《運(yùn)動控制系統(tǒng)》課件第12章

第12章數(shù)字式運(yùn)動控制系統(tǒng)

12.1運(yùn)動控制系統(tǒng)數(shù)字控制的特點(diǎn)12.2運(yùn)動控制系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)12.3基于DSP的運(yùn)動控制系統(tǒng)12.4智能控制在運(yùn)動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用12.5運(yùn)動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制簡介習(xí)題與思考題12.1運(yùn)動控制系統(tǒng)數(shù)字控制的特點(diǎn)連續(xù)控制系統(tǒng)以反饋控制理論為基礎(chǔ)，由模擬電子電路構(gòu)成控制器，因而存在如下主要弱點(diǎn)：

(1)由運(yùn)算放大器構(gòu)成的PID調(diào)節(jié)器，其參數(shù)一經(jīng)設(shè)定，不易調(diào)整，對工況的變化和對象的變化自適應(yīng)能力差。

(2)模擬控制器很難實(shí)現(xiàn)高級的控制策略和控制方法，難以對交流電機(jī)對象實(shí)現(xiàn)高性能的控制。

(3)用模擬器件構(gòu)成的控制電路集成度不高，硬件復(fù)雜，可靠性低，可重復(fù)性差。因此，連續(xù)控制已經(jīng)不能適應(yīng)運(yùn)動控制系統(tǒng)的發(fā)展和需要。以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，不僅克服了上述連續(xù)控制的弱點(diǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)原連續(xù)控制無法實(shí)現(xiàn)的高度復(fù)雜、高精度的控制，為運(yùn)動控制注入了新的活力，并將其推向更高的發(fā)展階段。數(shù)字控制的主要特點(diǎn)如下：

(1)控制系統(tǒng)集成度高，硬件電路簡單，可靠性高，可重復(fù)性好，對于不同的控制對象和控制要求，只需改變控制算法軟件即可，可以實(shí)現(xiàn)同一控制器既可控制直流電機(jī)又可控制交流電機(jī)。

(2)數(shù)字控制器的輸入輸出通道可以實(shí)現(xiàn)控制量的模擬輸出、反饋量的數(shù)字輸入，具有數(shù)據(jù)采集速度快、值域范圍寬、分辨率高、精度高等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)高性能的運(yùn)動控制系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。

(3)采用高速數(shù)字信號處理器為控制器，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的高性能的各種控制策略和方法，如矢量控制、多變量模糊控制等。由于軟件的靈活性，數(shù)字控制可以實(shí)現(xiàn)人工智能，更好地適應(yīng)控制系統(tǒng)的復(fù)雜多變性。

(4)借助一些人機(jī)界面設(shè)備（如與處理器相連的液晶顯示屏、控制面板、觸摸屏等）實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控、預(yù)警、故障診斷等功能；借助處理器的通信能力實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信；借助現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)底層控制設(shè)備的連網(wǎng)，更方便實(shí)現(xiàn)高復(fù)雜度的多機(jī)協(xié)同工作。單個電機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)只是一條生產(chǎn)線或一個車間集散控制系統(tǒng)或分布控制系統(tǒng)（DCS）中的一個點(diǎn)或一個控制回路，它是復(fù)雜控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控的對象。因此，有必要對典型的單機(jī)數(shù)字控制傳動系統(tǒng)進(jìn)行介紹。12.2運(yùn)動控制系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)的數(shù)字化實(shí)12.2.1系統(tǒng)狀態(tài)量的數(shù)字檢測

1.脈沖式轉(zhuǎn)速傳感器脈沖式傳感器測速裝置的基本組成部分包括一個脈沖發(fā)生器和一個由微機(jī)接口芯片等元件構(gòu)成的檢測變換與控制電路。脈沖發(fā)生器與被測轉(zhuǎn)軸硬性連接，轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，脈沖發(fā)生器輸出一固定的脈沖數(shù)，因而其輸出脈沖的頻率與轉(zhuǎn)速成正比。設(shè)脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)為P，則一個脈沖對應(yīng)的轉(zhuǎn)角為若在時間T(s)內(nèi)測得轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度為θ(rad)，則轉(zhuǎn)速測量值n的一般計(jì)算式為

式（12-2）中的θ等于脈沖個數(shù)與θP的乘積。由此可見，原則上有測量一定時間內(nèi)的脈沖數(shù)和測量脈沖周期兩種測速方法。由這兩種基本方法還可派生出多種測速方法，它們所測得的轉(zhuǎn)速均是檢測時間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速。常用的測速方法有M法、T法和M/T法三種。（12-1）（12-2）

1)M法測速

M法測速是指在規(guī)定的檢測時間Tc(s)內(nèi)，對光電碼盤輸出的脈沖個數(shù)m1進(jìn)行計(jì)數(shù)。轉(zhuǎn)速為

實(shí)際上，在Tc內(nèi)的脈沖個數(shù)m1一般不是整數(shù)，而用微機(jī)中的定時/計(jì)數(shù)器測得的脈沖個數(shù)只能是整數(shù)，因而存在著量化誤差。例如，要求誤差小于1%，則m1應(yīng)大于100。（12-3）在一定的轉(zhuǎn)速下要增大m1以減小誤差，可增加檢測時間Tc；但考慮到光電碼盤測速的主要目的是在數(shù)字伺服系統(tǒng)中測取速度反饋量供閉環(huán)使用，故檢測時間Tc也不能太長，一般應(yīng)在0.01s以下。由此可見，減小量化誤差的方法最好是增加光電碼盤每周輸出脈沖數(shù)P。

M法測速適合于測量高速轉(zhuǎn)速，因?yàn)樵赑及Tc相同的條件下，高轉(zhuǎn)速時m1較大，量化誤差較小。

2)T法測速

T法測速是指在碼盤輸出第一個脈沖周期內(nèi)對高頻時鐘脈沖的個數(shù)m2進(jìn)行計(jì)數(shù)。轉(zhuǎn)速為式中：f0為高頻時鐘脈沖的頻率。為了減小量化誤差，m2不能太小，所以T法在測量低轉(zhuǎn)速時精度較高。當(dāng)然，轉(zhuǎn)速也不宜很低，以免碼盤發(fā)出一個脈沖的周期太長，影響測量的快速性。為了提高測量的快速性，應(yīng)當(dāng)選用P值較大的光電碼盤。（12-4）若采用Intel8096系列單片微機(jī)，則可利用高速輸入單元HSI的中斷工作方式。具體做法是將碼盤輸出脈沖送入某一個HSI口，規(guī)定碼盤輸出脈沖的正跳變（或負(fù)跳變）為一個事件，于是HSI單元可自動捕獲碼盤輸出脈沖的正跳變（或負(fù)跳變），記下跳變發(fā)生時刻的定時器讀數(shù)，并申請中斷。在中斷服務(wù)程序中，將最近兩次跳變時刻的定時器讀數(shù)相減，即可得出m2。

3)M/T法測速

M/T法測速在稍大于規(guī)定時間Tc的某一時間Td內(nèi)，分別對光電碼盤輸出的脈沖個數(shù)m1和高頻時鐘脈沖個數(shù)m2進(jìn)行計(jì)數(shù)，如圖12-1所示。于是可求出轉(zhuǎn)速

（12-5）圖12-1

M/T法測速原理

Td的開始和結(jié)束都應(yīng)當(dāng)正好是光電碼盤脈沖的上跳沿，這樣就可保證檢測的精度。采用Intel8096系列單片微機(jī)，如80C196。如圖12-2所示，用一個D觸發(fā)器作為接口，由HSO.0口產(chǎn)生一個寬度為Tc的脈沖至D觸發(fā)器的D端，CP端則接收光電碼盤的脈沖信號PLG。端輸出的脈沖，寬度為Td，其下降沿及上升沿均和PLG脈沖的上升沿同步，保證在Td時間內(nèi)包含整數(shù)個PLG脈沖。高速輸入單元HSI.0采用中斷工作方式，應(yīng)用適當(dāng)?shù)闹袛喾?wù)程序，得出時間Td。PLG脈沖串同時輸入HSI.0口，利用80C196內(nèi)的計(jì)數(shù)器T2計(jì)數(shù)，再通過適當(dāng)?shù)某绦蛲瓿蒑/T法測速的功能。圖12-2

M/T法測速方案之一

2.模擬式轉(zhuǎn)速傳感器

A/D轉(zhuǎn)換器是微機(jī)檢測模擬量時普遍使用的接口芯片。由測速機(jī)、變換電路及A/D轉(zhuǎn)換器組成的模擬式轉(zhuǎn)速傳感器，其原理如圖12-3所示，圖的三部分均具有線性特性。

圖12-3測速機(jī)測速的電路原理圖

(1)分辨率。設(shè)考慮到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時的最高轉(zhuǎn)速為nmax，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為N，則測速分辨率為

nmax一定時，A/D的位數(shù)越多，分辨能力(Rn)越強(qiáng)。nmax和N選定后，CPU從A/D轉(zhuǎn)換器讀入的轉(zhuǎn)換值D與轉(zhuǎn)速成正比。轉(zhuǎn)速測量值的計(jì)算式為

n=Rn·D(r/min)（12-7）（12-6）直流測速機(jī)用于可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)測速時，其輸出電壓Ua具有雙極性。雖可采用雙極性A/D轉(zhuǎn)換檢測，但由于符號占1位，使分辨率Rn增大1倍，分辨能力下降。為了充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，提高分辨能力，測速機(jī)輸出電壓的變換電路采用圖12-4所示電，由UD提供轉(zhuǎn)向判別信號，送微機(jī)實(shí)現(xiàn)判向。

