交流永磁电机伺服系统复合自抗扰控制策略研究

发布时间：2018-07-05 00:04

本文选题：交流伺服系统 + 交流永磁同步电机　；参考：《湖南大学》2014年博士论文

【摘要】：随着永磁材料性能的不断提高和完善以及电力电子元件的进一步发展和改进,稀土永磁电机伺服系统的开发和应用已经进入一个新阶段。交流永磁电机伺服系统在军民两用装备及生产领域应用广泛,同时军用装备、印刷机械、数控机床、民用自动生产线等领域也对伺服系统中的动态响应速度、位置跟踪精度、抗扰动能力以及稳态误差等关键性能提出了更高的要求,运用新型的现代控制理论与工程技术相结合,来提高交流伺服电机系统的控制性能有着重要的学术研究意义和实际应用价值。现代控制理论已经历了60多年的发展,而自抗扰控制技术(ADRC)作为一类非线性控制技术尽管才历时20多年的进步,但对于交流永磁伺服电机这类非线性、强耦合、参数时变的系统来说,相比于PID控制系统,ADRC能够更好的满足伺服系统高性能的需要,实现良好的控制性能。自抗扰控制器结构严谨,易于数字化实现,从理论发展的初期就能很好的与电机控制技术相结合。因此,本文以项目需求为背景,以自主研制的1.82kW.11.3kW和17.3kW三种规格的交流永磁同步电动机作为控制对象,搭建了实际的高性能控制实验平台,提出了复合自抗扰的非线性控制优化算法,使得ADRC技术能够更好的在新型高性能交流永磁伺服电机系统产品中应用。本文的主要工作及创新性成果有： 1、首先介绍了课题的研究背景和意义,对交流伺服技术的发展趋势进行了综述,重点介绍了PID与自抗扰控制、滑模变结构控制、模糊与自适应控制、复合控制作为交流永磁伺服电机驱动控制策略在实际中的应用及控制中存在的关键技术问题。其次,建立了电机的数学模型及采用矢量控制的基本方法,并研究了传统PID控制与自抗扰控制在实际伺服电机交流调速系统中的应用,通过仿真及实验的对比,进一步验证了ADRC控制技术作为一类新型的非线性PID控制算法在交流伺服调速系统中的具有更好的调速稳定性能,提高了整体系统的鲁棒性。 2、将滑模控制与自抗扰控制技术相结合,提出了滑模自抗扰(SM-ADRC)复合控制策略来提高交流永磁伺服电机控制系统的变频调速性能。首先,对于非线性扩张状态观测器(ESO)和非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)参数运用滑模变结构算法解决参数整定的问题,对于跟踪微分器(TD)采用了最速离散函数,设计出速度电流环的二阶滑模自抗扰控制器,以增强系统的抗扰动的能力,并对直轴电流输出方程进行分析,提出了一种新的电流环滑模自抗扰控制方案,经仿真和实验验证,相比于典型的ADRC调速系统,改进后的SM-ADRC速度控制系统具有更优良的控制性能,提高了伺服电机变频调速系统的动静态性能和鲁棒性,验证了改进算法的有效性。 3、针对交流永磁伺服电机位置控制系统,以转子位置信号作为二阶自抗扰控制器的反馈信号,结合该自抗扰控制器中ESO的各阶状态变量估计与TD产生的各阶微分之间的误差,运用模糊控制理论对NLSEF的参数进行整定调节,最终对总扰动进行补偿,实现交流永磁伺服电机系统位置环的模糊自抗扰控制(Fuzzy-ADRC)高精度控制。经仿真和实验验证,改进后的Fuzzy-ADRC系统与典型ADRC系统相比较,具有更好的控制效果,为ADRC的参数优化提供一条新的路径,实验结果验证了改进算法的正确性。 4、为减轻ADRC的ESO估计扰动并进行补偿的负担,用控制系统的模型补偿部分对负载扰动及转动惯量进行辨识,得到了具有实际补偿价值的扰动模型并引入到线性扩张状态观测器(LESO),并采用离散最速反馈控制函数(fhan函数)解决NLSEF参数优化的问题,优化了系统的控制结构,使得系统动态响应能力增强,速度控制系统稳态性能更好。通过仿真和实验的验证,模型补偿优化ADRC控制策略用于速度驱动系统具有更快速的动态响应能力、转矩脉动更小、对负载及系统内部参数变化具有很强的抗扰动能力,为该控制技术能够运用到高性能伺服调速控制领域奠定了良好的基础。 5、本文搭建了1.82kW、11.3kW和17.3kW三种规格的交流永磁伺服电机高性能控制实验平台,将所研究的SM-ADRC、Fuzzy-ADRC以及模型补偿优化ADRC等复合自抗扰控制策略分别在三种规格的伺服控制系统中完成实际的加载和控制响应实验,并用相关仪器记录了调试系统的数据,对于典型的ADRC系统与复合ADRC系统进行对比验证,以实验结果来验证相关分析的正确性。
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【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM351

【参考文献】