机械臂专用伺服系统设计与抗扰策略研究
发布时间：2021-11-10 18:10
随着制造业的快速发展,工业机械臂被广泛应用于搬运、组装等领域,其关节部分主要由伺服系统控制器、伺服电机、传动装置以及传感器组成,伺服系统动态性能的好坏在一定程度上决定了机械臂的运行性能。高性能的工业机械臂系统在满足动态响应速度快、定位精度高、运行稳定、抗扰动能力强等要求的同时,还需要考虑系统传动链转矩及时变的负载转矩（悬臂结构重力转矩）扰动问题。因此,本文根据机械臂工作要求与特点,对机械臂专用伺服系统进行设计与研究。首先对刚性机械臂伺服系统进行分析与优化设计。建立、分析系统传递函数模型,依次对位置环、转速环、电流环各环的控制器与结构进行分析与优化。电流环采用电流前馈解耦方式实现交轴、直轴电流动态解耦,增强电流动态跟踪性能;转速环采用PDFF控制方式,使系统转速快速响应、超调量小甚至无超调,并且系统有良好的转速跟踪精度;位置环采用前馈比例复合控制方式,加快系统动态响应速度的同时,减小系统位置跟随误差。其次,针对机械臂关节传动链及时变负载转矩扰动造成系统转速动态波动,进而影响位置控制精度的问题,提出一种嵌入动转矩闭环的控制策略。对控制系统结构进行设计,并对其工作原理进行分析。仿真结果表明,...
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PMSM转子结构
第2章PMSM建模分析及控制方式7图2.2ABC轴系下面装式PMSM结构图Fig.2.2StructurediagramofsurfacemountedPMSMinABCshafting由图2.2可得三相绕组的电压方程为：AAsABBsBCCsCdddddduRituRituRit（2.1）Au、Bu、Cu、Ai、Bi、Ci为三相绕组相电压、相电流，分别构成定子电压矢量su、定子电流矢量si；sR为相电阻；A、B、C为三相绕组的全磁链，可表示为：AAABACAfABBABBCBfBCCACBCCfCLLLiLLLiLLLi（2.2）fA、fB、fC为永磁励磁磁场链经过三相绕组产生的磁链，构成转子磁链矢量fψ。AL、BL、CL为三相绕组的自感，CBBCCAACBAAB、、、、、LLLLLL为三相绕组的互感，自感与互感均为恒定值：Bm1sCALLLLL（2.3）m1om1CBBCCAACBAAB21cos120LLLLLLLL（2.4）sL、m1L为相绕组的漏电感和励磁电感。若定子三相绕组为Y接，且无中线引出，则ABCiii0，将式（2.2）表示为：fCfBfACBAsfCfBfACBAmsσCBA)(iiiLiiiLL（2.5）
沈阳工业大学硕士学位论文8其中mm132LL，为等效励磁电感；ssmLLL，为同步电感。电机定子磁链矢量s表达式为：sssfψLiψ（2.6）将式（2.1）变为矢量方程形式：ssssddRtψui（2.7）将式（2.6）代入式（2.7）可得：sfsssssefdddjdddsssRLRLωtttiψiuiiψ（2.8）其中，efjωψ为转子磁场旋转产生的感应电动势，又称为反电动势0e。由以上公式可知，电机的磁链与电压方程在ABC轴系中具有非线性时变的特点，因此分析电机的动态特性时，有一定的复杂程度。可以采用坐标变换方式，将ABC轴系中的数学模型转换到基于转子磁场定向的同步旋转dq轴系中，目的是便于分析电机的稳态、动态性能。dq轴系下PMSM等效模型如图2.3所示。图2.3dq坐标系下面装式PMSM模型图Fig.2.3StructurediagramofsurfacemountedPMSMindqshaftingd轴与A轴重合，方向与f一致，q轴逆时针超前d轴90°空间电角度，dq轴同步以e旋转。d轴电流为纯励磁分量，绕组等效为励磁绕组；q轴电流为纯转矩分量，绕组等效为电枢绕组。励磁电流与转矩电流解耦，便于控制，dq轴系电压、磁链方程为：ddsdeqqqsqedddddψuRiωψtψuRiωψt（2.9）dddfqqqLiLi（2.10）
【参考文献】：
期刊论文
[1]机器人用永磁同步电机的双自由度控制[J]. 任虹霞,王桐. 微电机. 2019(11)
[2]基于非线性扰动观测器的永磁同步电机单环预测控制[J]. 刘旭东,李珂,张奇,张承慧. 中国电机工程学报. 2018(07)