(2)測速精度。測速發(fā)電機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器測速的精度，除取決于這兩個元件本身的精度外，還與測速機(jī)輸出電壓變換電路的誤差有關(guān)。引起這些誤差的因素較多，與脈沖測速法相比，其測速精度不高，這也是測速機(jī)常用在對控制性能要求不高的傳動系統(tǒng)中的原因。

(3)檢測時間。測速發(fā)電機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器測速的檢測時間，包括A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間、微機(jī)執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換程序及轉(zhuǎn)向判別、轉(zhuǎn)速測量值運(yùn)算程序等所經(jīng)歷的時間。與脈沖式傳感器測速相比，測速機(jī)所需檢測時間不長，對系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)周期影響不大。測速機(jī)所測轉(zhuǎn)速為A/D轉(zhuǎn)換時刻對應(yīng)的轉(zhuǎn)速瞬時值。

(4)轉(zhuǎn)速反饋值和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。由式（12-7）可得轉(zhuǎn)速反饋值

Nf=αn=αRnD（數(shù)字值）（12-8）由于分辨率Rn與轉(zhuǎn)速無關(guān)，所以轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α值的確定與M法測速相同。當(dāng)取αRn=1時，Nf=D（數(shù)字值），這樣可簡化轉(zhuǎn)速給定值Nga與反饋值Nf之間的偏差量的求取。圖12-4測速機(jī)輸出電壓變換電路12.2.2數(shù)字濾波對于傳統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)，其控制效果與所獲取的檢測狀態(tài)變量的可靠性和控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)周期有很大關(guān)系。模擬信號都必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后才能為單片機(jī)接收。若干擾作用于模擬信號，則會使A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果偏離真實(shí)值。如果僅采樣一次，是無法確定該結(jié)果是否可信的，必須多次采樣，得到一個A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)系列，通過某種處理后，才能得到一個可信度較高的結(jié)果。這種從數(shù)據(jù)系列中提取逼近真值數(shù)據(jù)的軟件算法通常稱為數(shù)字濾波算法，由它實(shí)現(xiàn)的環(huán)節(jié)稱為數(shù)字濾波器。它的不足之處是占用CPU的時間。干擾信號分周期性和隨機(jī)性兩種，采用積分時間為20ms整數(shù)倍的雙積分型A/D變換方式能有效地抑制50Hz工頻干擾。對于非周期性的隨機(jī)干擾，常采用數(shù)字濾波器來抑制。它與模擬濾波器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）數(shù)字濾波器是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加任何硬件設(shè)備，也不存在阻抗匹配問題，可以多個通道共用，不但可以節(jié)約投資，還可以提高可靠性和穩(wěn)定性。（2）可以對頻率很低的信號實(shí)現(xiàn)濾波，而模擬濾波電路由于受電容容量影響，頻率不能太低。（3）靈活性好，可以用不同的濾波程序?qū)崿F(xiàn)不同的濾波方法。在傳統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)中常用的數(shù)字濾波器有滑動平均值濾波器、限幅濾波器、防脈沖干擾平均值濾波器等。

1.滑動平均值濾波器滑動平均值濾波器采用列隊(duì)作為測量數(shù)據(jù)存儲器，隊(duì)列的長度固定為N，每進(jìn)行一次新的測量，把測到的結(jié)果放入隊(duì)尾，扔掉原來隊(duì)首的一個數(shù)據(jù)，這樣在隊(duì)列中始終有N個最新的數(shù)據(jù)。將這N個數(shù)據(jù)進(jìn)行一次算術(shù)平均，就可以得到新的算術(shù)平均值，其算式為

式中:xi為各采樣時刻的采樣值；為第n次采樣時刻的濾波值。（12-9）在用微機(jī)實(shí)現(xiàn)該濾波器時，主要考慮檢測數(shù)據(jù)不足N個時應(yīng)如何進(jìn)行處理。一般有兩種解決方法：一是此時不濾波，直接將該采樣值作為濾波值輸出；一是認(rèn)定此時的濾波值=0。前面一種處理方式較為常用。

2.限幅濾波器限幅濾波器把相鄰兩次采樣值相減，求出其增量（以絕對值表示）,然后與兩采樣允許的最大差值ΔY（由被控對象的實(shí)際情況決定）進(jìn)行比較。其程序流程是：如果小于或等于ΔY，則取本次采樣值；如果大于ΔY，則取上次采樣值作為本次采樣值，即（12-10）若若則則12.2.3函數(shù)發(fā)生器

1.給定積分器有些場合要求傳動控制系統(tǒng)具有緩慢的啟停和加減速特性，以減小沖擊電流或減小對機(jī)械傳動部件的沖擊等。在這種情況下，需要在系統(tǒng)的輸入端加入一個給定積分環(huán)節(jié)，將階躍轉(zhuǎn)速給定變換成一個斜坡函數(shù)。圖12-5所示是給定積分環(huán)節(jié)的方框圖。從圖中可以得到給定積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)（12-11）圖12-5給定積分環(huán)節(jié)式中，。上式離散化后，可得到給定積分環(huán)節(jié)的位置式計(jì)算式:

式中:T為采樣周期；Ugn(n+1)為Ugn在第n+1采樣時刻的數(shù)值；e(n)為第n采樣時刻的數(shù)值。（12-12）利用遞推原理，由式（12-12）可以得出給定積分環(huán)節(jié)的增量式計(jì)算式:

利用式（12-13）很容易用微機(jī)實(shí)現(xiàn)給定積分環(huán)節(jié)，每個采樣周期定時一到，采樣讀入，計(jì)算，則可求得Ugn(n+1)。圖12-6所示是用式（12-13）實(shí)現(xiàn)給定積分環(huán)節(jié)的程序流程圖。（12-13）圖12-6實(shí)現(xiàn)給定積分環(huán)節(jié)的程序流程圖在具體編程實(shí)現(xiàn)積分環(huán)節(jié)時，還需考慮以下幾個問題：

(1)給定積分環(huán)節(jié)的積分飽和值就等于給定的階躍值，因而對同一階躍值的給定積分環(huán)節(jié)其飽和值是不變的，而對不同階躍值的給定積分環(huán)節(jié)，其飽和值應(yīng)隨給定階躍值的改變而改變。

(2)采樣周期的選取和實(shí)現(xiàn)。采樣周期越短，要求調(diào)控周期越小，控制系統(tǒng)可能具有更好的控制效果，因此采樣周期的選取應(yīng)考慮調(diào)控周期的大小。在具體實(shí)現(xiàn)時可采用定時器，將采樣周期轉(zhuǎn)換為定時時間常數(shù)，用重復(fù)定時法定時，改變定時時間常數(shù)，就可以改變采樣周期的長短。

(3)給定階躍量的采樣。給定階躍量有兩種給定方式:一是模擬量給定;一是數(shù)字量給定。對于前者，必須通過A/D變換器采樣輸入微機(jī)；對于后者，可以通過鍵盤直接輸入微機(jī)。

2.電壓-頻率函數(shù)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)電壓-頻率協(xié)調(diào)的電壓-頻率函數(shù)發(fā)生器，其函數(shù)關(guān)系式為

式中:U1為定子電壓；f1為定子頻率；Ub為補(bǔ)償電壓初值；K為比例系數(shù)。（12-14）圖12-7所示為式（12-14）對應(yīng)的特性曲線。從圖中可看出，當(dāng)f1≥f1N時，U1=U1N；當(dāng)K值及Ub不同時，特性曲線也不同，即電壓補(bǔ)償量不同，尤其可通過選擇不同的K及Ub值使電壓-頻率協(xié)調(diào)控制適應(yīng)不同的負(fù)載。根據(jù)式（12-14）便可用微機(jī)來實(shí)現(xiàn)電壓-頻率協(xié)調(diào)的控制特性，圖12-8所示為實(shí)現(xiàn)該控制特性的程序流程圖。在具體編程時還需要考慮以下幾個問題：

(1)適應(yīng)不同的負(fù)載。為了使微機(jī)所實(shí)現(xiàn)的電壓-頻率協(xié)調(diào)控制特性能適應(yīng)不同的負(fù)載，可事先計(jì)算出多種不同的K及Ub值的電壓-頻率協(xié)調(diào)的特性曲線，用表格的方式處理，每條特性曲線列一張表格，給每條特性曲線編一代號，使用時根據(jù)所選定的曲線代號及頻率查表求出電壓。

(2)表格的分辨率。表格長度一定，表格的分辨率也就隨之而定。例如,f1=0~50Hz，若選定表格長度為256，則頻率的分辨率為Δf1=0.195Hz；若選定表格長度為512，則Δf1=0.098Hz。圖12-7電壓-頻率配合控制特性圖12-8電壓-頻率配合控制特性的程序流程圖12.2.4數(shù)字控制器

