基于广义误差跟踪的伺服电动缸自抗扰控制系统研究

发布时间：2020-08-08 02:50

【摘要】：随着工业自动化和智能制造的发展,电动缸这种机电一体化产品的应用越来越广泛,其作为伺服执行机构往往是决定系统性能的核心关键。而伺服电动缸性能又由其内部的永磁同步电机驱动系统决定,这也是其他伺服设备的普遍特点,因此,本文的研究成果将具备很好的可推广性。本文针对伺服电动缸系统在实际应用中复杂工况下存在的多种非期望因素干扰等问题,结合电动缸伺服控制系统所需的高位置精度、高动态响应速度、高抗扰性等性能要求,对用于电动缸的永磁同步电机伺服控制系统进行研究和设计。本文基于控制理论与控制工程的发展现状,探讨偏向工程控制算法的自抗扰控制策略在电动缸伺服系统中的应用,设计了一种基于广义误差跟踪的位置、速度环自抗扰控制器。对传统的位置、速度环结合的自抗扰控制器进行结构调整和优化,解决其速度不可控的问题。着眼于整个系统,利用奇异摄动理论把系统按照时间尺度分为快、慢时标两个子系统,采用PI控制器构建快速电流回路系统内环,且用系统准稳态参数替代稳态参数。外环控制器以控制量跟踪误差为直接切入点,设计一种高增益线性扩张状态观测器用于位置、速度和扰动的精准观测。同时,借鉴模型参考的思想,建立一个理想目标系统,通过把实际系统与理想目标系统进行对比得出反馈控制律,从而对系统状态轨迹进行塑造,改进了标准自抗扰控制器中由于其非线性而导致参数过多、整定困难,难以在实际工程中应用的问题。结合本文电动缸系统实际复杂工况下负载不确定性和时变性的特点,在自抗扰控制策略这种模型无关的工程控制算法中加入基于模型信息的补偿环节,通过转动惯量和负载转矩的辨识补偿,降低扩张状态观测器的观测难度,增强其对剩余非期望因素扰动的观测能力,提高系统抗干扰性能。除此之外,针对实际系统中死区效应导致电流畸变和转矩脉动降低电机低速性能,进而影响伺服跟踪精度的问题,本文采用平均误差电压补偿法进行死区补偿,提高伺服跟踪精度。最后,本文对所提的控制算法进行MATLAB仿真测试,以及搭建电机实验平台进行实物实验,验证了本文伺服系统控制算法的可行性和有效性,并且满足预期需要的伺服性能指标。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM341
【图文】：

功率驱动电路,实物

NC+-NC1234 5678VCCVEGNDVO6N137412216710816351113G2Y4Y3YVCC1YAM26LS32ACN1A2A3AGND9144A15G4B3B2B1BA+A-B+B-Z+Z-P5VC65 0.01uFDGND1P5VR69510P5VC66 0.01uFDGNDR705.1kDGND12345671413121110981A6Y4Y5Y4A5AVcc6ASN74LS04N1Y2A2Y3A3YGNDDGNDQEPA图 5-7 编码器反馈信号处理电路.5 系统整体硬件实物平台基于上述各部分主要电路的设计，系统功率驱动电路板设计与制作完如图 5-8 所示，其中整流桥和功率开关器件安装在电路板下面的散热片

实验平台,伺服系统

搭建的永磁同步电机伺服系统硬件实物平台如图 5-9 所示，其中图5-9 (a)为系统功率驱动电路和控制电路，图 5-9 (b)为实验电机和负载电机。实验电机通过图 5-9 (a)的硬件电路进行驱动，负载电机由现有的驱动器控制用于加载。(a) 伺服系统硬件电路板 (b) 实验电机和负载电机图 5-9 伺服系统实验平台5.3 软件编程由于本课题硬件设计中采用的控制器是 TMS320F28335 DSP，因此需要在该控制器的软件开发平台 CCS 中进行编程以实现本文提出的控制算法。本课题采用模块化编程的方式进行控制程序的编写，先把每个功能模块编写为子程序，再通过主程序进行调用，使得整个程序结构清晰，方便调试与修改。设计的主程序流程如图 5-10 所示。系统上电后，先进行一系列的初始化工作，对系统时钟、中断、寄存器、外设接口、子程序参数等进行设置，初始化程序保证了后需控制程序运行的准确性和有效性。初始化完成后开启中断并执行空操作等待，为进入循环定时中断执?

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