避免的造成抖振问题,而抖振问题是滑模变结构操控广泛使用的一个首要困难。现在在沟通伺服电机体系中经过改变滑模结构,如选用高阶滑模结构及滤波处理等方法一定程度上解决了滑模变结构操控带来的抖振问题。

(3)自适应操控

自适应操控是50年代初由考德威尔(golcl-well)提出的。它将反应操控与辨识理论相结合,针对被控目标特性的改变、漂移和环境干扰对体系的影响而提出来的,或者当对被控过程的参数了解不多或这些参数在正常运转期间有改变,特别是存在缓慢的改变要素时,经过寻求某些功用指标最优来完成对被控目标调节的。

现在使用于操控的自适应方法有模型参阅自适应、参数辩识自校正操控及其新开展的各种非线性自适应操控。模型参阅自适应操控体系不需求操控目标的准确数学模型,也无须进行参数辨识。其要害问题是规划自适应参数调整律,在确保体系稳定性的一起使差错信号趋于零,首要长处是简单完成和自适应速度快。但自适应算法存在一些问题,如数学模型和运算繁琐,使操控体系杂乱化。又如参数辩识和校正都需求一段时间,关于参数改变较快的体系,操控功用受体系计算速度影响较大。在沟通伺服驱动中使用体系硬件需求较高,一般选用32位数字信号处理器(dsp)或现场可编程门阵列(fpga)来完成。

(4)非线性反应线性化操控

反应线性化是一种非线性操控规划方法,其核心思想就是把一个非线性体系代数的转化为一个(全部或部分)线性体系,以便能够使用线性体系的技巧。它与普通线性化的底子区别在于,反应线性化并不是经过体系的线性逼近而是经过状态改换和反应得到的。近几年的非线性操控体系理论研讨成果表明:选用非线性状态反应和适当的坐标改换,在一定条件下,能够将一个仿射非线性体系进行准确线性化,并且这个状态反应可确保操控体系的稳定性,且有好的动态品质。在准确反应线性化操控方法的基础上,建立永磁同步电动机的线性化操控模型,选用反应线性化操控后,能够完成d、q轴的解耦操控,电流盯梢功用好,力矩呼应快,且速度阶跃呼应能渐进收敛到给定值,无静差,超调小和过渡过程短等长处。

(5)智能操控战略

经典的或现代的操控战略都依赖于电机的数学模型,不能从底子上解决杂乱和不确定体系的操控问题。智能操控战略具有非线性的特性,能够解决操控目标、环境和使命更为杂乱的体系。智能操控摆脱了对被控目标模型的依赖,只按实际作用进行操控,在操控中能够解决体系的不确定性和不准确性问题。

智能操控战略包括含糊操控、神经网络操控、专家体系操控、以及鲁棒操控和遗传算法操控等,其间含糊操控和神经网络操控战略在永磁同步电机伺服体系使用中较为老练。

(6)含糊操控

含糊操控是以含糊集合化、含糊言语变量及含糊逻辑推理为基础的一种计算机数字操控。含糊操控将数学和含糊性统一起来,以含糊集合、含糊言语变量、含糊推理为其理论基础,即利用含糊集合来描写人们日常所使用的概念中的含糊性,以先验常识和专家经历作为操控规则,用机器模拟人对体系的操控,能逼真地模仿熟练操作人员和专家的操控经历与方法含糊操控。

含糊推理不依赖于准确的数学模型,根据实际体系的输入输出结果数据,参阅现场操作人员的运转经历,就可对体系进行实时操控,因而适于解决非线性体系的操控问题;含糊操控的鲁棒性好、自适应性强,适用于时变、时滞体系。但是含糊操控自学习能力不强,规划时操控规则依赖经历和专家常识,易造成体系准确度不高。单纯地选用含糊操控战略需求较多的操控规则,需求工作人员的大量经历,操控精度相对较低。含糊操控技能在沟通伺服电机体系电流调节器、速度调节器规划中获得较好的使用。但在动态要求较高的伺服体系中,现在该项技能还有待于进一步进步。

(7)神经网络操控

神经网络的研讨从20世纪40年代初开始,80年代神经网络理论取得了突破性发展,成为智能操控的一个重要分支。

神经网络是指用工程技能手段模拟人脑神经的结构和功用的一种信息处理体系。神经网络操控将计算函数嵌入物理网络之中,在计算过程中,每一个基本操作都与之有对应的连接。神经网络模型模拟人脑神经元的活动过程,包括信息的加工、处理、存储等。每个神经元存储多种信息的部分内容,部分神经元的损坏和信息损坏只导致网络的部分功用减弱。神经网络具有信息分布存储、并行处理、非线性逼近、自学习及自组织能力强等长处,能够充分逼近任意杂乱的非线性体系,能够学习和适应严重不确定性体系的动态特性,具有较强的鲁棒性,具有模拟人的形象思维的能力,适合于处理难于用模型或规则描述的体系。近年来人们开始尝试将神经网路操控技能(或称人工智能ai)使用于沟通电机驱动操控体系中,用于解决传统方法难以解决的问题。使用ai调节体系具有很好的噪声抑制特性、容错性和扩展性,且对参数具有鲁棒性。是未来电机操控技能的一个重要开展方向。

高功用沟通伺服操控技能开展趋势

基于永磁同步电动机的伺服体系是现在伺服操控的开展方向。虽然现在已有很多方法能够完成沟通伺服操控,但仍存在诸如体系精度低、可靠性差、低速功用差等问题。

无论是传统操控战略、现代操控战略,仍是智能操控战略,每一种操控战略都有其长处,但也一起都存在一些问题。单一的操控战略很难得到理想的操控作用,探讨将各种操控战略互相渗透和复合能够更好地进步伺服体系的操控功用是未来高功用沟通伺服操控技能开展方向。现在复合操控战略首要有两种方式:一是在经典pid操控战略的基础上选用新式的操控战略,如含糊pid操控、神经网络pid操控、专家pid操控等;二是选用两种以上的新式操控战略,如含糊神经网络操控、自适应含糊操控、含糊直接转矩操控、自适应含糊操控、直接转矩滑模变结构操控等。各种战略之间取长补短,进一步进步沟通调速体系功用,一起具有更强鲁棒性,复合操控战略已成为当前研讨的重点和今后开展的一个首要趋势。

结语

文中以永磁同步电动机体系为例,对沟通伺服电机体系中传统操控战略、现代操控战略和智能操控战略的基本原理及其优缺点进行了分别阐述,并猜测了高功用沟通伺服电机体系操控技能的开展趋势,从中指出了无论是传统操控战略、现代操控战略,仍是智能操控战略,每一种操控战略都有其长处,但也一起都存在一些问题。单一的操控战略很难得到理想的操控作用,探讨将各种操控战略互相渗透和复合能够更好地进步伺服体系的操控功用是未来高功用沟通伺服操控技能开展方向。

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