重復控制在永磁電機低速控制系統(tǒng)中的設計.docx

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重復控制在永磁電機低速控制系統(tǒng)中的設計 摘要：隨著電力電子技術、微電子技術、電機控制理論以及稀土永磁材料的快速發(fā)展，永磁同步電機（P M S M ）得以迅速使用。除了具有一般同步電機的工作特性以外，永磁同步電機還具有效率高、結構簡單、轉動慣量小、維修性好等特點。因此，廣泛應用于柔韌性制造系統(tǒng)、工業(yè)機器人、辦公自動化、數控機床以及航空航天等領域。由于永磁同步電機是一個非線性、多變量、強藕荷的系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的 P I D 控制方法很容易受電機參數變化和負載擾動等不確定因素的影響。為了提高控制系統(tǒng)的動態(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?？刂?、神經網絡控制、模糊控制等。本文將分析重復控制用于永磁電機低速控制系統(tǒng)中的設計。 關鍵詞:重復控制；永磁電機；低速控制系統(tǒng)；設計原理 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）永磁同步電機控制系統(tǒng)的國內外研究現狀 1 二、 重復控制系統(tǒng) 2 （二）重復控制發(fā)展現狀 2 （二）重復控制研究 3 三、 永磁同步電機低速控制系統(tǒng) 4 四、 重復控制在永磁電機低速控制系統(tǒng)中的設計 5 （一）重復控制方法是通過內部模型作為基礎而運行 5 （二）仿真波形分析 6 結 論 7 參考文獻 8 致 謝 9  一、 緒 論 （一）課題研究的背景及意義 一個國家的綜合實力如何，可以通過觀察其國家的航空航天事業(yè)的水平來確定。在人類的發(fā)展歷程上，人們不斷研制出各種航天器進行太空探索活動。初期時，類似于導彈，火箭，或各種航天器的飛行器，其研發(fā)制造過程中，需要進行多次試飛以確定研制過程中所涉及的大量技術參數。多種航天器在試飛的過程中若采用實物進行試驗，需要大量的人力及財力的支持，且試驗時具有一定的安全隱患。目前計算機技術快速發(fā)展，計算機仿真技術在航空航天領域得到大范圍應用。利用計算機仿真，在給出特定技術參數的基礎上，通過計算機技術模仿實物的實驗，避免了實驗所帶來的危險性，而更為重要的是仿真在保證實驗數據真實性的基礎上，與實物試飛相比具有極大的經濟優(yōu)勢。在仿真測試中，借助于計算機的精細控制結合轉臺測試設備，可模擬各種航天器或其它飛行器在真實試飛時的環(huán)境，進而對給定參數下的技術參數進行分析實驗。模擬仿真可以在實驗環(huán)境下，在可操控條件下，將傳統(tǒng)的具有一定危險性的實物試飛用可多次反復的模擬仿真來替代，對飛行器的相關技術參數多次實驗，以改善其性能指標，最終使得所設計的飛行器有更合理的技術參數。 （二）永磁同步電機控制系統(tǒng)的國內外研究現狀 在材料學（永磁材料）的快速發(fā)展的同時，各國PMSM（永磁同步電機）的研究日益受到研究人員青睞，同時也增多了PMSM的伺服控制方式。十九世紀二十年代世界上誕生了首個永磁體電機，當時天然的鐵礦石被充作永磁體電機的永磁體，由于這個原因使得永磁體電機體積異常的大，為應用所轉運帶來不便。電勵磁電機的出現逐步淘汰了最初的使用天然磁鐵的永磁體電機。而如今鐵氧體或鋁鎳鈷等永磁體材料的發(fā)現使得磁性能有了較大程度的提升。二十世紀六十至八十年代人們發(fā)現了更適合做永磁體的稀土鈷和釹鐵硼材料。相比于稀土鈷，釹鐵硼材料因為其磁密度高、剩磁性能強、成本較低的特點，更多的應用于永磁體電機中。永磁同步電機，去除了電勵磁繞組和電刷等環(huán)節(jié)，采用永磁體來勵磁，簡化了同步電機結構，同時使得電機的功率因數等技術參數得以明顯提升。同時，由于永磁同步電機定子電流減小及電能消耗明顯下降，轉子在電機正常運行時其電阻損耗相當小。除上述諸多優(yōu)勢外，永磁同步電機還具有體積小，維護成本低，運轉效率高，轉動扭矩大，機械特性強度大、易于散熱等特點。