永磁同步电机伺服系统自抗扰控制的研究

发布时间：2017-06-27 04:11

  本文关键词：永磁同步电机伺服系统自抗扰控制的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：永磁同步电机用永磁体取代感应电机的励磁绕组,具有结构体积小、重量轻,运行可靠、功率密度高等优点,目前,永磁同步电机在工业机器人、数控加工机床、轨道交通、航空等领域有着广泛的应用。但永磁同步电机是一个高阶、非线性、强耦合、时变的对象,在复杂的工业过程中还存在许多不确定的内外扰动,这将对PMSM的控制效果产生不利影响,制约着高性能伺服系统的发展及应用。本文从控制算法的角度,对提高PMSM伺服系统跟踪性、鲁棒性的方法进行了研究。本文探讨了永磁同步电机矢量控制框架下的转速环、电流环自抗扰控制器(ADRC)的设计方法,结合转速环、电流环和自抗扰控制器的特点,在转速控制中,采用线性自抗扰控制器,转速环的负载转矩、粘滞摩擦等均被视为扰动项,并通过反馈控制律进行补偿,实现转速环的完全解耦控制,提升了永磁同步电机在加载时的转速刚度；在电流控制中,采用非线性自抗扰控制器,消除线性自抗扰控制器在大带宽应用中存在的噪声敏感问题,将电流环的反电势项、交叉耦合、定子电阻压降等视为扰动项并进行补偿,提高了电流的跟踪精度、减小了相电流谐波畸变。对于控制器参数整定部分,详细推导了基于转速环带宽的线性自抗扰控制器参数整定方法,转速环线性自抗扰控制器仅有一个参数需要调节；提供了基于对象时间尺度的电流环非线性自抗扰控制器参数整定方法,当获得和对象匹配的一组参数后,只需其它对象的时间尺度即可得到和其它对象匹配的控制器参数。在系统稳定性方面,采用描述函数法分析了不同控制器参数下的电流环非线性系统的稳定性,为控制器的初始参数整定提供了依据；分析了并推导了保证转速环稳定性的充要条件,即保证转速环自抗扰控制器中的观测器和线性控制律的稳定性。对比分析了不同抗积分饱和算法的特点,结合自抗扰算法设计了抗积分饱和的自抗扰控制器,提高系统在异常工况下的可靠性；推导了基于自抗扰调速系统的位置环设计方法,简化了位置环的设计；分析了死区效应对电流环的影响,并提出了一种结合扰动观测器和PI的电流环设计方法,对反电势扰动、交叉耦合和死区误差电压进行补偿,减小了电机尤其是低速下的谐波畸变。在实验平台验证了自抗扰伺服系统设计的正确性和有效性,仿真和实验表明,表明自抗扰伺服系统,在动态跟踪、稳态误差及抗负载扰动方面的性能,要优于抗饱和PI。
【关键词】：永磁同步电机 自抗扰控制 扰动观测器 参数整定 稳定性分析
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM341;TM921.541
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-24
• 1.1 研究背景与意义14-15
• 1.2 PMSM伺服系统研究现状15-17
• 1.3 PMSM伺服控制方法综述17-23
• 1.3.1 传统控制方法17-18
• 1.3.2 现代控制方法18-21
• 1.3.3 智能控制方法21-23
• 1.4 本文主要研究内容23-24
• 第二章 伺服系统转速环线性自抗扰控制器设计24-34
• 2.1 自抗扰控制器的阶次24-25
• 2.2 转速环自抗扰控制器设计25-28
• 2.2.1 线性跟踪微分器25-26
• 2.2.2 线性扩张状态观测器26-27
• 2.2.3 线性状态误差反馈27-28
• 2.3 线性自抗扰控制器参数整定28-30
• 2.3.1 LTD的整定28
• 2.3.2 LESO的整定28-29
• 2.3.3 LSEF的整定29-30
• 2.4 转速环线性自抗扰系统稳定性分析30-31
• 2.5 转速环线性自抗扰控制器的仿真实验31-33
• 2.6 本章小结33-34
• 第三章 伺服系统电流环非线性自抗扰控制器设计34-54
• 3.1 自抗扰控制器的组合方式34
• 3.2 电流环非线性自抗扰控制器设计34-38
• 3.2.1 NLESO的设计34-37
• 3.2.2 LSEF的设计37-38
• 3.3 基于描述函数法的电流环非线性系统的稳定性分析38-45
• 3.3.1 描述函数法简介38-40
• 3.3.2 电流环的等效结构变换40-41
• 3.3.3 fal函数的描述函数41-42
• 3.3.4 电流环非线性系统稳定性判据42-45
• 3.4 电流环非线性控制器的参数整定45-48
• 3.4.1 电流环的时间尺度45-47
• 3.4.2 基于时间尺度的NLADRC参数整定47-48
• 3.5 电流环仿真实验48-53
• 3.6 本章小结53-54
• 第四章 自抗扰伺服系统的若干问题研究54-66
• 4.1 改进型自抗扰控制器设计54-57
• 4.1.1 观测器的积分饱和及其抑制方法54-56
• 4.1.2 抗积分饱和的ADRC56-57
• 4.2 位置控制器设计57-59
• 4.3 基于PI和扰动观测器的电流环设计59-63
• 4.3.1 死区效应及其影响59-61
• 4.3.2 电流环扰动观测器设计61-63
• 4.4 算法仿真实验63-65
• 4.5 本章小结65-66
• 第五章 自抗扰控制系统实验研究66-75
• 5.1 实验平台介绍66-71
• 5.1.1 硬件平台介绍67-69
• 5.1.2 软件算法介绍69-71
• 5.2 实验结果及分析71-74
• 5.2.1 电流跟随实验72
• 5.2.2 转速跟随实验72-73
• 5.2.3 抗负载扰动实验73-74
• 5.2.4 位置跟随实验74
• 5.3 本章小结74-75
• 总结与展望75-76
• 参考文献76-79
• 攻读硕士学位期间发表的论文79-81
• 致谢81

【参考文献】

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本文编号：488530