反步控制协同转矩观测器的交流伺服系统低速控制方法

发布时间：2020-10-30 01:39

　　 随着工业4.0的到来,高性能交流伺服系统在国防航天、工业机器人以及农业生产等领域快速发展,已经成为当前各领域共同关注的对象。交流伺服系统的低速性能实现困难、应用却非常广泛,因此作为高性能交流伺服系统的灯塔指标,备受国内外学者和工程技术人员广泛重视。交流伺服系统工作在低速时会产生低速爬行现象,不仅影响低速性能、产生噪声,还会带来设备寿命和可靠性方面的隐患。反步控制(Backstepping control,BC)是一种针对系统存在不确定性因素的控制方法,在改善非线性系统的控制性能方面表现出很大的优势。为提高伺服系统的低速控制性能,本文研究了反步控制协同转矩观测器(Torque observer,TOB)的交流伺服系统低速控制方法。首先介绍了永磁同步电机的数学模型以及矢量控制原理;其次详细阐述了反步控制的基本原理,进行交流伺服系统反步控制器设计并对控制器的参数敏感性进行分析;接着针对负载扰动量不便直接测量和摩擦数学模型引入导致反步控制器设计复杂的问题,引入转矩观测器对系统中的负载与摩擦扰动进行估计并补偿,运用朱里准则对转矩观测器进行了稳定性分析,并给出了观测器增益的选取准则。同时针对高阶反步控制系统中常规求导引起的控制器设计繁琐以及“计算爆炸”问题,采用指令滤波器代替常规解析求导,并对滤波误差进行补偿,避免了常规解析求导造成的“计算爆炸”问题;最后本文利用Matlab/Simulink对反步控制协同转矩观测器的交流伺服系统低速控制方法进行仿真验证,并在搭建的交流伺服系统实验平台上对该方案进行实验验证。仿真和实验结果表明,反步控制协同转矩观测器的交流伺服系统低速控制方法具有良好的动态性能和抗干扰能力,在满足系统性能指标的同时,能有效地削弱低速爬行对伺服系统低速运行时的不利影响,提高系统的控制性能。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM341;TM921.541
【部分图文】：

） 基于摩擦模型的补偿方法基于摩擦模型的补偿方法需要建立摩擦的数学模型，然后再根据位置、转速信息计算摩擦力矩并进行补偿，其基本控制框图如图1-2所示。基于摩擦模型补偿方法国内外学者已做了大量的实验研究，文献【19】在光电伺服平台中首先采用LuGre摩擦模型估计摩擦力矩进行补偿，然后设计自抗扰控制器对摩擦补偿后残余扰动进行抑制；文献【20】对Stribeck模型进行优化，建立了包含转速信息的Stribeck摩擦模型，提高了系统在高速和高加速度下的定位精度；文献【21、22】在LuGre模型的基础上设计了自适应摩擦补偿控制器，并与静态摩擦模型补偿进行实验对比，其提出的基于LuGre模型自适应补偿方法提高了系统的动态特性和定位精度；文献【23、24】通过智能算法对摩擦模型的参数进行辨识，并使用一系列静态和动态信号作为参考信号，以增强不同摩擦现象的影响。仿真结果表明，基于智能算法的摩擦参数辨识方法能够精确地找到一组理想的摩擦参数。 +++图1-2基于摩擦模型补偿的控制系统框图Fig.1-2 Block diagram of control system based on friction model compensation（2） 基于非摩擦模型的补偿方法基于摩擦模型补偿的本质是一种开环补偿方式

2-16）图2-2给出了矢量控制原理结构图。可以看出，通过对PMSM数学模型进行坐标变换可以等效为直流电机模型，因此便可以采用类似控制直流电机的方法。矢量控制的核心在于将复杂的永磁同步电机数学模型等效为直流电机模型，然后分别对q-d轴电流进行独立控制。*Ai*Bi*CiAiBiCiαiβieTdiqiriωα iβ di qi rθrθ图2-2矢量控制原理结构图Fig.2-2 Structure diagram of vector control2.2.2 基于转子磁场定向的交流伺服系统数学模型在交流伺服系统控制中多采用id=0的控制策略，并且由于电机转子机械角度和磁通角度在运行过程中保持一致，所以在实际控制中只需准确检测电机转子位置即可确定d-q坐标轴，进而可以控制d-q轴电流分量，驱动