根據永磁體轉子在安裝時的差異，可以將永磁體同步電機分為插入式，內裝式或者是面裝式。 二、 重復控制系統(tǒng) （二）重復控制發(fā)展現狀 重復控制原理是基于內模理論應用的基礎上逐漸演變發(fā)展而形成的。內模原理概念首次由Francis B. A和Wonham W. M應用于他們共同撰寫的多變量線性調節(jié)器模型原理中。在內模原理中給出了一條永磁體電機方面很具有指導性的理念，即當外部信號的動力學模型已經構建且包含于控制器中時，可以很大程度的提升控制系統(tǒng)的控制精度，進而為實現給定信號的無靜止跟蹤提供依據。一九八一年兩學者Inoye T（日本） 與 Iwai S（日本）在內模原理基礎上在抑制諧波時采用了重復控制的方式，提升了電機的伺服控制精度，以此為基礎他們進一步提出改良應用于加速器的勵磁電源精度的方法，并確定了可重復控制的理論。一九八五年，Hara S在電機伺服控制中將重復控制方式應用于多輸入條件模式下，并在此條件下分析研究對多輸入系統(tǒng)穩(wěn)定。之后，他與Yamamoto Y 在信號輸入端使用周期性信號并研究系統(tǒng)穩(wěn)定性能。緊隨其后，研發(fā)人員在電機伺服系統(tǒng)中，將輸入信號端由連續(xù)信號向離散型信號轉變，并在離散數字伺服系統(tǒng)中應用重復控制理論。此時引出了新的問題，即在數字控制系統(tǒng)時，采樣周期與輸入信號周期往往不同步且有時并不具備倍數關系，由此使伺服系統(tǒng)有較差的魯棒性。G.pipeleers, B等人利用高階無窮小的方式研發(fā)高階可重復控制器，將輸入信號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。在步進電機，無刷電機，直流電機或者永磁同步電機的控制系統(tǒng)中，都應用了重復控制技術。其中，將該技術引入到步進電機控制的是孫耀杰，這一方式使五相電機電磁轉矩脈動過強的問題得以一定程度的緩解。此外，無刷直流電機轉速及平穩(wěn)性能經蘇寶庫的努力而得以解決；鄒繼武在永磁同步電機中應用重復控制技術，為由于負載轉矩周期性波動產生電機轉速波動起到了抑制作用。 （二）重復控制研究 重復控制技術作為一項已經比較成熟的技術，得到了廣泛的應用，特別是在控制系統(tǒng)中，起到了很好的效果，它對于整個系統(tǒng)的控制也十分關鍵。重復控制技術的運行平穩(wěn)，也可以達到較為精確的控制。本章先對此技術的運行原理進行闡述，介紹了重復控制系統(tǒng)的構成，同時分析整個系統(tǒng)的運行情況。內部模型，是一種數學模型，它起著將外部信號引入封閉系統(tǒng)中的作用，它是整個重復控制系統(tǒng)的中心。為保證系統(tǒng)運行的精度、提升控制系統(tǒng)跟蹤信號的性能或是有效地防止外界信號干擾，就需要在整個系統(tǒng)中進安裝帶有外界信號的數學模型，這就是內部模型的誕生的原因。同時，如系統(tǒng)穩(wěn)定運行，沒有產生偏差，這時如果系統(tǒng)中帶有內部模型，它就可以穩(wěn)定保證系統(tǒng)向外輸出信號，直到控制的作用。特別是在整個系統(tǒng)運行中如果沒有出現任何誤差的前提下，使用內部模型就可以重復輸出有效的控制信號。 依據內部模型的運行原則，如果進入系統(tǒng)中的信號類型為階躍式，需要將對應的數學模型1/S配置到控制系統(tǒng)中的控制器內，來最終達到無偏差的對信號的跟蹤。一樣的道理，如果進入系統(tǒng)中的信號類型為特定頻率的正弦式，就需要在控制器內配置為相同頻率的正統(tǒng)信號模型/(s2+ω2)，來最終達到無偏差的對信號的跟蹤。但是， 這只是理論上可以實現，實際情況是控制系統(tǒng)中經常需要多頻率的信號輸入，如果實現整個系統(tǒng)的無偏差信號跟蹤效果，就須對每個外部信號配置一個內部模型，不僅沒有意義，也難以達成。 三、 永磁同步電機低速控制系統(tǒng) 永磁同步電機在低速運轉時，整個系統(tǒng)正常，與原系統(tǒng)沒有進行變參數Ｍ／Ｔ的設置相比，整個高速系統(tǒng)有了比較優(yōu)良的精度控制表現，實驗結果也令人滿意國。