1.PID控制器按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器，簡稱為PID調(diào)節(jié)器，是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛的一種調(diào)節(jié)器。將它移植到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，通過軟件予以實(shí)現(xiàn)，對于大多數(shù)控制對象都能獲得滿意的控制效果，所以人們常常采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)算法，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)在線整定參數(shù)，有很強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。由于軟件設(shè)計(jì)的靈活性，數(shù)字PID算法可以很容易得到修正而比模擬PID調(diào)節(jié)器的性能更完善。因此，數(shù)字PID控制算法是電動機(jī)微機(jī)控制中常用的一種基本控制算法。

1)常規(guī)PID控制器

PID控制算法的模擬表達(dá)式為

式中:Y(t)為PID控制器的輸出量；e(t)為PID控制器的輸入偏差量；KP為PID控制器的比例系數(shù)；TI為PID控制器的積分時間常數(shù)；TD為PID控制器的微分時間常數(shù)；Y(0)為輸出量的初值。（12-15）模擬PID控制器中比例調(diào)節(jié)器的作用是對偏差作出瞬間快速反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用使控制量向著減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)、弱取決于比例系數(shù)KP。式（12-15）表明，只有當(dāng)偏差存在時，第一項(xiàng)才有控制量輸出，因此對于大部分控制對象，如直流電動機(jī)的電樞電壓調(diào)速，要加上適當(dāng)?shù)暮娃D(zhuǎn)速及機(jī)械負(fù)載有關(guān)控制常量Y(0)，否則，單用比例調(diào)節(jié)器會產(chǎn)生靜態(tài)誤差（靜差）。積分調(diào)節(jié)器的作用是把偏差積累的結(jié)果作為它的輸出。在調(diào)節(jié)過程中，只要偏差存在，積分器的輸出就會不斷增大，直至偏差e(t)=0，輸出Y(t)才可能維持某一常量，使系統(tǒng)在設(shè)定值不變的條件下趨于穩(wěn)態(tài)。因此，即使不加上適當(dāng)?shù)目刂瞥Ａ縔(0)，有了積分調(diào)節(jié)器也能消除系統(tǒng)輸出的靜差。積分調(diào)節(jié)作用雖然可以消除靜差，但會降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)輸出的超調(diào)。式（12-15）的第二項(xiàng)表明，積分常數(shù)TI越大，積分的累積作用越弱，反之則積分作用越強(qiáng)。TI必須根據(jù)控制的具體要求來選定。增大TI將減慢消除靜差過程，但可減少超調(diào)，提高穩(wěn)定性。實(shí)際的控制系統(tǒng)除了希望消除靜差，還要求加快調(diào)節(jié)過程，有必要在偏差出現(xiàn)的瞬間或偏差變化的瞬間，不但對偏差量作出即時反應(yīng)（即比例調(diào)節(jié)作用），而且根據(jù)偏差的變化或者說偏差的變化趨向預(yù)先給出適當(dāng)?shù)目刂屏?。為了達(dá)到這一目的，可以在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入微分調(diào)節(jié)器，這樣就得到式（12-15）所示的PID調(diào)節(jié)器。微分調(diào)節(jié)器的作用是阻止偏差的變化，偏差變化越快，微分調(diào)節(jié)器的輸出也越大。因此微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，它加快了系統(tǒng)跟蹤的速度。適當(dāng)選擇微分常數(shù)TD，對恰當(dāng)?shù)貙?shí)現(xiàn)上述微分作用是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)的模擬PID調(diào)節(jié)器是用硬件（如電子元器件、氣動裝置、液壓器件等）實(shí)現(xiàn)它的調(diào)節(jié)規(guī)律的。自從微機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，只要對式（12-15）所示模擬PID控制規(guī)律作適當(dāng)?shù)慕谱儞Q，以適合微機(jī)運(yùn)算，就可以用軟件來實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)。這樣就提供了更大的靈活性，從而在微機(jī)控制中得到廣泛的應(yīng)用。對式（12-15）進(jìn)行離散化處理，可得

式中:T為采樣周期；e(n)為第n次采樣時刻的輸入偏差值；Y(n)為第n次采樣時刻的輸出值；n為采樣序號，n=0,1,2,…。式（12-16）可求出每一個采樣時刻控制器的輸出值，故常將該式稱為PID的位置型控制算式，其算法程序流程圖見圖12-9。（12-16）圖12-9位置型PID控制算法程序流程圖圖12-10增量型PID控制算法程序流程圖

2)增量PID控制器利用遞推原理，由式（12-16）可得：

式中:KP為比例系數(shù)；為積分系數(shù)；為微分系數(shù)；ΔY(n)為第n次采樣時刻輸出值的增量。（12-17）由式（12-17）可知，在每次采樣時刻只需求出這次輸出在上次輸出的基礎(chǔ)上的增量，故常將該式稱為PID的增量型控制算式，其算法程序流程圖見圖12-10。由于位置型控制算式是全量輸出的，所以每次輸出均與原來的位置量有關(guān)，即需要對e(j)進(jìn)行累加，因此其誤動作對系統(tǒng)影響較大；而增量型控制算式每次輸出數(shù)值不大，故其誤動作對系統(tǒng)影響不大。用微機(jī)來實(shí)現(xiàn)式（12-16）、式（12-17）的原理較為簡單。每次采樣周期定時一到，讀入采樣值并計(jì)算e(n)，利用e(n)計(jì)算比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，將這三項(xiàng)相加即可。在具體編制程序時，還應(yīng)考慮以下問題：

(1)KP、KI、KD的大小與e(n)的實(shí)際死區(qū)的關(guān)系。從原理角度看，只要e(n)不為零，比例項(xiàng)就應(yīng)該有作用，但是實(shí)際上比例項(xiàng)的作用能否體現(xiàn)出來，還與Y(n)、ΔY(n)的表示方法有關(guān)。例如，Y(n)的最小分辨率為1/28=0.0039，若取KP為0.5，則比例項(xiàng)中e(n)的死區(qū)為0.39。以此類推，KI、KD也存在類似問題。對于這一問題，可采用在死區(qū)內(nèi)e(n)累加的方法來解決。

(2)系統(tǒng)采樣周期T的選取。數(shù)字PID控制算法模擬連續(xù)系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器，在近似離散化的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。這種控制方式要求采樣周期遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的時間常數(shù)，這是采用數(shù)字PID控制器的前提。采樣周期越小，數(shù)字控制效果就越接近于連續(xù)控制。然而采樣周期的大小主要取決于狀態(tài)變量的檢測周期，因此，系統(tǒng)的采樣周期T一般取為狀態(tài)變量最小檢測周期的整數(shù)倍。

2.雙模控制器對快速隨動系統(tǒng)的基本要求是系統(tǒng)的輸出能夠快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確地跟蹤輸入的變化，即要求跟隨時間短、超調(diào)小且無靜差。例如，要求某工作機(jī)械用最短時間走完一個指定的行程x0，為了達(dá)到這個目的，首先應(yīng)使系統(tǒng)盡可能快地獲得高速度，即要求電機(jī)用最大可能的加速度來加速；其次，為了避免超調(diào)，一定要在行程到達(dá)x0之前提前發(fā)出使工作機(jī)械制動的信號，使行程到達(dá)x0時恰好停止，這樣才能使系統(tǒng)快速、平穩(wěn)地跟蹤輸入。從以上分析可以發(fā)現(xiàn)，快速隨動系統(tǒng)的控制規(guī)律不是線性的、連續(xù)的，而是非線性的、開關(guān)式的。但是僅靠開關(guān)式控制形式，快速隨動系統(tǒng)很容易產(chǎn)生自振蕩，這是因?yàn)殚_關(guān)時滯的作用會在x0點(diǎn)附近形成一個振蕩的極限環(huán)。為了消除或減小x0點(diǎn)附近的極限環(huán),除了盡量減小開關(guān)時滯外，還可以在x0點(diǎn)附近設(shè)置一個死區(qū)，不過這種方法要犧牲系統(tǒng)的定位精度。為了既不影響系統(tǒng)的定位精度又能消除極限環(huán)，產(chǎn)生了更現(xiàn)實(shí)的解決方法：采用雙?？刂破?。圖12-11所示是雙?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)圖。從圖中看出，雙?？刂破骶褪菍㈤_關(guān)控制和線性控制綜合成一體的控制器。當(dāng)系統(tǒng)處于大偏差狀態(tài)時，采用開關(guān)控制即Bang-Bang控制以保證系統(tǒng)定位的快速性；當(dāng)系統(tǒng)偏差進(jìn)入很小的范圍時，使控制器由開關(guān)控制切換成線性控制，以保證系統(tǒng)的最后定位精度。圖12-11雙?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)圖雙?？刂破骶C合了開關(guān)控制和線性控制的優(yōu)點(diǎn)，采用開關(guān)控制，可以獲得最快的過渡過程。利用系統(tǒng)的開關(guān)線來設(shè)計(jì)開關(guān)控制規(guī)律，可以達(dá)到時間最短的目的。以一個直流隨動系統(tǒng)為例。該隨動系統(tǒng)的執(zhí)行電機(jī)為他勵式直流電機(jī)，顯然控制量為電樞電流。要保證時間最短，需要采用一個電流調(diào)節(jié)器，確保啟、制動過程中電流等于極限值。按這些要求，被控對象的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)如圖12-12所示。圖12-12快速隨動系統(tǒng)被控對象結(jié)構(gòu)圖假定隨動系統(tǒng)的位置給定量為x0，系統(tǒng)的實(shí)際位置為x，二者之間的偏差為ε，即

