永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)控制策略研究及實(shí)踐.pdf

1、本文針對(duì)高性能交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展需要,對(duì)通用交流伺服系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù):初始定位、位置控制精度的提高、動(dòng)態(tài)性能的提高、抗干擾性能的提高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí)進(jìn)行了深入研究。
　　 作者首先設(shè)計(jì)和研制了一套通用交流伺服系統(tǒng),包括硬件平臺(tái)、控制軟件和調(diào)試界面。這個(gè)平臺(tái)是后續(xù)關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)。
　　 上電后初始位置確定是同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中的一個(gè)難點(diǎn)。一般利用霍爾傳感器進(jìn)行初始定位的方法中,轉(zhuǎn)子擺動(dòng)的最大值會(huì)達(dá)到電角度±30°,這個(gè)擺

2、動(dòng)在很多高性能交流伺服系統(tǒng)的加工類應(yīng)用場(chǎng)合中是不允許的。針對(duì)這種情況,作者提出一種新的初始定位方法,該方法中不斷輸出特定角度的定位電流,以探測(cè)上電后轉(zhuǎn)子的初始位置。同時(shí)因增量式編碼器對(duì)轉(zhuǎn)子位置變化具有較高靈敏性,利用這種特性并采用迭代算法,可縮小轉(zhuǎn)子初始位置角探測(cè)范圍。經(jīng)過若干次迭代后就可以確定轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置。與傳統(tǒng)方法比較,這種新的初始定位方法可以使轉(zhuǎn)子在初始定位過程中的擺動(dòng)幅度減小到±1.8°電角度范圍內(nèi),甚至傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的間隙都可以

3、淹沒這個(gè)微小的轉(zhuǎn)子擺動(dòng),轉(zhuǎn)子擺動(dòng)對(duì)負(fù)載的影響大為減小。為了減小工程人員的工作量,提高交流伺服系統(tǒng)的智能性,設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子初始位置自檢測(cè)方法、霍爾信號(hào)相序接線錯(cuò)誤自校正方法、電動(dòng)機(jī)電源接線錯(cuò)誤自校正方法、編碼器A/B信號(hào)接線錯(cuò)誤自校正方法,這些方法在沒有命令信號(hào)的情況下也允許轉(zhuǎn)子擺動(dòng)一轉(zhuǎn)的場(chǎng)合中可以應(yīng)用。
　　 位置跟隨誤差是伺服系統(tǒng)最根本的性能指標(biāo),減小定位過程中的位置跟隨誤差幅值對(duì)提高伺服系統(tǒng)性能尤為重要。目前在交流伺服系統(tǒng)中,減

4、小定位過程中位置跟隨誤差的方法主要是增加前饋控制。但目前前饋控制都是指把速度前饋和加速度前饋?zhàn)饔弥?同時(shí)添加到速度閉環(huán)的給定信號(hào)中,這種PD調(diào)節(jié)器和前饋控制器復(fù)合控制作用下,速度前饋只能工作于欠補(bǔ)償狀態(tài),位置跟隨誤差幅值仍然較大.作者提出把速度前饋?zhàn)饔弥导拥剿俣乳]環(huán)的給定信號(hào)中,而同時(shí)把加速度前饋?zhàn)饔弥导拥絨軸電流閉環(huán)的給定信號(hào)中,由于加速度前饋可以大大減小加速和減速過程中的位置跟隨誤差幅值,所以速度前饋可以工作在完全補(bǔ)償狀態(tài),整個(gè)加減

5、速定位過程中的位置跟隨誤差幅值都非常小,實(shí)驗(yàn)中可以控制到士5個(gè)脈沖范圍以內(nèi),伺服系統(tǒng)的跟隨性能得到大幅提高。
　　 交流伺服系統(tǒng)一般都是采用由外向內(nèi)分別為位置閉環(huán)、速度閉環(huán)和電流閉環(huán)這樣一種控制結(jié)構(gòu)。在點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中,這種控制結(jié)構(gòu)中的速度閉環(huán)調(diào)節(jié)器不僅沒有起到速度控制的作用,還成為了一個(gè)延遲系統(tǒng)整體動(dòng)態(tài)性能的大慣性環(huán)節(jié)。所以,本文中作者將速度閉環(huán)從位置伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)中省去,形成了外環(huán)為位置閉環(huán)、內(nèi)環(huán)為電流閉環(huán)的兩環(huán)控制結(jié)

6、構(gòu)。交流位置伺服系統(tǒng)采用兩環(huán)控制結(jié)構(gòu)后階躍響應(yīng)時(shí)間大大減小,證明基于兩環(huán)控制結(jié)構(gòu)的位置伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比基于三環(huán)控制結(jié)構(gòu)的位置伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。同時(shí),作者也深入研究了兩環(huán)結(jié)構(gòu)位置伺服系統(tǒng)中的一些不足,例如抗干擾性能差和不能從給定信號(hào)中進(jìn)行最大速度限制等缺陷。
　　 基于線性PID調(diào)節(jié)器的位置伺服系統(tǒng),其抗擾性能還有待進(jìn)一步提高。作者把中國(guó)科學(xué)院韓京清研究員提出的自抗擾控制器應(yīng)用到交流伺服系統(tǒng)中,構(gòu)成了內(nèi)環(huán)為電流閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器

7、、外環(huán)為自抗擾控制器的新型交流伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)。這種新結(jié)構(gòu)中,由于自抗擾控制器為位置給定信號(hào)提供了一個(gè)過渡過程,避免了過大的初始位置跟隨誤差,再經(jīng)過非線性PID組合后,與基于線性PID調(diào)節(jié)器的位置伺服系統(tǒng)比較,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能又一次得到了大大提高；同時(shí)由于自抗擾控制器具有對(duì)系統(tǒng)總擾動(dòng)的估計(jì)和補(bǔ)償能力,所以基于自抗擾控制器的位置伺服系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗干擾能力。作者先對(duì)基于非線性自抗擾控制器的位置伺服系統(tǒng)做了仿真研究,后又對(duì)基于線性自抗擾控制器的