[3]永磁交流伺服系统自适应控制技术研究[J]. 胡静,尚俊云,米乾宝. 微电机. 2017(08)
[4]基于自抗扰控制的双环伺服系统[J]. 刘春强,骆光照,涂文聪,万浩. 中国电机工程学报. 2017(23)
[5]基于复矢量的电流环解耦控制方法研究[J]. 吴为,丁信忠,严彩忠. 中国电机工程学报. 2017(14)
[6]基于负载观测的永磁电机驱动系统自抗扰控制[J]. 盖江涛,黄守道,黄庆,王辉. 电工技术学报. 2016(18)
[7]伪微分反馈控制的电励磁双凸极直流发电系统[J]. 赵凯弟,陈志辉,王波,王兰凤. 电机与控制应用. 2016(04)
[8]基于变结构自抗扰的永磁电动机速度控制系统[J]. 黄庆,黄守道,冯垚径,周腊吾,李孟秋,邓秋玲. 电工技术学报. 2015(20)
[9]基于负载转矩观测的PMSM直接转矩反步控制[J]. 宁博文,程善美,秦忆. 电气传动. 2015(05)
[10]基于负载观测的抗扰动伪微分反馈策略电机控制[J]. 幸权,唐猛,张兵. 信息与控制. 2015(02)
博士论文
[1]基于二自由度理论和内模原理的高速高精度伺服控制器综合设计方法[D]. 李泽源.北京交通大学 2015
[2]交流永磁电机伺服系统复合自抗扰控制策略研究[D]. 黄庆.湖南大学 2014
[3]柔性关节机械臂及其运动学标定和振动抑制的研究[D]. 黎田.哈尔滨工业大学 2012
硕士论文
[1]永磁同步电机快速响应高精度伺服控制[D]. 高京哲.哈尔滨工业大学 2019
[2]自抗扰控制技术在永磁同步电机调速系统中的应用[D]. 彭秋铭.中国科学技术大学 2018
[3]永磁同步电机弱磁调速系统的抗干扰控制方法研究[D]. 崔宏宇.东南大学 2017
[4]负载扰动下空间机械臂关节伺服系统参数在线整定方法研究[D]. 黄靖宇.北京邮电大学 2017
[5]永磁同步电机直驱式位置伺服系统控制策略研究[D]. 韩镇锚.南京航空航天大学 2017
[6]永磁同步电机伺服系统的自抗扰控制技术研究[D]. 张捷.南京航空航天大学 2015
[7]飞行器永磁同步电动舵机控制系统研究与设计[D]. 荀倩.南京航空航天大学 2015
[8]具有参数自整定功能的交流伺服系统设计与实现[D]. 许庆.哈尔滨工业大学 2015
[9]交流伺服系统参数整定方法及抗负载扰动观测研究[D]. 肖博.湖南大学 2014
[10]高速电机的高精度控制系统及其算法的研究[D]. 张洪国.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3487706
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PMSM转子结构
第2章PMSM建模分析及控制方式7图2.2ABC轴系下面装式PMSM结构图Fig.2.2StructurediagramofsurfacemountedPMSMinABCshafting由图2.2可得三相绕组的电压方程为：AAsABBsBCCsCdddddduRituRituRit（2.1）Au、Bu、Cu、Ai、Bi、Ci为三相绕组相电压、相电流，分别构成定子电压矢量su、定子电流矢量si；sR为相电阻；A、B、C为三相绕组的全磁链，可表示为：AAABACAfABBABBCBfBCCACBCCfCLLLiLLLiLLLi（2.2）fA、fB、fC为永磁励磁磁场链经过三相绕组产生的磁链，构成转子磁链矢量fψ。AL、BL、CL为三相绕组的自感，CBBCCAACBAAB、、、、、LLLLLL为三相绕组的互感，自感与互感均为恒定值：Bm1sCALLLLL（2.3）m1om1CBBCCAACBAAB21cos120LLLLLLLL（2.4）sL、m1L为相绕组的漏电感和励磁电感。若定子三相绕组为Y接，且无中线引出，则ABCiii0，将式（2.2）表示为：fCfBfACBAsfCfBfACBAmsσCBA)(iiiLiiiLL（2.5）