ε=x0－x

（12-18）對于二階對象，可以用相平面來描述它的運(yùn)動狀態(tài)。相平面的橫坐標(biāo)為偏差ε，縱坐標(biāo)為偏差的導(dǎo)數(shù)。ε和的關(guān)系即相軌跡，可由運(yùn)動方程得到。假定位置給定量x0>0，則加速段過渡過程的運(yùn)動方程為

式中:K=K1·K2。與此對應(yīng)的偏差的初始條件是：由此可得式（12-19）的解為（12-19）（12-21）又已知

綜合式（12-20）~式（12-23），即可求得即

（12-21）（12-22）（12-23）（12-24）該式便是加速段過渡過程相軌跡的方程，它是通過相平面上(ε0,0)點(diǎn)的一條曲線AB，如圖12-13所示。相軌跡上的箭頭表示隨時間的運(yùn)動方向?？梢宰C明，如果利用圖12-13中通過原點(diǎn)的兩個半段拋物線CO和OB來控制電流極限值±Idm

的切換，就可以實(shí)現(xiàn)無超調(diào)的過渡過程。因此，把COB段相軌跡稱為系統(tǒng)的最佳開關(guān)線。開關(guān)線是通過原點(diǎn)的兩段拋物線，所以應(yīng)當(dāng)滿足（12-25）圖12-13兩個積分環(huán)節(jié)組成的對象的相軌跡及最佳開關(guān)線開關(guān)線是由OB、OC兩段曲線組成的，OB段的方程相當(dāng)于式(12-25)取正號，但ε<0；OC段的方程相當(dāng)于式(12-25)取負(fù)號，但ε>0。綜合考慮OB、OC段的要求，可用一個方程來表達(dá)：

此式就是開關(guān)線的方程。從圖12-13可以看出，開關(guān)線把整個相平面劃分為兩部分，右上部為P區(qū)，左下部為N區(qū)。（12-26）當(dāng)系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)處在P區(qū)時，控制作用應(yīng)當(dāng)選擇+Idm；與此相反，當(dāng)系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)處在N區(qū)時，控制作用應(yīng)當(dāng)選擇－Idm。當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)由P區(qū)運(yùn)動到開關(guān)線上（或從N區(qū)運(yùn)動到開關(guān)線上）時，控制作用應(yīng)當(dāng)切換；當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)由開關(guān)線運(yùn)動到原點(diǎn)時，應(yīng)去掉控制作用。12.3基于DSP的運(yùn)動控制系統(tǒng)數(shù)字信號處理器(DigitalSignalProcessor，DSP)是指用于數(shù)字信號處理的可編程微處理器，它是微電子學(xué)、數(shù)字信號處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)這三門學(xué)科綜合發(fā)展的成果。在現(xiàn)代控制工程領(lǐng)域，自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代控制理論與全數(shù)字化控制技術(shù)相結(jié)合，成為高性能運(yùn)動控制系統(tǒng)發(fā)展的必由之路。DSP以其高速計(jì)算能力和特殊的硬件結(jié)構(gòu)已經(jīng)在許多應(yīng)用系統(tǒng)中成為控制系統(tǒng)的核心，得到了廣泛普及和應(yīng)用。作為運(yùn)動控制系統(tǒng)的核心，通常選用TMS320C2000系列芯片。TMS320C2xx是基于T320C2xLPDSP內(nèi)核的16位定點(diǎn)DSP，誕生于1995年，是TI公司第二代定點(diǎn)DSPTMS320C2x和第三代定點(diǎn)DSPTMS320C5x的融合產(chǎn)品。該系列產(chǎn)品采用5.0V供電體制，最高運(yùn)算速度達(dá)40MIPS。近年來TI公司又推出了具有更高性能的TMS320C28x系列芯片，進(jìn)一步增強(qiáng)了芯片的接口能力和嵌入功能。該系列芯片是32位定點(diǎn)DSP，既具有數(shù)字信號處理能力，又有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制能力，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的控制場合，如電機(jī)控制、伺服系統(tǒng)、工業(yè)自動化控制、電力電子技術(shù)應(yīng)用、智能化儀器儀表等。12.3.1

TMS320實(shí)現(xiàn)異步電動機(jī)矢量控制近年來,在高性能全數(shù)字控制的電氣傳動系統(tǒng)中,廣泛地應(yīng)用PWM控制技術(shù)。隨著電氣傳動系統(tǒng)對其控制性能的要求不斷提高,20世紀(jì)80年代中期,國外學(xué)者在交流電機(jī)調(diào)速中提出了磁通軌跡控制的思想,進(jìn)而發(fā)展產(chǎn)生空間電壓矢量的概念，其物理概念清晰，數(shù)字化實(shí)現(xiàn)簡單,顯著減小了逆變器輸出電流諧波成分及電機(jī)諧波損耗,降低了脈動轉(zhuǎn)矩,提高了直流電壓利用率。同時，在變頻調(diào)速控制領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)字信號處理器(DSP),可使系統(tǒng)向高可靠性、高性能和維護(hù)方便的全數(shù)字方向發(fā)展。本小節(jié)采用美國TI公司生產(chǎn)的電機(jī)控制專用DSP芯片TMS320F2407與智能功率模塊(IPM),實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)空間矢量脈寬調(diào)制恒壓頻比數(shù)字控制。該數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、控制實(shí)時性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1.矢量控制系統(tǒng)原理交流感應(yīng)電機(jī)的矢量變換控制是以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場為準(zhǔn)則的。根據(jù)磁動勢和功率不變的原則通過正交變換,將三相靜止坐標(biāo)變換成二相靜止坐標(biāo)(3s/2s變換),然后通過旋轉(zhuǎn)變換將兩相靜止坐標(biāo)變成兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)(即2s/2r變換),在2s/2r變換下將定子電流矢量分解成按轉(zhuǎn)子磁場定向的兩個直流分量isd,isq(其中isd為勵磁電流分量,isq為轉(zhuǎn)矩電流分量),并對其分別加以控制?？刂苅sd就相當(dāng)于控制磁通,而控制isq就相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩。也就是說,矢量變換控制的基本思想是把交流電機(jī)模擬成直流電機(jī),使其能夠像直流電機(jī)一樣來進(jìn)行控制?；陔妷嚎臻g矢量PWM技術(shù)的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)如圖12-14所示。由圖12-14可知,系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。由轉(zhuǎn)速指令ω*和實(shí)測的轉(zhuǎn)速ω相比較,差值信號送入速度調(diào)節(jié)器,得到輸出；由轉(zhuǎn)速指令ω*經(jīng)過磁鏈調(diào)節(jié)器,得到；通過對三相電機(jī)定子電流的檢測,經(jīng)過3s/2s和2s/2r坐標(biāo)變換,提供實(shí)測的轉(zhuǎn)矩電流分量isq和勵磁電流分量isd；再讓和isq以及和isd比較的輸出分別通過轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器和磁通電流調(diào)節(jié)器,其輸出為定子電壓矢量給定值在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的兩個分量usq和usd；usq和usd經(jīng)過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系向靜止坐標(biāo)系變換,為SVPWM模塊提供了usα和usβ輸入變量;最后SVPWM模塊的6路輸出信號用于驅(qū)動三相逆變電路。在2s/2r和2r/2s旋轉(zhuǎn)變換中需要轉(zhuǎn)子磁通φ角,它是由電機(jī)磁通模型提供的。圖12-14基于電壓空間矢量PWM技術(shù)的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

