考虑干扰和摩擦的交流伺服系统的模型预测控制算法研究

发布时间：2020-10-23 22:59

　　 永磁同步电机具有转矩脉动小、效率高、转矩惯量比大等优点,在交流调速系统中得到了越来越广泛的应用。而实际工况下永磁同步电机存在的负载突变、参数摄动等干扰以低速摩擦等特性使得传统的PI控制难以保证最优的伺服控制性能,因而越来越多的先进控制算法被应用到伺服系统中。本文的主要工作包括将工业过程领域中应用非常成熟的模型预测控制思想应用到永磁同步电机调速系统中,通过模型预测控制的滚动优化得到对应综合性能指标下的最优控制序列。并针对实际工况下强扰动和低速摩擦情况,分别设计了基于GPIO的模型预测控制、基于摩擦模型的模型预测控制用以提升电机在不同复杂工况下的性能。论文首先介绍了当前交流调速系统的发展概况、交流调速系统的几种主要控制算法的特点、永磁同步电机的数学模型以及基于矢量控制的永磁同步电机调速系统的实现方案。接着介绍了模型预测控制方法原理,并针对永磁同步电机调速系统设计了速度环模型预测控制器,对其参数调整规律和控制性能进行了仿真和实验研究。然后针对强扰动工况下电机负载突变以及参数摄动等特点,研究了基于GPIO的速度环模型预测控制的设计与仿真,仿真结果表明该设计相对常规模型预测控制具有更强的抗扰动性能。最后考虑到数控机床、工业机器人等高精度伺服应用场合中摩擦带来的性能下降,提出了基于摩擦模型的速度环模型预测控制,通过离线辨识Stribeck摩擦模型,在线补偿预测模型输出。仿真结果表明有效改善了伺服系统低速情况下的位置跟踪“平顶”现象和速度“死区”现象。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM341
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 交流伺服电机的主要控制策略和算法
        1.2.1 交流伺服电机主要控制策略
        1.2.2 交流伺服电机主要控制算法
    1.3 永磁同步电机的模型预测控制研究
        1.3.1 基于线性模型预测算法
        1.3.2 基于非线性模型预测算法
    1.4 本论文的工作和内容安排
第二章 永磁同步电机调速系统原理
    2.1 引言
    2.2 永磁同步电机基本结构
    2.3 永磁同步电机数学模型
        2.3.1 永磁同步电机在三相静止坐标系下的数学模型
        2.3.2 永磁同步电机在旋转坐标系下的数学模型
    2.4 永磁同步电机矢量控制系统
    2.5 小结
第三章 永磁同步电机速度环模型预测控制的设计与实现
    3.1 引言
    3.2 模型预测控制方法原理
    3.3 永磁同步电机速度环模型预测器的设计
        3.3.1 预测模型
        3.3.2 反馈校正
        3.3.3 滚动优化
    3.4 速度环MPC的仿真结果分析
        3.4.1 参数调节规律测试
        3.4.2 不同速度给定下性能测试
    3.5 速度环MPC的实验结果分析
    3.6 小结
第四章 基于GPIO的永磁同步电机模型预测控制
    4.1 引言
    4.2 GPIO介绍
    4.3 基于GPIO的永磁同步电机速度环模型预测控制设计
        4.3.1 速度环GPIO设计及仿真
        4.3.2 基于GPIO的速度环MPC控制器设计
    4.4 基于GPIO的速度环MPC仿真结果与分析
    4.5 小结
第五章 基于摩擦模型的永磁同步电机模型预测控制
    5.1 引言
    5.2 摩擦常见模型
        5.2.1 经典静态摩擦模型
        5.2.2 动态摩擦模型
    5.3 摩擦参数辨识
        5.3.1 Stribeck模型分段线性化
        5.3.2 最小二乘辨识基本原理
        5.3.3 摩擦模型辨识分析
    5.4 基于摩擦模型的永磁同步电机模型预测控制
    5.5 基于摩擦模型的速度环MPC仿真结果与分析
        5.5.1 位置环的测试
        5.5.2 速度环的测试
    5.6 小结
第六章 结束语
致谢
参考文献
作者在学期间科研成果

【参考文献】

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本文编号：2853663