莊 麗

（包頭職業(yè)技術學院，包頭 014030）

0 引言

工業(yè)機器人是集合了多個學科的高新技術設備，在各個領域應用廣泛，最近幾十年發(fā)展迅速，在當今經(jīng)濟發(fā)展中起到至關重要的作用，并且對未來的工業(yè)發(fā)展起到關鍵的促進作用。當前工業(yè)機器人技術使其自動化程度很高，可靈活應用，同時抗干擾能力強，可以勝任大多數(shù)的生產(chǎn)環(huán)境，可以一定程度上代替人類的體力和腦力勞動[1]。機器人動作的實現(xiàn)歸根結底是伺服電機來實現(xiàn)的，從一定意義上講，工業(yè)機器人的性能取決于伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)的性能。在工業(yè)機器人應用中，對交流伺服系統(tǒng)提出了較高的性能要求，可以歸納為啟動速度快，動態(tài)性能好，適應頻繁啟停并且可以最大轉矩啟動，調(diào)速范圍要求寬并且在整個調(diào)速范圍內(nèi)平滑連續(xù)，抗干擾能力強等。交流永磁同步電機能夠滿足上述的性能要求，已經(jīng)逐漸成為工業(yè)機器人驅(qū)動電機的首選[2]。

為了實現(xiàn)更好的電機控制性能，各種伺服控制策略大量出現(xiàn)，各控制策略都有各自的特點。恒壓頻比控制是控制輸出電壓和輸出頻率之比為常數(shù)，使電機的磁通量為固定值來控制電機速度，控制實現(xiàn)方法簡單、運行穩(wěn)定。但是該方法不能直接控制轉矩，性能較低；矢量控制方法是將電機定子電流矢量經(jīng)過坐標變換分解為相互正交的交直軸分量，可以等效成直流電機控制，該方法原理較簡單，動態(tài)性能較好，但也存在計算量大，不能完全解耦的問題；直接轉矩控制是采用定子磁場定向的控制方式，對交流電機的電磁轉矩進行直接控制，其優(yōu)點是轉矩動態(tài)響應快，缺點是在轉速較低時轉矩脈動大。

本文在對上述控制方法研究的基礎上，將矢量控制與模糊控制理論結合實現(xiàn)伺服控制器的參數(shù)自整定。自主設計了硬件工作電路，通過專用微控制器軟件設計完成具體的算法設計。實現(xiàn)了機器人交流永磁同步電機的快速穩(wěn)定控制。

1 永磁同步電機矢量控制

永磁同步電機（PMSM）通常定子上有A、B、C三相對稱繞組，轉子上裝有永磁體。定轉子相對運動，電磁關系復雜。為簡化分析，假設忽略磁路飽和、磁滯及渦流損耗，忽略轉子上的阻尼繞組，忽略溫度影響，并假設氣隙磁場為理想正弦分布。

當永磁同步電動機（PMSM）定子繞組中通三相交流電時，可以得到基于電磁感應定律和基爾霍夫定律的定子電壓，定子磁鏈與轉子耦合磁鏈的方程式[3]。首先約定UA、UB、UC分別為定子繞組相電壓；iA、iB、iC分別為定子繞組相電流；ΨA、ΨB、ΨC為定子繞組磁鏈；ΨrA、ΨrB、ΨrC為各繞組耦合磁鏈；RS為定子繞組電阻；Ls為定子繞組電感；Ψr為轉子磁鏈幅值。則方程式可以表示為，

經(jīng)過CLARK和PARK坐標變換，可以得到兩相同步旋轉dq坐標系下的方程式[4]，

其中電壓方程為

另外，磁鏈方程可表示為

根據(jù)上述坐標系變換后的方程，可以對永磁同步電機的定子電流矢量進行解耦。解耦后的方程可以使用矢量控制的方法進行控制。其中id=0的方法最為簡單，在該方法中直軸勵磁電流分量為零，根據(jù)系統(tǒng)的性能要求來控制交軸分量的幅值和方向就可以實現(xiàn)對永磁同步電機的實時控制[5,6]。交流永磁同步電機的矢量控制結構圖如圖1所示。

2 控制器參數(shù)模糊自整定

從PMSM的矢量控制結構圖可以容易看出，交流伺服驅(qū)動通常需要電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)的雙閉環(huán)控制器。這種控制通常采用PID控制器，可以得到較好的控制效果和魯棒性（robustness）[7]。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)具有二階系統(tǒng)的特征，PID控制器設計時引入微分作用可能使系統(tǒng)抗干擾能力下降，使系統(tǒng)不穩(wěn)定產(chǎn)生振蕩，因此在電流環(huán)及速度環(huán)設計中舍去微分環(huán)節(jié)，僅保留比例和積分環(huán)節(jié)。