2.系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理器是一種高速專用微處理器,運(yùn)算功能強(qiáng)大,能實(shí)現(xiàn)高速輸入和高速率傳輸數(shù)據(jù)。它的先進(jìn)品質(zhì)與性能為電機(jī)控制提供了極大的支持。TMS320LF2407是TI公司推出的專門用于電動機(jī)控制的DSP芯片。它的執(zhí)行速度達(dá)30MIPS,指令周期為33ns,可以對非常復(fù)雜的控制算法進(jìn)行實(shí)時運(yùn)算,如矢量坐標(biāo)變換、PID算法、卡爾曼濾波、自適應(yīng)控制及智能控制等。此外,它還可以支持非常高的采樣率,可減小循環(huán)延時。TMS320LF2407芯片具備強(qiáng)大的片內(nèi)I/O和其它外設(shè)功能。片內(nèi)有兩個事件管理器模塊EVA和EVB,每個模塊包括兩個16位通用定時器和8個16位的PWM通道，它們能夠?qū)崿F(xiàn)三相反相器控制,PWM的對稱和非對稱波形輸出，可編程PWM死區(qū)時間控制等。同時片內(nèi)有三個捕獲單元,光電編碼器接口電路,16路A/D轉(zhuǎn)換器,32KB的FLASH程序存儲器,1.5KB的數(shù)據(jù)/程序RAM,544B雙口RAM(DRAM)和2KB的單口RAM(SRAM)。在大功率電力電子器件應(yīng)用中,由IGBT單元構(gòu)成的功率模塊在智能方面取得了迅速發(fā)展。智能功率模塊(IPM)不僅包括基本組合單元和驅(qū)動電路,還具有保護(hù)和報警功能。IPM以其完善的功能和高可靠性創(chuàng)造了很好的應(yīng)用條件,利用IPM的控制功能,與微處理器相結(jié)合,可以方便地構(gòu)成智能功率控制系統(tǒng)。因此,在本系統(tǒng)中選用日本三菱公司的IPM模塊PM15RSH120,它采用七管封裝,額定電壓為1200V,額定電流為15A。本系統(tǒng)采用交-直-交電壓型變頻電路,主電路由整流電路、濾波電路及智能功率模塊IPM逆變電路構(gòu)成?？刂撇糠忠訢SP芯片TMS320LF2407為核心,構(gòu)成功能齊全的全數(shù)字矢量控制系統(tǒng)?；贒SP和IPM器件的電機(jī)矢量控制變頻模塊的硬件電路如圖12-15所示。IPM智能功率模塊由DSP直接控制,為提高系統(tǒng)的可靠性,加入了光耦隔離驅(qū)動電路，選用型號為6N136的光電耦合器,并使光電耦合器與IPM控制端子間的布線最短,布線阻抗最小。圖12-15系統(tǒng)硬件電路框圖為了充分利用TM320LF2407內(nèi)部的資源,減少外部電路的設(shè)計(jì),本系統(tǒng)的鍵盤和顯示電路直接用TM320LF2407的I/O口進(jìn)行控制,具體的電路如圖12-16所示。實(shí)際的系統(tǒng)中采用型號為LTS25-NP的磁平衡式霍爾傳感器(LEM)模塊來檢測電流,與LF2407的A/D模塊相連,從而實(shí)時地獲得定子電流信息,其電路如圖12-17所示。系統(tǒng)軟件由主程序和矢量控制中斷服務(wù)子程序構(gòu)成。主程序在完成系統(tǒng)的初始化之后進(jìn)入循環(huán),執(zhí)行鍵盤的掃描和LED的顯示,同時等待中斷的發(fā)生。檢測電動機(jī)定子電流、轉(zhuǎn)速，矢量控制算法和產(chǎn)生6路PWM信號在中斷服務(wù)子程序中完成。主程序的流程圖如圖12-18(a)所示,SVPWM子程序的流程圖如圖12-18(b)所示。圖12-16鍵盤和顯示電路圖12-17定子電流檢測電路圖12-18軟件程序(a)主程序的流程圖；(b)SVPWM子程序的流程圖

3.試驗(yàn)結(jié)果系統(tǒng)的試驗(yàn)對象是一臺鼠籠式異步電動機(jī),具體的參數(shù)為:額定功率為0.6kW，額定電流2.75A，額定電壓220V，額定轉(zhuǎn)速1400r/min。在頻率為50Hz空載時,PWM輸出波形和電機(jī)相電流波形如圖12-19所示。設(shè)定頻率為30Hz,對從空載到負(fù)荷時的相電流和轉(zhuǎn)速進(jìn)行觀察,測量結(jié)果如圖12-20所示。由圖12-19可知,在空載情況下,相電流非常接近正弦波,實(shí)現(xiàn)了恒轉(zhuǎn)矩控制。由圖12-20(a)、(b)可知,當(dāng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩突然發(fā)生變化時,系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、相電流響應(yīng)快速,穩(wěn)態(tài)誤差接近4%,說明系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)性能。圖12-19

PWM波形和電機(jī)相電流圖12-20負(fù)載突變的影響(設(shè)定頻率為30Hz)(a)負(fù)載突變時相電流變化圖；(b)負(fù)載突變時轉(zhuǎn)速變化圖以上分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:基于DSP的SVPWM矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。采用SVPWM技術(shù)的逆變器直流電壓利用率比用SPWM高15%，定子相電流接近正弦波，諧波成分小;采用矢量控制技術(shù)的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)動、靜態(tài)性能非常優(yōu)良。基于DSP和IPM的交流電動機(jī)矢量控制調(diào)速模塊,充分利用了DSP芯片超強(qiáng)實(shí)時計(jì)算能力和豐富片內(nèi)集成外部器件,使其構(gòu)成的控制系統(tǒng)的硬件電路簡單,快速處理能力滿足電動機(jī)實(shí)時在線控制的需要。IPM智能功率模塊器件的高集成度、強(qiáng)大驅(qū)動能力和保護(hù)功能,使控制系統(tǒng)體積減小,可靠性提高。采用電壓矢量控制方法可以使電機(jī)的定轉(zhuǎn)子磁通迅速達(dá)到給定值,并且即使在正反轉(zhuǎn)、突然加載這樣的大幅度動態(tài)過程中都可以很好地維持定轉(zhuǎn)子磁通的恒定。系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、精度好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。12.3.2

TMS320實(shí)現(xiàn)異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)具有動態(tài)響應(yīng)快、控制簡單、對電機(jī)模型參數(shù)的依賴程度小等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制存在轉(zhuǎn)矩、磁鏈脈動，開關(guān)頻率不恒定以及過扇區(qū)時電流與磁鏈畸變等不足之處，其主要原因是在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制選擇輸出矢量時主要依據(jù)轉(zhuǎn)矩、磁鏈誤差的正負(fù)，并不考慮誤差的大小。如果同時考慮轉(zhuǎn)矩、磁鏈誤差的大小和方向，在定子繞組上施加根據(jù)二者的誤差實(shí)時推導(dǎo)出的任意大小、方向的電壓矢量,就可以大大降低轉(zhuǎn)矩、磁鏈的紋波。利用SVPWM技術(shù)將固定電壓矢量合成任意電壓矢量，保證實(shí)現(xiàn)逆變器的開關(guān)頻率恒定。本小節(jié)根據(jù)異步電機(jī)定子端的模型和SVPWM原理，采用空間矢量調(diào)制實(shí)現(xiàn)異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法，并用TMS320LF2407A高效、實(shí)時完成空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制的復(fù)雜算法。

1.空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制的定子電壓計(jì)算模型常規(guī)的直接轉(zhuǎn)矩控制采用轉(zhuǎn)矩、磁鏈的兩個滯環(huán)比較器，使系統(tǒng)獲得高性能的轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)。但滯環(huán)比較會導(dǎo)致出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、磁鏈脈動，逆變器的開關(guān)頻率不定，而空間矢量調(diào)制可以合成大小、方向任意的矢量，更好地跟蹤轉(zhuǎn)矩和磁鏈給定值，且開關(guān)頻率恒定。根據(jù)異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算式，設(shè)電動機(jī)在t(n)和t(n+1)時刻產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩分別為（12-27）（12-28）為t(n+1)時刻的給定轉(zhuǎn)矩，則在一個控制周期內(nèi)，電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩變化量ΔTe可以表示為（約去式中二階項(xiàng)）

電機(jī)定子電流的變化量可表示為式中：Ts為控制周期。（12-29）（12-30）根據(jù)異步電動機(jī)靜止坐標(biāo)系內(nèi)定子端的電壓方程有可得（12-31）（12-32）其中，umd=－ω1(ψsq－isqLs);

umq=ω1(ψsd－isdLs);ω1為電氣同步角速度，其算式為希望在下一個控制周期內(nèi)，定子端磁鏈可以達(dá)到給定磁鏈:在考慮定子端電阻電壓的情況下，在下一個控制周期內(nèi)需要加在定子上的電壓為其中ud、uq的求解計(jì)算參見文獻(xiàn)［62］。（12-33）（12-34）

2.空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1)空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖12-21是空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，定子磁鏈ψs由u－n

數(shù)學(xué)模型求得，電磁轉(zhuǎn)矩Te由式(12-27)求得，轉(zhuǎn)速給定值ω*與反饋值ω之差經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)，給出電磁轉(zhuǎn)矩的給定值。與Te得到ΔTe，與ψs得到Δψs。另外給出us和is，根據(jù)式（12-34）即可求得定子端的電壓d、q分量，根據(jù)矢量調(diào)制方法即可得到直接轉(zhuǎn)矩控制的SVPWM開關(guān)信號。圖12-21空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2)基于DSP的空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由控制器DSP、三相整流電路、IGBT逆變電路及驅(qū)動保護(hù)電路模塊、光電編碼器以及電壓和電流傳感器組成，如圖12-22所示。圖12-22直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

