磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统前馈补偿模糊控制方法

磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统前馈补偿模糊控制方法 李建文，等 ~01tt~类号：TM351 TM341 文献标志码：A 文章编号：1001-6848{2009)05-0035·04 磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统前馈 补偿模糊控制方法 李建文，刘 刚，李 红 (北京航空航天大学 仪器科学与光电 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，北京 100083) 摘 要：针对控制力矩陀螺 (CMG)框架伺服系统带宽中的幅值和相位受到限制问题，提出一 种前馈补偿方法；但是由于伺服系统中电流环调节系数对框架转速的敏感性，使得简单定值的 PID调节参数很难在稳态静差和动态纹波两方面都将系统调节到最佳状态。采用模糊控制的方法 并通过仿真和实验证明解决了调节参数需要随反馈速度变化的难题，补偿 了前馈解决带宽问题 的不足之处。 关键词：永磁同步电动机；控制力矩陀螺；带宽；前馈；模糊控制 Fuzzy Control Method of Gimbal Servo System in M agnetically Suspended Rotor System of CM G LI Jian-wen，LIU Gang，LI Hong (School of Instrumentation Science and Optoelectronics Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100083，China) Abstract：For the problem of amplitude and phase restricted in bandwidth of control moment gyro- scope(CMG)gimbal selwo system，proposed a method of feed forward to compensate the attenua‘ tion of amplitude and lag of phase．However，the sensitivity of adjusting coefficient to gimbal veloci- ty made simple parameter of PID difficult to reach the optimization when static difference and dynam— ic ripple to conflict in the current ring． And the paper adopted the fuzzy control to solve the difficult problem that adjusting coefficient changed with velocity~edback，to compensate lack of solution of bandwidth problem． ， Key W ords：PMSM；CMG；Bandwidth ；Feed forward；Fuzzy control 0 引 言 控制 力矩 陀 螺 (CMG-Control Moment Gyro． scope)是空间站等大型航天器姿态控制关键执行 机构，而 CMG框架所采用 的是永磁同步电机 (PMSM)H J。它不但控制方便，效率高，而且维 护简单，能完全消除转矩脉动。但是在 PMSM的 电流环中存在 A／D转换器、复杂的坐标变换和 PWM发生器等几个部分；这些部件通过采样、 数字化的方式拟合正弦波，使得由于采样的离散 性而存在着固有的时间滞后。实际电流环的电流 变化速度很快，这就要求更高的采样频率去消除 由于采样的离散性而引起的时间滞后。但是采样 收稿日期：2007—08．09 频率太高会提高系统随机噪声干扰，而且特别高 也存在不可实现性。本文采用一种前馈方法，不 但对时间滞后进行补偿，而且只需很小的调节系 数就能满足系统带宽要求，进而提高了系统的稳 定裕度。但是比例调节系数是一个对转速很敏感 的系数，并考虑到比例调节系数是靠经验获得值 而采用模糊控制。模糊控制是基于知识和经验， 无须建模既可对复杂的非线性系统进行有效控 制 ，所以通过模糊控制能很好地抑制比例系 数对转速的敏感性。本文在对整个加前馈模糊控 制方法和没有加前馈的两个系统都进行仿真，并 通过实验验证了方法的有效性。 1 框架电机电流环模型 陀螺框架采用永磁同步电机。