由于传统PI控制设计简单、参数易调节等优点，被广泛应用在伺服控制系统中，图2-3给出的是PMSM三闭环伺服系统控制框图。refωdqabcaibiciiαiβqrefidcUqi0drefi =ωuβuαqrefudrefuαβαβθdirefθθdqαβθ图2-3 PMSM三闭环伺服系统控制框图Fig.2-3 Three loops model of PMSM servo system交流伺服系统为了获得良好的控制效果，通常是由位置环、转速环和电流环组成的三闭环控制系统，下面分别对三个环路的控制器进行简单介绍。首先是电流环控制器，电流环是伺服控制系统的最内环，是最核心的部分。电流闭环反映反馈电流的跟踪能力，给定电流跟随的越快说明系统动态性能越好。同时，适当的电流环参数能够减小输出电流的波动以及电机的输出转矩脉动。从设计角度出发，电流控制器的设计是以提高伺服系统动态响应能力以及跟踪能力为目的。其次是转速环控制器，转速环介于位置环和电流环之间，其控制性能直接影响电流环的控制精度。转速环控制器设计应以抗扰能力为主，转速的波动和快速跟踪性能是衡量高性能伺服系统的重要指标。由于对转速反馈有较高的精度要求
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 王传军;;交流伺服系统特性分析与测试[J];电机与控制应用;2018年06期

2 刘扬;林毅;姜一晖;;浅析交流伺服系统的现状与发展前景[J];价值工程;2014年20期

3 钱祥忠;张双宏;;全数字交流伺服系统及其应用[J];电气应用;2013年04期

4 李庆坚;;交流伺服系统结构及原理[J];科技信息;2010年07期

5 黄声华;吴芳;;永磁交流伺服系统国内外发展概况[J];微特电机;2008年05期

6 ;“森创”步进和交流伺服系统在绕线机上的应用[J];伺服控制;2008年07期

7 ;埃斯顿交流伺服系统产品简介[J];伺服控制;2008年07期

8 王健;;现代交流伺服系统技术和市场发展综述[J];伺服控制;2007年01期

9 崔丽丽;张润和;王凯丽;;永磁同步电动机交流伺服系统的研发[J];微特电机;2006年02期

10 田杨松;;气象雷达数字交流伺服系统[J];科技资讯;2006年17期

相关博士学位论文 前10条

1 谢远龙;基于数据驱动的交流伺服系统运动控制方法研究[D];华中科技大学;2018年

2 孙振兴;交流伺服系统先进控制理论及应用研究[D];东南大学;2018年

3 曾玉金;高性能交流伺服系统及其复合控制策略研究[D];浙江大学;2005年

4 王杰;高精度交流伺服系统的新型控制策略[D];浙江大学;1996年

5 陈晓青;高性能交流伺服系统的研究与开发[D];浙江大学;1996年

6 严帅;永磁交流伺服系统及其先进控制策略研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

7 骆再飞;滑模变结构理论及其在交流伺服系统中的应用研究[D];浙江大学;2003年

8 王少威;永磁交流伺服系统速度检测与控制研究[D];华中科技大学;2012年

9 窦汝振;高性能永磁交流伺服系统及其新型控制策略的研究[D];天津大学;2003年

10 王宏佳;微小型高性能永磁交流伺服系统研究[D];哈尔滨工业大学;2012年

相关硕士学位论文 前10条

1 靳海旭;反步控制协同转矩观测器的交流伺服系统低速控制方法[D];西安理工大学;2019年

2 李锡鹏;基于Infineon MCU的永磁交流伺服系统设计与实现[D];哈尔滨工业大学;2018年

3 张晗;交流伺服系统速度环自整定技术研究[D];哈尔滨工业大学;2018年

4 翟天祺;交流伺服系统电流环性能的研究[D];中国航天科技集团公司第一研究院;2018年

5 贾勇;交流伺服系统PI控制器参数自整定方法研究[D];大连交通大学;2018年

6 马炯;交流伺服系统的智能建模及谐振抑制研究[D];东南大学;2018年

7 孙功武;交流伺服系统转矩脉动抑制及速度环优化研究[D];武汉理工大学;2015年

8 杨飞波;嵌入式数字交流伺服系统实验平台的开发与实现[D];南京理工大学;2014年

9 刘琦;交流伺服系统便携式检测技术的研究[D];天津大学;2016年

10 王晓强;基于干扰估计的交流伺服系统离散时间滑模控制研究[D];东北大学;2008年

本文编号：2861778