(1)主電路。主電路由三相不可控整流橋、逆變模塊和鼠籠感應(yīng)電機(jī)組成。逆變模塊采用IPM模塊PM200CVA060，它可以四象限運(yùn)行，最高開關(guān)頻率可達(dá)到20kHz。IPM模塊由6單元IGBT元件構(gòu)成，內(nèi)部集成了完善的驅(qū)動電路，并為系統(tǒng)提供可靠的過電流保護(hù)、過熱保護(hù)和驅(qū)動電路低電壓保護(hù)等功能。由于IGBT在開關(guān)過程中同時承受高電壓和大電流，所以元件承受很高的瞬時功率，尤其在高頻運(yùn)行時，開關(guān)損耗占很大的比例。當(dāng)負(fù)載為感性、IGBT關(guān)斷時，電流突然變小，而電感中的電流不能突變，所以，可能在IGBT的C、E兩端產(chǎn)生很高的尖峰電壓而將IGBT擊穿，因此必須采用緩沖電路來改變器件的開關(guān)軌跡，控制各種瞬態(tài)過電壓，降低器件開關(guān)損耗，保護(hù)器件安全運(yùn)行。交流電壓的檢測根據(jù)瞬時空間矢量理論,在不考慮逆變器死區(qū)效應(yīng)的情況下,三相交流電可由直流母線電壓和開關(guān)狀態(tài)信息共同得到。選用LV228P電壓傳感器,確定直流側(cè)電壓,從而達(dá)到間接檢測三相交流電壓的目的，并由DSP計(jì)算逆變器輸出電壓的usα和usβ分量。定子電流的檢測采用LA108-P電流傳感器,分別對A、B相定子電流進(jìn)行采樣,然后經(jīng)過放大和濾波電路處理后送往DSP的A/D端口,從而獲得實(shí)時的定子電流信息，求出電流的isα和isβ分量。速度測量采用HEDS-5605光電編碼器,利用LF2407芯片的正交編碼脈沖電路對其輸出信號四倍頻,利用定時器對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),從而得到速度反饋值。

(2)控制器。控制芯片DSP采用美國TI公司的TMS320LF2407A，其內(nèi)核是32位的，內(nèi)部總線為哈佛結(jié)構(gòu)，具有4級流水線，指令速度是40MIPS，絕大多數(shù)指令可以在25ns單周期內(nèi)完成，包括16位乘法的運(yùn)算速度，并具有32KB片上閃存，16通道高速10位A/D轉(zhuǎn)換器，多個功能豐富的通用定時器，多路可編程PWM輸出，可編程PWM輸出死區(qū)，多路信號輸入捕捉，光電編碼盤接口，以及業(yè)界通用的異步串行接口、串行同步外設(shè)接口和CAN總線接口。這些豐富的片上資源使得TMS320LF2407A在工業(yè)控制中尤其是在電機(jī)控制中有著傳統(tǒng)單片機(jī)無法比擬的優(yōu)勢，可以提供一個單芯片式數(shù)字電機(jī)控制方案。圖12-23示出感應(yīng)電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)框圖。圖12-23直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)框圖

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)時控制軟件以C語言為主體進(jìn)行開發(fā)，并在C語言中嵌入?yún)R編語言以實(shí)現(xiàn)對DSP的一些底層資源的操作。對于一些運(yùn)算復(fù)雜的子程序采用匯編語言來編寫，以提高編譯效率和運(yùn)算速度。本系統(tǒng)實(shí)時控制軟件的執(zhí)行過程中，必須完成電壓電流的檢測與處理、定子磁鏈的觀測、轉(zhuǎn)矩的運(yùn)算，還必須建立電壓矢量的開關(guān)表，并根據(jù)DTC的控制算法，輸出滿足要求的電壓矢量，以達(dá)到要求的控制性能。控制系統(tǒng)的主程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)軟、硬件的初始化以及LCD、鍵盤的響應(yīng)與控制，而整個直接轉(zhuǎn)矩控制的控制算法將在T3的下溢中斷服務(wù)子程序中處理。系統(tǒng)上電，進(jìn)入初始化階段，系統(tǒng)變量進(jìn)行初始化賦值、外設(shè)初始化、控制參數(shù)預(yù)處理等，然后開中斷，等待中斷的到來。對DSP進(jìn)行初始化處理后，打開PDPINTB中斷、T3中斷和A/D中斷。隨后，啟動A/D中斷，測量母線電壓，這樣得到了第一時刻的系統(tǒng)變量初始值，此時立即啟動T3和T4。圖12-24(a)示出描述系統(tǒng)控制軟件總體結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)過程的主程序流程圖。圖12-24軟件流程圖(a)主程序流程圖；(b)DTC中斷流程圖圖12-24(b)是中斷服務(wù)程序流程圖。由通用定時器T3計(jì)數(shù)器下溢產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)響應(yīng)后進(jìn)入中斷服務(wù)程序，執(zhí)行直接轉(zhuǎn)矩控制算法程序，從而輸出相應(yīng)的電壓空間矢量。PWM載波周期為100μs，DTC算法必須在一個PWM載波周期內(nèi)完成。進(jìn)入T3中斷后，首先轉(zhuǎn)換上一次啟動A/D時測量的第n點(diǎn)的相電流、母線電壓以及給定轉(zhuǎn)速，并根據(jù)相電流的幅值判斷是否進(jìn)行軟保護(hù)。如果電流達(dá)到軟保護(hù)限，則可直接確定下一時刻的輸出電壓矢量為零。否則，要對測得的母線電壓和相電流進(jìn)行坐標(biāo)變換，求出電流的isα、isβ分量和電壓的usα、usβ

分量，然后進(jìn)入磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測環(huán)節(jié)，計(jì)算出定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩。計(jì)算磁鏈誤差和轉(zhuǎn)矩誤差，判斷誤差是超出滯環(huán)寬度，設(shè)立相應(yīng)的標(biāo)志，合成電壓矢量，然后查開關(guān)電壓表確定出下一時刻需要發(fā)出的電壓矢量。通過比較單元輸出所需的開關(guān)狀態(tài)，返回至主程序進(jìn)入等待狀態(tài)，以等待下一次定時器中斷的到來。

4.試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)系統(tǒng)采用三相鼠籠式異步電動機(jī)，額定功率PN=4kW，定子Y連接，額定轉(zhuǎn)速nN=1000r/min，定子電阻Rs=3.2Ω，轉(zhuǎn)子電阻Rr=3.5Ω，定子電感Ls=649.4mH，轉(zhuǎn)子電感Lr=649.4mH，勵磁電感Lm=622.2mH，轉(zhuǎn)動慣量J=0.12kg·m2，定子額定電流IN=9A，定子額定電壓UN=380V。對該電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時，給定轉(zhuǎn)速1000r/min，空載啟動，定子磁鏈幅值給定為1Wb，其磁鏈和定子電流分別如圖12-25和12-26所示。從試驗(yàn)波形可以看出定子磁鏈在啟動瞬間就達(dá)到給定值,穩(wěn)態(tài)時磁鏈保持在給定值附近。在啟動時,電機(jī)的沖擊電流比較大，這是因?yàn)樵谥苯愚D(zhuǎn)矩控制下，在建立電機(jī)磁場過程中，單一電壓矢量施加于電機(jī)時間稍長所引起的。電機(jī)啟動相當(dāng)于全壓啟動。如果沖擊電流太大,應(yīng)在軟件上考慮限流措施，以免損壞器件或引起IPM保護(hù)。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時,可以看出兩相相電流波形接近正弦波,相位關(guān)系保持較好,說明定子磁鏈控制較好。圖12-25給定磁鏈和實(shí)際磁鏈圖12-26定子相電流轉(zhuǎn)矩和速度響應(yīng)波形如圖12-27所示。啟動時轉(zhuǎn)矩很快達(dá)到轉(zhuǎn)矩限幅值,轉(zhuǎn)速在0.18s達(dá)到給定的轉(zhuǎn)速1000r/min?？梢婋姍C(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)很快,脈動很小，并以最大啟動轉(zhuǎn)矩使電機(jī)加速。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定參考轉(zhuǎn)速后,電機(jī)轉(zhuǎn)矩開始降低并逐漸降低到負(fù)載轉(zhuǎn)矩值。本系統(tǒng)速度上升平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速波動很小，說明該系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)特性。圖12-27電機(jī)啟動時轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波形（a）給定轉(zhuǎn)矩和實(shí)際轉(zhuǎn)矩；（b）給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速本小節(jié)構(gòu)造了一個基于空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)矩波動小、逆變器開關(guān)頻率恒定、電流和磁鏈過扇區(qū)不會畸變的優(yōu)點(diǎn)，同時該系統(tǒng)也具有傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)具有的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快的特點(diǎn)。雖然該系統(tǒng)的控制算法復(fù)雜，但TMS320LF2407A很好的運(yùn)算能力和優(yōu)異的硬件電路保證了算法的實(shí)時完成，使交流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,調(diào)速性能良好。12.4智能控制在運(yùn)動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用智能控制是指將人工智能與控制理論結(jié)合起來，完成更高級的控制功能，主要包括專家系統(tǒng)、模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論等。近年來，國內(nèi)外關(guān)于智能控制的研究十分活躍，其研究與應(yīng)用已深入到眾多的領(lǐng)域，它的發(fā)展也給電氣傳動系統(tǒng)的控制策略帶來了新思想、新方法。專家控制器、模糊控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器是三種典型的智能控制器。專家系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中有較多的問題和困難，目前智能控制主要集中在模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用上，特別是兩者的結(jié)合——模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，它融合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，已成為研究的熱點(diǎn)。將智能控制策略引入到交流調(diào)速系統(tǒng)中來，這是調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展方向之一，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。但是交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)如何采用智能控制，是否能達(dá)到滿意的結(jié)果，這方面的研究還有待深入。在進(jìn)行系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)時，充分利用智能控制的非線性、變結(jié)構(gòu)、自尋優(yōu)等各種功能來克服交流調(diào)速系統(tǒng)的變參數(shù)、非線性等不利因素，可以提高系統(tǒng)的魯棒性。在交流調(diào)速系統(tǒng)中嘗試智能控制策略時，應(yīng)注重繼承和發(fā)展已為實(shí)踐所接受的傳統(tǒng)控制方案，揚(yáng)長避短，才能夠充分發(fā)揮智能控制的作用與優(yōu)點(diǎn)。本節(jié)主要介紹模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在運(yùn)動控制中的應(yīng)用。12.4.1模糊控制在運(yùn)動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用常規(guī)的控制方法主要針對集中參數(shù)的線性動態(tài)系統(tǒng)，要求對象必須可量化，且各種量化參數(shù)的關(guān)系能夠用微分方程或差分方程來描述，其顯著特點(diǎn)是控制系統(tǒng)過分依賴于純數(shù)學(xué)解析的方法和控制系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型。然而，現(xiàn)代系統(tǒng)的復(fù)雜性、測量不準(zhǔn)確性以及系統(tǒng)動力學(xué)的不確定性，使得采用經(jīng)典控制理論解決復(fù)雜的實(shí)際問題時顯得無能為力。1965年，美國著名控制論專家Zadeh創(chuàng)立了模糊集合論，其核心是對復(fù)雜的系統(tǒng)或過程建立一種語言分析的數(shù)學(xué)模式，使人們?nèi)粘Ｉ钪械淖匀徽Z言能直接轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所能接受的算法語言。模糊集合理論的誕生為解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題提供了強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)工具。