其控制分为位 · 35 · 徽 电机 《 瑚 ∞ t i ；H ) ㈩ ∞ 0 J ∞l J ) 图中， (s)和 Hq(s)是直轴和交轴的增益系数。 由图1可得： ：)㈤ 上式可以理解为系统迫使 i 和 i 跟踪 和 ， 在一般的精度和带宽范围内是可以满足要求 的。但是由(1)式可知，系统存在着耦合，其直轴 和交轴之间的关系可以由下面的模型体现出来： 而由式(1)和图2知，需要对i 和 i。进行解 耦。其中比较简单的方法就是将对方的耦合看作 是干扰，这样通过干扰补偿便可以得到下面的解 耦方程： ㈡= o + · 3 · ∞ 州 (7) 图2 交轴和直轴的耦合模型 然而，式(7)在实现的时候却对硬件要求很 高，并且需要准确的在线模型辨识。极高的要求 和复杂的运算使得实现周期长，计算量大，难以 实现。所以一般还是采用式(6)的方法进行实现， 对 i 和 i。跟踪，它是一种准解耦方法。 2 电流环前馈补偿 对式(7)中 和i。在线获取相对比较慢的时候 可以把他们近似看作 和 ，这样式(7)便可以 改写为： 令 0 (s) 一 (s) toLd +∞ ． +■ 一 。 一 盟 一 茄 等 (8) 则式(8)便可以表示成： t t q -iq 这样先对参考电流进行前馈补偿，然后再对 补偿后的电流进行跟踪，实现直轴和交轴的完全 解耦，从而对电流能更好地跟踪控制。 当传递函数 (s)、 (s)仅仅采用比例控制 时，在式(6)中希望通过增大 (s)、 (s)提高 系统的静态误差，但是一味的提高 (s)、 (s) 会对系统造成不稳定。通过前馈补偿后就对 (s)、 (s)要求很低了，只需很小的值就可以减 小静态误差。然而实验表明： (s)、 (s)较小 时，电流纹波小，静态误差大； (s)、 (s)较 大时，电流纹波大，静态误差大，并且它们的误 ¨ H 厂 磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统前馈补偿模糊控制方法 李建文，等 差都和速度有关。所以一个静态的 (s)、I-i,"s) 很难兼顾各个方面的要求。 3 电流环增益系数的模糊控制 对于静态的 (s)、 (s)很难兼顾很多要求 的时候可以考虑到应用变化的 (s)和 (s)来调 节电流。实验和仿真表明，当速度很高的时候可以 将 (s)和 (s)调大，而当速度很小的时候应当 将 (s)和 (s)调小。而这个过程很难量化，所 以选用模糊控制对 ( )和 ( )进行调节。 根据模糊推理规则， (s)和 (s)的模糊推 理形式可表示为： If(ccJ is X )and( is X肥) (10) d 根据系统对于各个输入函数的敏感性和调试 结果，可对输入 和 Ow／Ot的模糊语言变量词集 取为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，并且将 范围直接设为[一10，1O]，也可以通过系统增 益调节。隶属函数进行定义如图3所示。 角速度∞ (8j角速率隶属函数 一 l 一0 8⋯o 6 o 4_o．2 o o 2 o．4 o 6 o 8 角加速度 a∞，a c (1 )角加速率隶属函数 图 3 系统输入 的隶属函数 输出函数由于只是比例，所以范围也只有正 值，所有的模糊语言为{O，PS，PM，PB}。隶属 函数可以根据仿真和实验的结果进行调试得到， 如图4所示。 通过上面的输入函数和输出函数隶属函数的 经验定义和在线调试，可对基本的模糊规则依据 式(10)定义出来。每一个规则按照一定的加权对 输出调节，最后通过解模糊对实际的两个参数在 线调节以达到系统要求。 4 系统仿真 在没有前馈的条件下一般要将 (s)和Ha(s)调 到20才能满足系统的幅度要求，但是其纹波比较 大。 (s)和Ha(s)较大时系统也容易出现不稳定。 0 0．1 0 2 0 3 0 4 0．5 0．6 0．7 0．8 0．9 l (a)商轴比例系数隶属函数 0 0．1 0．2 0．3 0 4 0．5 0．6 0．7 0．8 0 9 l 【b1交轴比例系数隶属函数 图4 系统输出的隶属函数 t／s (a)未加前馈系统跟踪图 f，s (b)加前馈模糊控制系统跟踪图 图5 系统仿真曲线 当 (s)和 (s)都为o．15时候，如图5(a)所 示，纹波相对小一些，稳定域也比较宽，但是从图中 可以看出，不但出现相移，并且幅度出现衰减。而在 加前馈的条件下只需简单的模糊控制， (s)和 (s)就能满足系统幅度要求了，如图5(b)所示，在 (s)和 (s)很小的情况下，不但使得幅度满足了 要求，而且使得相移也比图5(a)有所提前。 图6(a)是没有加前馈强制跟随电流的仿真模 型，而图6(b)是在加前馈的条件下对 (s)和 (s)进行模糊控制的仿真模型。 通过前面的仿真结果可知，前馈的加入真正 对直轴和交轴进行了解耦，在模糊控制的条件下 对敏感的比例系数进行了控制，用很小的 (s) 和Ha(s)就可以满足幅度要求，扩宽系统的稳定 域，并且提高了系统的相移。 · ．?7 ． 徽 电机 蛤定 (a)系统未加前馈模型 (b)系统加前馈模糊控制模型 图6 系统仿真模型 5 实验结果 由于在实现过程中经仿真发现系统对角加速 率敏感性并不是很明显，并且通过仿真发现在本系 统中单输入的模糊控制和双输入的模糊控制结果 相差不大，所以在考虑采用 DSP非模糊芯片硬件 难实现和系统对角加速率的不敏感性，前馈模糊 控制采用单输入的方式实现。 整个系统是以一片TMS320F2812数字信号处 理芯片为主要的核心芯片、在三环闭合的情况下 控制框架电机。原理样机见图7。实现前馈模糊控 制的磁悬浮控制力矩陀螺控制主控制器的主频为 150 MHz，电流环采样频率为10 kHz，外环采样频 率为500 Hz。实验室所采用的陀螺位置和速度传 感器是旋转编码器，位置信号能达到l9位。采用 6路配合的对称PWM波，其频率能达到20 kHz。 在电流环中为了提高相应速度，采用比例控 制，加入前馈后，并且用模糊控制对比例系数调 节。其中模糊控制采用的运算规则，实现非常方 便简单。图8(a)和图8(b)是在没加前馈和加了前 馈模糊控制方法的实验数据通过下位机的串El数 据传到上位机，然后再通过Vc++界面对其处理 画出的实验数据图形。 ． 33 ． 套m 越 瑙 10 If∞is S，then H (s)is S If is B，then H’(s)is B 速度给定 图7 原理样机 撅 丽 丽 一 一 一 -K-ii-K-~o 4：-A： 一 一 一 一 (b)加前馈模糊控制 图8 系统测带宽和相位试验数据 (下转第42页) 徽 电机 试点3所测波形是相电流波形和相电压波形，分 别如图5(b)、(C)、(d)所示。从波形可以看出， 信号处理电路功能完善，无刷电机运行状况 良 好，验证 了控制方案及整体 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的正确性与可 行性。 (a)霍尔信号 (b)相电流、直流母线电流 (C)600 r／minl~相电压 (d)1 200 r／min时相电压 图5 电机电流、电压波形 4 结 论 本文设计了基于无刷直流电机的混合动力汽 车用新型电控离合器系统。文中介绍了电控离合 器系统的结构和原理，给出了无刷电机控制方案； 详细分析了电机控制原理、驱动与逆变电路、转 子位置检测以及电流检测电路；最后通过在混合 动力原型车上试验，验证了机械结构和电控系统 的合理性和可靠性，为下一步电控离合器系统控 制策略优化打下了一定的硬件基础。 参考文献 [1] 徐石安，江发潮．汽车离合器[M]．北京：清华大学出版 社 ，2005． [2] 陶永华．新型PID控制及其应用[M]．北京：机械工业出版 社。2002． [3] 张琛．直流无刷电动机原理及应用[M]．北京：机械工业出 版社。2003． 作者简介：储爱华(1983一)，男，南通人，硕士研究生，从 事汽车电子控制。 (上接第 23页) ： H 4．00i ■■ ●- —- ●■■ 蓬辩一 耄 一篱簿 鋈 。■一 ’■_ ⋯■- ■ 一 1460V 一 6 00V 一 3 40、 一 0 40V 一 5螂 4g 9 一546548 9 图5 SVPw驱动方式下绕组相电流与 三相PWM驱动信号波形图 上加入PID速度闭环控制，极大地提高了系统的 实时性和稳定性。 参考文献 [1] 李燕林，忠岳，田茂．基于DSP的恒压频比控制SVPWM方式 的研究和实现【J]．计算机技术与自动化，2OO4，4：67-69． [2] 谢世杰，陈生潭，楼顺天．数字 PID算法在电机控制器中的 应用 现代电子技术[J]．2004，2：59-61． [3] 陈振华．分体式直流变频空调室外机电控系统设计[D]．西 北工业大学，2007． 作者简介：胡延苏(1985一)，女，硕士研究生，从事机电控 制的研究。 (上接第38页) 6 结 论 本文通过一种前馈方法有效地跟踪正弦波并 且抑制由于系统数字化所引起的相位滞后。对于 出现控制环比例系数敏感问题采用模糊控制方法 调节。仿真和实验结果都表明，这种方法能提高 系统的相位滞后问题和带宽问题。 参考文献 [1] 李钟明，刘卫国．稀土永磁电机[M]．北京：国防工业出版 社。1999． [2] Lai Yenshin，Chen Jianho．A New Approach to Direct Torque Control of Induction Motor Drives for Constant Inverter Switching · · Frequency and Torque Ripple Reduction[J]．IEEE．Transac— tions on Energy 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