圖1 矢量控制結構圖

其中比例環(huán)節(jié)增益kp主要是增加系統(tǒng)的跟蹤能力，影響系統(tǒng)的控制精度。當kp增大時，控制系統(tǒng)的響應能力增強，反饋與給定參考值的誤差減小，控制精度得到提高。不過比例增益過大時，系統(tǒng)會出現(xiàn)較大的超調(diào)量，甚至控制系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩不能穩(wěn)定運行。當kp減小時，控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度變慢，使系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能都變差。積分環(huán)節(jié)增益ki主要是減小穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)誤差，使系統(tǒng)達到無靜差的控制效果。積分增益的特性與比例增益相似，過大會導致系統(tǒng)出現(xiàn)很大的超調(diào)，動態(tài)性能變差，過小使系統(tǒng)很難去除穩(wěn)態(tài)誤差，靜態(tài)和動態(tài)性能都不好。

比例增益Kp和積分增益ki的合理選擇會影響伺服控制系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和響應跟蹤能力。比例增益Kp和積分增益ki的設計通常是伺服控制系統(tǒng)的重點也是難點。傳統(tǒng)的PID控制器參數(shù)設定完成后，在系統(tǒng)運行過程中不可進行改變，當系統(tǒng)參數(shù)變化或者有負載突變的情況下，不可改變的控制參數(shù)對系統(tǒng)的動態(tài)性能有一定的影響。因此，控制參數(shù)自整定技術在實際應用中有一定的需求。

基于模糊理論的參數(shù)自整定方法在工業(yè)控制中得到了一定的應用。模糊理論是模仿人對系統(tǒng)的控制思維來對被控系統(tǒng)各參數(shù)變化及負載擾動做出改變，但是單獨使用模糊理論還不足以達到精度的高要求[8]。因此我們可以結合經(jīng)典PI調(diào)節(jié)器高控制精度的特點，將模糊控制與經(jīng)典PI控制器有機結合，使PI調(diào)節(jié)器可以在動態(tài)控制過程中調(diào)整控制參數(shù)得到更好的動態(tài)控制效果。圖2為模糊參數(shù)自整定控制結構。

圖2 模糊參數(shù)自整定控制結構

3 實驗驗證

為了驗證基于模糊理論參數(shù)自整定的伺服控制方法的優(yōu)越性，本文設計了一套實驗方案來檢驗。采用可控智能整流模塊及逆變模塊的背靠背硬件結構。硬件主要包括三菱1200V等級IPM功率模塊，德州儀器F28377D雙核微控制器等。交流伺服電機選用Siemens 1FK7高動態(tài)型（HD）永磁同步電機。在同樣的硬件平臺下分別采用模糊參數(shù)自整定PI控制和經(jīng)典PI控制兩種方案對PMSM進行控制實驗，比較速度表現(xiàn)及轉矩表現(xiàn)。

首先觀測電機突然加速過程中兩種控制方法的速度表現(xiàn)，圖3為突然加速到1500r/min的情況。從圖中我們可以看到模糊參數(shù)自整定PI控制方式在平穩(wěn)性和穩(wěn)態(tài)誤差方面有一定的優(yōu)勢。

圖3 突加轉速速度波形

實驗在固定轉速下突加負載時兩種控制方法的轉速變化情況，圖4給出了突加負載轉速擾動的情況。不難看出，模糊參數(shù)自整定PI控制方法轉速更快的恢復穩(wěn)態(tài)，動態(tài)控制效果更優(yōu)于經(jīng)典PI控制器方式。

4 結論

圖4 突加負載時速度表現(xiàn)

本文概述了機器人系統(tǒng)中交流伺服電機控制理論及設計方法。分析了經(jīng)典PID控制器應對機器人交流伺服電機啟動速度快，動態(tài)性能好，適應頻繁啟停并且可以最大轉矩啟動等要求表現(xiàn)出的不足，設計了模糊理論參數(shù)自整定與經(jīng)典PI控制器有機結合的方法，可以有效的改善交流伺服電機的穩(wěn)態(tài)速度穩(wěn)定性及負載擾動的快速恢復性。通過對比試驗驗證了本文所涉及方法的有效性。本文所設計的方法不局限于工業(yè)機器人交流伺服電機控制，更可以擴展到諸如數(shù)控機床等對伺服電機有高性能要求的應用中，具有一定的使用價值，對于推動工業(yè)機器人在工業(yè)上的應用起到一定的積極作用。

[1]李瑞峰.中國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J].航空制造技術,2010:32-37.

[2]寇寶泉,程樹康.交流伺服電機及其控制[M].機械工業(yè)出版社,2008.

[3]李崇堅.交通同步電機調(diào)速系統(tǒng)[M].科學出版社,2006.

[4]廖曉鐘,劉向東.控制系統(tǒng)分析與設計[M].清華大學出版社,2008.

[5]Lin F J, Lin C H.A Permanent-magnet Synchronous Motor Servo Drive Using Self-Constructing Fuzzy network controller[J].IEEE transactions on energy conversion,2004:66-72.

[6]牛洪海,趙榮祥,吳茂剛.基于模糊PI參數(shù)自整定的永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)[J].電氣應用,2005,24(12):79-82.

[7]黃峰,岳峰,顧軍,等.模糊參數(shù)自整定PID控制器的設計與仿真研究[J].光學精密工程,2004,12(2):235-239.

[8]孫增圻,鄧志東,張再興.智能控制理論與技術[M].清華大學出版社,2011.