永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著電力電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、稀土永磁材料和控制理論的飛速發(fā)展，永磁同步電機(jī)在中低容量的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在伺服傳動(dòng)領(lǐng)域，永磁同步電機(jī)正在逐步取代直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)而成為伺服驅(qū)動(dòng)的發(fā)展方向。然而，由于永磁同步伺服系統(tǒng)受電機(jī)參數(shù)變化、外部負(fù)載擾動(dòng)等因素的影響，要獲得高性能、寬調(diào)速范圍永磁同步伺服系統(tǒng)，必須研究先進(jìn)的控制策略與控制手段，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和較強(qiáng)的抗干擾能力。本論文的主要工作就是圍繞高性能、寬調(diào)速范

2、圍永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的研究而展開，文章的主要內(nèi)容如下： 對(duì)永磁同步電機(jī)的矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究，通過對(duì)兩種控制策略的原理及其使用時(shí)的控制性能進(jìn)行比較分析，指出矢量控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)交直軸之間的解耦，具有轉(zhuǎn)矩控制的線性特性，能夠獲得比較平穩(wěn)的輸出轉(zhuǎn)矩，達(dá)到比較寬的調(diào)速范圍。結(jié)合伺服傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求，確定永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的控制方案為矢量控制。 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制最終歸結(jié)為交直軸電流的控制，本

3、文詳細(xì)討論了永磁同步電機(jī)矢量控制的四種電流控制方法，通過對(duì)這四種電流控制方法的轉(zhuǎn)矩控制特性、轉(zhuǎn)矩輸出能力、功率因數(shù)特性、電流控制特性等進(jìn)行分析研究，結(jié)合本課題所采用的面裝式永磁同步電機(jī)，選用id=0 的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制方法。 根據(jù)自動(dòng)控制理論，詳細(xì)分析了永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)各組成部分的構(gòu)成與數(shù)學(xué)模型，按照自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法，完成了整個(gè)系統(tǒng)三個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，研究了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。詳細(xì)分析了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)

4、性能和系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)之間的關(guān)系，以及負(fù)載變動(dòng)、對(duì)象參數(shù)變動(dòng)對(duì)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的影響，討論了系統(tǒng)控制的應(yīng)對(duì)措施。提出并實(shí)現(xiàn)了矢量控制時(shí)永磁同步電機(jī)的初始定位，保證了伺服系統(tǒng)矢量控制的實(shí)現(xiàn)。 詳細(xì)研究了伺服系統(tǒng)電流環(huán)的影響因素，其中，電流環(huán)的零點(diǎn)漂移影響伺服系統(tǒng)的低速性能，需要對(duì)環(huán)路逐一仔細(xì)調(diào)整；電機(jī)的反電勢(shì)影響伺服系統(tǒng)高速段的響應(yīng)性能，通過增加電流調(diào)節(jié)器的比例積分系數(shù)、增大PWM 逆變器的調(diào)制比，可以明顯改善高速時(shí)電流跟蹤響應(yīng)性能。由于

5、調(diào)節(jié)器的比例積分系數(shù)增加會(huì)引起電流動(dòng)態(tài)跟蹤響應(yīng)超調(diào)，提出給電流環(huán)引入電流微分負(fù)反饋，實(shí)驗(yàn)和仿真均證實(shí)其抑制電流響應(yīng)超調(diào)的實(shí)際效果。 使用PI 調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)速度環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)，為了獲得比較快的速度響應(yīng)，速度響應(yīng)存在超調(diào)是必然的，而且，根據(jù)自動(dòng)控制原理設(shè)計(jì)的速度調(diào)節(jié)器在實(shí)際運(yùn)行中均需要做比較大的調(diào)整。因此，本文提出使用二次型指標(biāo)最優(yōu)（LQSF ）實(shí)現(xiàn)了永磁同步伺服系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，針對(duì)實(shí)際速度階躍過程中調(diào)節(jié)器的飽和，提出采用Bang-B

6、ang控制實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)器飽和期間的速度控制。為保證系統(tǒng)具有良好速度響應(yīng)性能，給出了調(diào)節(jié)器在作形式轉(zhuǎn)換過程中閥值的設(shè)置方法。為簡(jiǎn)化調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，使用比例積分調(diào)節(jié)和速度微分負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)速度環(huán)的全狀態(tài)反饋控制。文章詳細(xì)分析了速度微分負(fù)反饋抑制速度超調(diào)的機(jī)理。 在負(fù)載突變過程中，伺服系統(tǒng)不可避免地出現(xiàn)動(dòng)態(tài)速降（升）和速度靜差，為提高速度環(huán)的響應(yīng)性能，提高速度環(huán)特性硬度，本文引入負(fù)載觀測(cè)器的控制思想。將負(fù)載觀測(cè)器的輸出信號(hào)引入到電流環(huán)輸入端

7、，以補(bǔ)償負(fù)載擾動(dòng)對(duì)速度環(huán)的影響，從而提高伺服系統(tǒng)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的魯棒性。 分析了伺服系統(tǒng)位置環(huán)的影響因素，其中負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是影響伺服系統(tǒng)位置跟蹤響應(yīng)速度及產(chǎn)生位置響應(yīng)超調(diào)的主要因素，通過在線檢測(cè)電機(jī)軸聯(lián)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量借以進(jìn)行自動(dòng)修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，可以保證伺服系統(tǒng)良好的位置跟蹤響應(yīng)。 由于伺服系統(tǒng)頻繁地處于啟動(dòng)、制動(dòng)過程中，文章全面分析了影響伺服系統(tǒng)啟動(dòng)、制動(dòng)的各種因素，研究了提高其啟動(dòng)、制動(dòng)響應(yīng)性能的各種措施，研究了伺服系統(tǒng)因啟制動(dòng)