沈阳工业大学硕士学位论文8其中mm132LL，为等效励磁电感；ssmLLL，为同步电感。电机定子磁链矢量s表达式为：sssfψLiψ（2.6）将式（2.1）变为矢量方程形式：ssssddRtψui（2.7）将式（2.6）代入式（2.7）可得：sfsssssefdddjdddsssRLRLωtttiψiuiiψ（2.8）其中，efjωψ为转子磁场旋转产生的感应电动势，又称为反电动势0e。由以上公式可知，电机的磁链与电压方程在ABC轴系中具有非线性时变的特点，因此分析电机的动态特性时，有一定的复杂程度。可以采用坐标变换方式，将ABC轴系中的数学模型转换到基于转子磁场定向的同步旋转dq轴系中，目的是便于分析电机的稳态、动态性能。dq轴系下PMSM等效模型如图2.3所示。图2.3dq坐标系下面装式PMSM模型图Fig.2.3StructurediagramofsurfacemountedPMSMindqshaftingd轴与A轴重合，方向与f一致，q轴逆时针超前d轴90°空间电角度，dq轴同步以e旋转。d轴电流为纯励磁分量，绕组等效为励磁绕组；q轴电流为纯转矩分量，绕组等效为电枢绕组。励磁电流与转矩电流解耦，便于控制，dq轴系电压、磁链方程为：ddsdeqqqsqedddddψuRiωψtψuRiωψt（2.9）dddfqqqLiLi（2.10）
【参考文献】：
期刊论文
[1]机器人用永磁同步电机的双自由度控制[J]. 任虹霞,王桐. 微电机. 2019(11)
[2]基于非线性扰动观测器的永磁同步电机单环预测控制[J]. 刘旭东,李珂,张奇,张承慧. 中国电机工程学报. 2018(07)
[3]永磁交流伺服系统自适应控制技术研究[J]. 胡静,尚俊云,米乾宝. 微电机. 2017(08)
[4]基于自抗扰控制的双环伺服系统[J]. 刘春强,骆光照,涂文聪,万浩. 中国电机工程学报. 2017(23)
[5]基于复矢量的电流环解耦控制方法研究[J]. 吴为,丁信忠,严彩忠. 中国电机工程学报. 2017(14)
[6]基于负载观测的永磁电机驱动系统自抗扰控制[J]. 盖江涛,黄守道,黄庆,王辉. 电工技术学报. 2016(18)
[7]伪微分反馈控制的电励磁双凸极直流发电系统[J]. 赵凯弟,陈志辉,王波,王兰凤. 电机与控制应用. 2016(04)
[8]基于变结构自抗扰的永磁电动机速度控制系统[J]. 黄庆,黄守道,冯垚径,周腊吾,李孟秋,邓秋玲. 电工技术学报. 2015(20)
[9]基于负载转矩观测的PMSM直接转矩反步控制[J]. 宁博文,程善美,秦忆. 电气传动. 2015(05)
[10]基于负载观测的抗扰动伪微分反馈策略电机控制[J]. 幸权,唐猛,张兵. 信息与控制. 2015(02)
博士论文
[1]基于二自由度理论和内模原理的高速高精度伺服控制器综合设计方法[D]. 李泽源.北京交通大学 2015
[2]交流永磁电机伺服系统复合自抗扰控制策略研究[D]. 黄庆.湖南大学 2014
[3]柔性关节机械臂及其运动学标定和振动抑制的研究[D]. 黎田.哈尔滨工业大学 2012
硕士论文
[1]永磁同步电机快速响应高精度伺服控制[D]. 高京哲.哈尔滨工业大学 2019
[2]自抗扰控制技术在永磁同步电机调速系统中的应用[D]. 彭秋铭.中国科学技术大学 2018
[3]永磁同步电机弱磁调速系统的抗干扰控制方法研究[D]. 崔宏宇.东南大学 2017
[4]负载扰动下空间机械臂关节伺服系统参数在线整定方法研究[D]. 黄靖宇.北京邮电大学 2017
[5]永磁同步电机直驱式位置伺服系统控制策略研究[D]. 韩镇锚.南京航空航天大学 2017
[6]永磁同步电机伺服系统的自抗扰控制技术研究[D]. 张捷.南京航空航天大学 2015
[7]飞行器永磁同步电动舵机控制系统研究与设计[D]. 荀倩.南京航空航天大学 2015
[8]具有参数自整定功能的交流伺服系统设计与实现[D]. 许庆.哈尔滨工业大学 2015
[9]交流伺服系统参数整定方法及抗负载扰动观测研究[D]. 肖博.湖南大学 2014
[10]高速电机的高精度控制系统及其算法的研究[D]. 张洪国.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3487706
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3487706.html
