同周期控制交流伺服系統(tǒng)的研究.pdf

1、數(shù)控裝備是典型的機電系統(tǒng)，是裝備制造業(yè)的核心。為達到數(shù)控裝備高速和高精度的發(fā)展目標，需要對其進行機電一體化的全局最優(yōu)化設計，這要求NC指令周期和伺服系統(tǒng)的機械環(huán)周期、電流環(huán)周期完全同步。本文旨在研究交流伺服系統(tǒng)機械環(huán)和電流環(huán)的同周期控制問題，使其獲得更加優(yōu)越的性能，并為數(shù)控裝備全同周期的實現(xiàn)提供同周期伺服系統(tǒng)平臺。
　　為證明同周期控制的優(yōu)越性，本文建立了交流永磁同步電機d-q坐標系下的數(shù)學模型。對比同周期和不同周期兩種控制結(jié)構(gòu)的

2、控制效果，同周期控制系統(tǒng)波動極小，更接近于理想曲線。推導了同周期控制和不同周期控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，同周期系統(tǒng)傳遞函數(shù)相對階數(shù)最低，最穩(wěn)定。根據(jù)控制系統(tǒng)模型設計了軟件仿真系統(tǒng)平臺，設置機械環(huán)和電流環(huán)在不同周期和同周期控制情況下，分別進行速度控制仿真。仿真結(jié)果表明，同周期控制可更有效地抑制負載轉(zhuǎn)矩波動。針對同周期控制將會引發(fā)的電流采樣噪聲、速度分辨率低以及計算量大等問題，提出了有效解決途徑——用全整數(shù)運算來進行控制算法設計，設計全整數(shù)的

3、電流環(huán)狀態(tài)觀測器和機械環(huán)狀態(tài)觀測器。
　　針對實現(xiàn)同周期控制需要解決的計算量大的問題，提出了全整數(shù)控制算法設計的基本規(guī)則。為獲得高效高精度的矢量變換算法，簡化了矢量變換公式，設計了可以快速地獲得高精度正弦和余弦值的查表算法。針對三相脈寬調(diào)制中母線電壓不能被充分利用的問題，設計了電壓矢量中心點平移算法，證明了其有效性和無方向誤差。根據(jù)同周期控制交流伺服系統(tǒng)電流環(huán)模型和機械環(huán)傳遞函數(shù)，設計了伺服控制主程序流程圖和同周期控制程序流程圖和

4、系統(tǒng)軟件。研制了包括主控板、功率板和電源板在內(nèi)的系統(tǒng)硬件。
　　為解決同周期控制中的電流采樣噪聲問題，推導了低通濾波器的遞推公式和電流環(huán)狀態(tài)觀測器的遞推公式，并提出了極點選取原則。設計了電流環(huán)調(diào)節(jié)器，并討論了控制參數(shù)取值方法。建立了電流環(huán)的仿真模型和狀態(tài)觀測器的仿真模型，通過電流控制仿真確定了觀測器極點選取和系統(tǒng)控制參數(shù)范圍，并驗證了觀測器的有效性和優(yōu)越性。編寫了電流低通濾波器和電流環(huán)狀態(tài)觀測器的程序模塊，在試驗平臺上進行了電流控

5、制試驗，試驗結(jié)果證明狀態(tài)觀測器能夠更有效地抑制電流采樣噪聲，達到更高的電流響應頻率。
　　針對同周期控制中，機械環(huán)頻率高所導致的速度分辨低的問題，推導了速度數(shù)字低通濾波器的遞推形式，并設計了機械環(huán)狀態(tài)觀測器，給出了觀測器的收斂條件，并進行了極點選取。在電流環(huán)仿真模型的基礎(chǔ)上，搭建了機械環(huán)仿真模型，對機械環(huán)和觀測器進行了仿真調(diào)試?？刂品抡娼Y(jié)果證明了機械環(huán)狀態(tài)觀測器的有效性。編寫了速度濾波器程序模塊和機械環(huán)狀態(tài)觀測器程序模塊，進行了速

6、度控制試驗。試驗結(jié)果證明，應用了狀態(tài)觀測器的系統(tǒng)具有較高的響應速度和穩(wěn)定性。
　　針對高速電機控制中的高頻電流控制問題，分析得出PWM頻率不小于電流頻率6倍的結(jié)論。針對當前位置檢測器件無法在高速情況下正常工作的現(xiàn)狀，提出了高速電機控制對位置檢測器件的要求。本文系統(tǒng)中單對極磁性編碼器的特性符合高速電機控制的要求。針對高速電機矢量控制中電壓矢量變換的角度誤差較大的問題，提出了超前補償方法。針對編碼器角度上報方式造成的角度反饋滯后問題，