但是電機控制是一個比較復雜的話題，不應當將注意力只集中在電機本身，任何一個環(huán)節(jié)出現誤差，均會影響到電機的調速性能，同時其它環(huán)節(jié)出現的誤差如果與電機本身沒有明確的區(qū)分，也不利于對于電機的控制，這就也是理論模型與實際運行時的差異所在，所以很有必要控制產生誤差的原因，并應用合理的補償措施。 從永磁同步電機本身的理論特性來講，對于它的控制就涉及到許多方面，實際運行中，也需要對系統(tǒng)的電壓、電子元件、系統(tǒng)運行的檢測進行控制，這無疑會增加電機控制系統(tǒng)的復雜性，其它的因素造成的誤差使得理論模型與實際運行相去甚遠。所以就需要對這些外部因素進行分析、控制，并對電機運行進行的誤差曝氣，將理論模型最大程度地貼近實際系統(tǒng)，實現對電機進行較好的控制。尤其是在電機以較低速度運轉時，它的電壓等技術參數會低于電機在額定轉速狀態(tài)下的技術參數值，所以為達到更加穩(wěn)定的控制性能，就有必要對這些因素進行誤差補償。 對于如何控制電機的轉速，第一步就是需要計算得出需要多長時間來控制電機的轉速。第一個因素就是PWM周期，它是電機進行速度控制的基礎，同時將逆變器的頻率等其它技術因素考慮在內，得出PWM的周期和頻率，也就是PWM頻率為５ｋＨｚ。同時，電流環(huán)產生的電壓也與PWM波密切相關，為提升電流環(huán)的反映速度，將它的周期設置為０．２ｍｓ。并且要注意對速度環(huán)周期的設置，一般情況下，如果速度環(huán)的周期過長，就不能及時地對電機進行轉速控制，如果周期過短，也會出現時間不夠充足，無法進行完整的算法，也達不到較好的控制效果。所以需要依據實際運行情況結合控制經驗來進行周期的取值，一般將速度環(huán)周期設定為電流環(huán)的10倍?？刂齐姍C轉速的第二步就是對控制器進行合理的設計，本文推薦將電機低速運行時的測速算法應用到控制器的設計中來，可以提升數據的精確性，而且算法兼容性強，可以應用到多種控制器上。  四、 重復控制在永磁電機低速控制系統(tǒng)中的設計 （一）重復控制方法是通過內部模型作為基礎而運行 內部模型的運行要求指出，如果被反饋的信號促使控制器產生反饋信號，且同樣的來來自外界的信號也出現在反饋回路中，那么可以推斷出控制系統(tǒng)是處在穩(wěn)定運行的狀態(tài)中。重復控制的作用實際上是對于控制信號的偏差，再加載一個上一次的偏差信號。圖2展示了重復控制系統(tǒng)的構成，實際使用的過種中，將額外的重復信號控制器設置到現有的PI控制器內，起到了對信號的校正作用，圖4為使用對電流進行控制的裝置來確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。 （二）仿真波形分析 為了測試以上控制器的運行性能，在ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ設計了PMSM的控制模型，并對其進行了相應的模擬測試。以下是電機相關技術參數的設置額定功率８００Ｗ；額定相電壓１５０Ｖ；等。 為了測試對控制系統(tǒng)進行模擬的相關參數，待整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，在t=0.15s時增加負載，可以得到相關的技術參數，如相電流等。通過波形可以判斷出，控制系統(tǒng)的反應速度較為理想，特別是突然增加負載時，系統(tǒng)的運行狀態(tài)也比較穩(wěn)定。 結 論 本文使用了重復控制技術以達到對PMLSM永磁電機控制體系中的相位移動信號與干擾信號的周期性跟蹤。從上文所進行的試驗不難看出，重復控制技術可以高效地抵抗干擾信號，對輸入信號也可以高精度地進行踴躍。從模擬測試的結果也可以看出，在對重復控制系統(tǒng)進行進一步地改進后，它可以有效地減緩誤差信號的影響，理論模型與實際系統(tǒng)更另吻合。所以，重復控制技術對永磁電機的控制還是起到了良好的作用。 參考文獻 [1] 趙建亞.基于 DSP 的轉臺伺服控制的設計與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學學位論文， 2006：1-3. 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