1974年，Mamdani創(chuàng)立了基于模糊語言描述控制規(guī)則的模糊控制理論，并將其成功地應(yīng)用于工業(yè)控制，在自動控制領(lǐng)域中開辟了模糊控制理論及其工程應(yīng)用的嶄新階段。此后，模糊控制和決策的研究與應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大，并取得了極大的成功。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，由于其簡單、易用、控制效果好等特點(diǎn)，模糊控制方法廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)，尤其是用在那些模型不確定、非線性、大時滯系統(tǒng)的控制系統(tǒng)上。

1.模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)模糊系統(tǒng)的主要組成部分見圖12-28，包括模糊化、模糊規(guī)則集、模糊推理機(jī)制和解模糊化等幾部分。（1）模糊化：將實(shí)際輸入轉(zhuǎn)換為模糊輸入。（2）模糊規(guī)則集：過程操作者用if-then控制規(guī)則形式給出的信息。目前模糊系統(tǒng)主要用以下兩種形式的模糊規(guī)則：（12-35）這里Ai(i=1,2,…,n)和Bi分別是在中的輸入變量x和輸出變量y的模糊集合，f(x1,x2,…,xn)可以是任意的函數(shù)。采用形式（12-35）模糊規(guī)則集的模糊系統(tǒng)統(tǒng)稱為Mamdani模糊系統(tǒng)，采用形式（12-36）模糊規(guī)則集的模糊系統(tǒng)統(tǒng)稱為Takagi-Sugeno（TS）模糊系統(tǒng)。（12-36）圖12-28模糊控制器原理（3）模糊推理機(jī)制：基于模糊規(guī)則采用模糊邏輯操作和推理方法，進(jìn)而獲得模糊輸出。常用的推理方法有Mamdani推理法、Zadeh推理法、最小推理法等。（4）解模糊化：將模糊輸出集轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)的數(shù)值輸出。最常用的解模糊方法有最大隸屬度平均法、重心法、加權(quán)平均法等。多變量模糊控制器有多個獨(dú)立的輸入變量和一個或多個輸出變量，其結(jié)構(gòu)如圖12-29所示?，F(xiàn)有的模糊模型由于結(jié)構(gòu)性缺陷，只適用于單變量系統(tǒng)或變量較少的系統(tǒng)建模。多變量模糊控制存在模糊規(guī)則數(shù)目劇增的“維數(shù)災(zāi)難”問題。多變量模糊控制器的變量個數(shù)多，如果每個輸入變量又引出各自的誤差、誤差變化率甚至誤差的積分等輸入量，模糊控制器的輸入個數(shù)很多，對應(yīng)于模糊控制規(guī)則的推理語句維數(shù)很高，人的經(jīng)驗(yàn)控制的邏輯思維很難達(dá)到。而且，由于規(guī)則維數(shù)高，模糊關(guān)系矩陣R的維數(shù)高，R矩陣會包含很多元素，變得龐大復(fù)雜，所以直接建立這種系統(tǒng)的控制規(guī)則幾乎是不可能的。多變量模糊控制器的設(shè)計(jì)一般要進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解、降維處理，將其分解為多個簡單模糊控制器的組合形式。

圖12-29多變量模糊控制器結(jié)構(gòu)

2.模糊控制器的主要設(shè)計(jì)因素在設(shè)計(jì)模糊控制器時需要考慮的主要因素有：（1）選擇合適的模糊控制器類型。這主要取決于被控對象的特性、控制要求和實(shí)現(xiàn)手段以及被控對象的變量個數(shù)，以決定采用單變量模糊控制器還是多變量模糊控制器。（2）確定輸入、輸出變量的實(shí)際論域。一般來說輸入信號和輸出信號的變化范圍是由實(shí)際控制系統(tǒng)決定的，但有時也有一定的調(diào)整余地。（3）確定輸入和輸出變量的模糊集合數(shù)及各模糊集的隸屬度函數(shù)。（4）設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則集。規(guī)則集是決定模糊控制性能的關(guān)鍵因素，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)，或用模糊聚類分析方法由控制器的已有輸入、輸出樣本中自動提取。（5）選擇模糊推理方法。（6）選擇解模糊方法。

3.采用多變量模糊控制器的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制第7章中介紹的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用滯環(huán)控制器，依據(jù)轉(zhuǎn)矩誤差、定子磁鏈幅值誤差來選擇逆變器的開關(guān)狀態(tài)，屬于Band-Band控制，無法區(qū)分定子磁鏈誤差、轉(zhuǎn)矩誤差的等級，對于一些不確定因素引起的誤差微小變化，不能及時控制。眾所周知，電機(jī)本身的參數(shù)（如異步機(jī)的定子電阻）和拖動負(fù)載的參數(shù)（如轉(zhuǎn)動慣量），在某些應(yīng)用場合會隨工況而變化；加之交流電機(jī)本身又是一個非線性、強(qiáng)耦合、多變量的復(fù)雜對象，變化的參數(shù)對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的性能有著直接的影響。以魯棒性強(qiáng)而著稱的模糊控制善于處理存在不精確性和不確定信息的控制問題，最適用于常規(guī)控制難以解決的非線性和時變系統(tǒng)。因此，將模糊控制引入異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制，將獲得好的控制性能。把轉(zhuǎn)矩誤差、磁鏈誤差、磁鏈角作為多變量模糊控制器的輸入，逆變器的開關(guān)狀態(tài)作為輸出，在轉(zhuǎn)矩誤差論域上定義5個模糊子集，磁鏈誤差論域上定義3個模糊子集，磁鏈角論域上定義12個模糊子集，更加細(xì)化了誤差的大小。

1）系統(tǒng)原理和多變量模糊控制器的設(shè)計(jì)采用模糊邏輯控制器的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理如圖12-30所示。它由模糊控制器、逆變器、交流電機(jī)、磁鏈觀測器、轉(zhuǎn)矩觀測器組成，外環(huán)加模糊速度調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)可以在速度開環(huán)和閉環(huán)兩種情況下運(yùn)行。開環(huán)運(yùn)行時，給定信號為轉(zhuǎn)矩給定和磁鏈給定；系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)矩給定信號來自模糊速度調(diào)節(jié)器的輸出。圖12-30直接轉(zhuǎn)矩模糊控制系統(tǒng)原理在多變量模糊控制器的設(shè)計(jì)中，采用圓形磁鏈軌跡的控制策略，選擇與系統(tǒng)性能密切相關(guān)的轉(zhuǎn)矩誤差Te、磁鏈誤差ψe和磁鏈角φ作為多變量模糊邏輯控制器的輸入。

(1)模糊變量轉(zhuǎn)矩誤差Te。模糊變量Te是給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩觀測值Tf之差，即（12-37）

Tf可按如下公式計(jì)算：

其中：ψsα、ψsβ為定子磁鏈估計(jì)值在α、β軸的分量，它們可以由基于定子電壓、定子電流磁鏈模型的磁鏈觀測器得到，也可以由基于定子電壓、定子電流和轉(zhuǎn)速的磁鏈觀測器得到。（12-38）為進(jìn)一步有效控制轉(zhuǎn)矩，細(xì)化轉(zhuǎn)矩誤差的等級，把轉(zhuǎn)矩誤差在其論域上定義5個模糊子集，相應(yīng)的語言變量為正大（PL）、正?。≒S）、零（Z）、負(fù)?。∟S）、負(fù)大（NL），隸屬度函數(shù)分布如圖12-31所示。圖12-31

