面向无刷直流电机拖动系统的稀疏采样建模方法及自校正控制

发布时间：2020-05-28 18:30

【摘要】：本文提出了一种结合卡尔曼滤波器与最小二乘法的参数辨识方法,解决了稀疏采样的无刷直流电机拖动系统精确建模的难点。面向新型灰箱模型,本文提出了一种新型的切换自校正控制方案,解决了自校正控制系统在初次运行时控制效果差的难点。建立被控对象的精确数学模型是实现高性能控制系统的第一步。在被控对象模型参数未知情况下,通常采用经验模型。在没有测速传感器的情况下,由于所估算的转速数据不够精确给建模过程带来了困难与挑战。本文利用卡尔曼滤波器重构了较为准确的转速数据,利用递推最小二乘法进行参数在线辨识,得到无刷直流电机拖动系统的数学模型。而后根据数学模型提出了一种新型的切换自校正控制方案。实验表明所提到的建模方法能够为稀疏采样的无刷直流电机拖动系统建立精确的数学模型,模型误差的均方值会下降3倍。实验也验证了,所设计的新型切换自校正控制器较未改进自校正控制器有着更优良的控制效果,使系统动态响应的调节时间下降到原先的1/2。本文的研究内容和创新点如下:1.本文自主设计了一个汽车线束缠绕工艺自动化设备平台。设备平台能够进行电机拖动实验与数据传输。在开发设备平台时,工程技术上的创新点有:提出一种应用定时器实现简单操作系统的方法,对于低性能的CPU也能够实现多线程编程。改进了一种温度滞环保护算法,能有效抑制执行器频繁的动作。提出了一种全新的通信格式,避免由于固定帧头造成的错包问题,并且也降低了通信流量。2.从工程实际问题中提炼出学术问题。工程实际中,由于安装空间或经济性能等,在电机拖动系统中没有使用测速传感器,无法采集到在线运行数据进行动态控制系统的系统辨识,所以无法建立精确的传递函数或状态空间模型。将工程问题提炼成面向无刷直流电机拖动系统的稀疏采样建模问题。3.针对无刷直流电机拖动系统的稀疏采样建模问题,本文提出一种结合卡尔曼滤波器与最小二乘法相结合的参数辨识方法。将霍尔位置传感器计算出的转速数据与辅助模型估计出的转速数据结合起来,利用卡尔曼滤波器估计出最优的转速数据,而后利用最小二乘法进行参数辨识,得到被控对象的模型。实验表明,所提出建模方法能够提高建模精度,模型误差的均方差会下降3倍。4.面向新型灰箱模型,针对自校正控制器在初始运行时控制效果差的问题,本文提出了一种新型的切换自校正控制方案,结合了 PID控制器、极点配置控制器与自校正PID控制器的优点,使系统在整个运行过程中都能有优良的控制效果。实验表明,所提出的切换自校正控制器能够提升系统的性能指标,使系统动态响应的调节时间下降到为原先的1/2。
【图文】：

汽车线束,缠绕机,磁粉制动器,实验平台

２．２新型机电实验装备的总体设计逡逑本文自主设计了一个汽车线束缠绕工艺自动化设备平台。整个实验平台可以分为四大部逡逑分，，分别是动力部分、负载部分、控制部分与通信部分。整个实验平台如下图２．２所示。其逡逑中，线束缠绕机是整个系统的动力单元；磁粉制动器是负载部分；控制部分包括缠绕机的控逡逑制与磁粉制动器的控制部分；通信部分包括缠绕机中的人机交互、数据中转单元与磁粉制动逡逑器的数据中转单元，其功能主要是使缠绕机的状态变量与磁粉制动器控制器进行通信，形成逡逑协同控制。通信部分还有一个功能是将数据上传到上位机进行数据的进一步分析与故障诊断。逡逑整个实验平台的框图如下图２．１所示。整个实验平台一共包括两块电路板，其中主控板逡逑上主要包括无刷直流电机的驱动电路、数字控制器电路、数据通信电路与人机交互电路。辅逡逑助控制电路板上主要包括磁粉制动器电流控制器电路、缠绕机开关控制电路与数据通信电路。逡逑Ｉ逦逡逑Ｉ逦１逦逦邋逦逡逑Ｉ邋逦＇逡逑Ｉ逦自校正控制器一｜－逡逑Ｉ邋逦邋邋邋１逡逑．逦邋；逡逑！邋｜人机交互单元｜—＾邋（电Ｓ系统）—逡逑Ｉ逦｜逡逑Ｉ邋逦邋＞逡逑１逦数据中转单元一１－逡逑Ｉ邋逦逡逑Ｉ逦■逦——逦｜——Ｈ逡逑Ｉ逦＊逡逑Ｌ邋＿邋主控电路板—＿丨逦逦［ｚｔＬ逦ｚｚ．－逡逑￣￣邋￣邋￣邋￣邋￣邋￣￣￣邋＂；逡逑１逦Ｉ逡逑开关控制器逦电流控制器逦数据中转单元逦Ｉ逡逑Ｉ逡逑Ｉ邋逦邋逦ＩＩ逦，逡逑Ｉ逡逑Ｉ邋邋逦邋逦邋辅助控制电ｊ逡逑图２．１实验平台示意图逡逑实验系统的工作原理为：以汽车线束缠绕机为动力单元

汽车线束,缠绕机,主动轮,无刷直流电机

控制系统的影响。通信部分则是负责把实验数据上传到上位机，以便更好的监控实验系统。逡逑１－磁粉制动器；２－汽车线束缠绕机；３－辅助控制电路；４－主控电路（在内部）逡逑图２．２实验平台实物图逡逑２．２．１无刷直流电机拖动系统——汽车线束缠绕机逡逑汽车线束缠绕机是本文研究无刷直流电机拖动系统的一个具体案例。汽车线束缠绕机的逡逑功能是将汽车线束包裹上绝缘胶带或者阻燃材料、电磁屏蔽材料等。线束缠绕机的硬件结构逡逑框图如图２．３所示。邋逦逡逑ＨＳｈ邋，逦运行状Ｈ上位p和ㄑ跺义瞎┯捎慑危掊危五五五澹″义希湾蔚缧拇颪＇一逦，继电器驱逡逑ｉｓ｜ｉ逡逑口电路逦逦ｋ邋＾逦——逡逑＿逦逦＾三相全逦逦无刷直逡逑—逦—？桥电路逦流电机逡逑测电路电路板逡逑逦霍尔检（转子位置信号逦逡逑测电路逡逑图２．３汽车线束缠绕机硬件结构图逡逑汽车线束缠绕机传动部分工作原理为：无刷直流电机与主动轮同轴连接，主动轮通过齿逡逑轮皮带与从动轮连接，从动齿轮通过齿轮皮带、张紧轮与工作旋转机头连接，进而拖动工作逡逑机头旋转进行工作。无刷直流电机采用的是瑞士的ＭＡＸＯＮ邋Ｆｌａｔ邋Ｍｏｔｏｒ邋２５１６０１无刷直流电机，逡逑如图２．４所示。逡逑８逡逑
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM33;TP273

【参考文献】