Te的隸屬度函數(shù)分布

(2)模糊變量磁鏈誤差ψe。磁鏈誤差ψe為定子磁鏈給定與定子磁鏈實(shí)際觀測值ψs之差：

ψs可由下式計(jì)算：（12-39）（12-40）圖12-32

ψe隸屬度函數(shù)分布在磁鏈誤差論域設(shè)定很小的情況下，其論域上定義3個模糊集，磁鏈增加為正（P），磁鏈不變?yōu)榱悖╖），磁鏈減小為負(fù)（N）。模糊集的個數(shù)多，模糊控制器的靈敏度好，但規(guī)則數(shù)目成平方增長，增加計(jì)算量，所以選3個模糊集。磁鏈誤差的隸屬度函數(shù)分布如圖12-32所示。

(3)模糊變量磁鏈角φ。模糊變量φ是定子磁鏈與參考軸之間的夾角，即定子磁鏈角:

φ在α-β坐標(biāo)系中分為12個模糊子集（φ0,…,φ11），隸屬度函數(shù)分布如圖12-33所示。（12-41）圖12-33

φ的隸屬度函數(shù)分布在隸屬度函數(shù)全交疊時，一般情況下，對于每個輸入（φ0，Te0，ψe0）都會同時激活6條規(guī)則，總的輸出是這6條規(guī)則的加權(quán)平均。這種并行機(jī)制是模糊控制器魯棒性強(qiáng)的內(nèi)因。選欠交疊隸屬度函數(shù)會減弱模糊控制器的魯棒性。為增強(qiáng)魯棒性，

Te、ψe、φ均采用對稱、全交疊的三角形隸屬度函數(shù)。

(4)控制變量。模糊控制器輸出的控制變量是逆變器的開關(guān)狀態(tài)n所對應(yīng)的電壓矢量（如圖12-34所示），我們把8種開關(guān)狀態(tài)歸結(jié)為8個清晰的量Ni,即模糊控制器輸出的隸屬度函數(shù)是單點(diǎn)集。這樣可使解模糊簡單，加快運(yùn)算速度。模糊控制規(guī)則可由Te、ψe、φ和n來描述，第i條規(guī)則Ri可寫成：其中，Ai、Bi、Ci、Ni分別屬于各自的模糊集。模糊推理采用Mamdani推理法，解模糊采用最大隸屬度平均法，即有（12-42）（12-43）（12-44）圖12-34電壓矢量圖這里μAi、μBi、μCi和μN(yùn)i是模糊變量Te、ψe、φ和N在各自模糊集Ai、Bi、Ci和Ni上的隸屬度函數(shù)。

ψe與電壓矢量的關(guān)系如圖12-35所示，ψe按圖示方向旋轉(zhuǎn)時，在φ1區(qū)，u1使ψe快速增大，u2使ψe較快增大，u6使ψe緩慢增大。而u4使ψe快速減小，u5使ψe較快減小，u3使ψe緩慢減小。同理,在垂直于ψe方向上可得到Te的變化規(guī)律：u3使Te快速增大，u2使Te較快增大，u4使Te

緩慢增大，而u6使Te快速減小，u5使Te較快減小，u1使Te緩慢減小，由此可以得到模糊控制規(guī)則表12-1。圖12-35

ψe與電壓矢量的關(guān)系表12-1模糊控制規(guī)則表

2）系統(tǒng)仿真結(jié)果采用MATLAB/Simulink對以上設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字仿真。圖12-36為系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。圖（a）為轉(zhuǎn)矩從12N·m突變到6N·m時直接轉(zhuǎn)矩模糊控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線，圖（b）為傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩從12N·m突變到6N·m時的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線。經(jīng)過對比，從圖中可以看出，模糊控制系統(tǒng)的啟動時間和轉(zhuǎn)矩突變響應(yīng)時間均快于傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，而且無超調(diào)，轉(zhuǎn)矩脈動大為減小。圖12-37為直接轉(zhuǎn)矩模糊控制系統(tǒng)磁鏈幅值響應(yīng)曲線，圖12-38為傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)磁鏈幅值響應(yīng)曲線。從圖中可以看到系統(tǒng)采用多變量模糊控制器后，磁鏈迅速上升到給定值，幅值波動明顯小于傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，控制磁鏈幅值形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場。圖12-36系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)（a）直接轉(zhuǎn)矩模糊控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)；（b）傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)圖12-37直接轉(zhuǎn)矩模糊控制磁鏈幅值響應(yīng)曲線圖12-38傳統(tǒng)DTC磁鏈幅值響應(yīng)曲線

4.自適應(yīng)模糊速度調(diào)節(jié)器自適應(yīng)模糊控制器必須同時具備兩個功能：

(1)根據(jù)被控過程的運(yùn)行狀態(tài)給出合適的控制量，即控制功能。

(2)根據(jù)給出的控制量的控制效果，對控制器的控制決策進(jìn)一步改進(jìn)，以獲得更好的控制效果，即自適應(yīng)功能。自適應(yīng)模糊控制器的本質(zhì)是通過對控制性能評價，作出控制決策，并用語言形式描述決策。Zadeh的模糊集理論是設(shè)計(jì)自適應(yīng)模糊控制器的有力工具，它將描述外部世界的不精確語言與控制器內(nèi)部的精確數(shù)學(xué)表示聯(lián)系起來，如圖12-39所示。圖12-39自適應(yīng)模糊控制器原理通常自適應(yīng)模糊控制器可以設(shè)計(jì)成自動調(diào)整控制規(guī)則、隸屬度函數(shù)、量化因子及比例因子中的一個或幾個因素。其中，量化因子和比例因子的自動調(diào)整是自適應(yīng)模糊控制應(yīng)用于實(shí)時控制中最有效的手段?？刂破髟诰€識別控制效果，依據(jù)上升時間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差和振蕩發(fā)散程度等對量化參數(shù)進(jìn)行自整定。其改變規(guī)則的有效性可由圖12-40說明。在圖12-40中，上圖為誤差的正常操作隸屬度函數(shù)，下圖為誤差的量化因子調(diào)整后的隸屬度函數(shù)。設(shè)誤差變化率為PB，則對于上圖，模糊控制規(guī)則為

If“error”isNBand“rate”isPB,thenUisZO對于下圖，模糊控制規(guī)則為

If“error”isNSand“rate”isPB,thenUisPS這意味著量化因子的調(diào)整對于控制器的規(guī)則輸出產(chǎn)生了影響。圖12-40模糊控制器的量化因子調(diào)整由于交流電機(jī)參數(shù)受溫度和磁路飽和的影響，具有嚴(yán)重的非線性，再加上實(shí)際調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速設(shè)定范圍變化較大，常規(guī)模糊控制器的規(guī)則只能憑人的一般經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，再經(jīng)過試驗(yàn)反復(fù)調(diào)整，不僅費(fèi)時費(fèi)力、很難優(yōu)化，而且，量化因子、比例因子的選取對系統(tǒng)的性能影響很大，一旦這些因子確定后，系統(tǒng)的參數(shù)、給定或擾動變化過大，則滿足不了該系統(tǒng)在時變情況下響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)精度高的要求。本節(jié)介紹一種自適應(yīng)模糊PD型速度調(diào)節(jié)器，它能根據(jù)模糊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中速度的實(shí)時變化趨勢，通過自適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)對模糊控制器的比例因子進(jìn)行在線自動調(diào)整。模糊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)外環(huán)采用這種自適應(yīng)模糊速度調(diào)節(jié)器，使得速度響應(yīng)具有超調(diào)小、響應(yīng)快、適應(yīng)性強(qiáng)、受對象參數(shù)變化影響小等性能，適用于全速范圍。外環(huán)帶有自適應(yīng)模糊速度調(diào)節(jié)器的直接轉(zhuǎn)矩模糊控制系統(tǒng)如圖12-41所示。自適應(yīng)模糊速度調(diào)節(jié)器的輸入是速度偏差和速度偏差的變化率，可以根據(jù)速度實(shí)時變化來調(diào)整比例因子，使系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能只依賴于其速度偏差信號，不受或少受被控對象參數(shù)變化的影響。當(dāng)定子電阻Rs發(fā)生變化時，系統(tǒng)仍然響應(yīng)快、超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)精度高，從而改善了系統(tǒng)的低速性能。圖12-41帶自適應(yīng)模糊速度調(diào)節(jié)器的直接轉(zhuǎn)矩模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)模糊控制器在基本的模糊控制器基礎(chǔ)上增加了調(diào)整控制機(jī)構(gòu)，分為面向?qū)ο蟮目刂萍壓兔嫦蚩刂破鞯囊?guī)則調(diào)整級。面向?qū)ο蟮目刂萍壥腔灸：刂破?；面向控制器的?guī)則調(diào)整級是自適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，用來調(diào)整量化因子ke、kc和比例因子ku。如果同時調(diào)整三個參數(shù)會使控制算法過于復(fù)雜，因?yàn)檫@三者是互相牽制的。調(diào)整比例因子ku比調(diào)整量化因子ke、kc效果更好。調(diào)整比例因子ku的因果關(guān)系明確，它直接影響系統(tǒng)性能，且最終也能起到調(diào)整ke、kc

的作用，所以