隨著工業(yè)4.0的到來,高性能交流伺服系統(tǒng)在國防航天、工業(yè)機器人以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域快速發(fā)展,已經(jīng)成為當(dāng)前各領(lǐng)域共同關(guān)注的對象。交流伺服系統(tǒng)的低速性能實現(xiàn)困難、應(yīng)用卻非常廣泛,因此作為高性能交流伺服系統(tǒng)的燈塔指標(biāo),備受國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員廣泛重視。交流伺服系統(tǒng)工作在低速時會產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象,不僅影響低速性能、產(chǎn)生噪聲,還會帶來設(shè)備壽命和可靠性方面的隱患。反步控制(Backstepping control,BC)是一種針對系統(tǒng)存在不確定性因素的控制方法,在改善非線性系統(tǒng)的控制性能方面表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢。為提高伺服系統(tǒng)的低速控制性能,本文研究了反步控制協(xié)同轉(zhuǎn)矩觀測器(Torque observer,TOB)的交流伺服系統(tǒng)低速控制方法。首先介紹了永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型以及矢量控制原理;其次詳細闡述了反步控制的基本原理,進行交流伺服系統(tǒng)反步控制器設(shè)計并對控制器的參數(shù)敏感性進行分析;接著針對負載擾動量不便直接測量和摩擦數(shù)學(xué)模型引入導(dǎo)致反步控制器設(shè)計復(fù)雜的問題,引入轉(zhuǎn)矩觀測器對系統(tǒng)中的負載與摩擦擾動進行估計并補償,運用朱里準則對轉(zhuǎn)矩觀測器進行了穩(wěn)定性分析,并給出了觀測器增益的選取準則。同時針對高階反步控制系統(tǒng)中常規(guī)求導(dǎo)引起的控制器設(shè)計繁瑣以及“計算爆炸”問題,采用指令濾波器代替常規(guī)解析求導(dǎo),并對濾波誤差進行補償,避免了常規(guī)解析求導(dǎo)造成的“計算爆炸”問題;最后本文利用Matlab/Simulink對反步控制協(xié)同轉(zhuǎn)矩觀測器的交流伺服系統(tǒng)低速控制方法進行仿真驗證,并在搭建的交流伺服系統(tǒng)實驗平臺上對該方案進行實驗驗證。仿真和實驗結(jié)果表明,反步控制協(xié)同轉(zhuǎn)矩觀測器的交流伺服系統(tǒng)低速控制方法具有良好的動態(tài)性能和抗干擾能力,在滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的同時,能有效地削弱低速爬行對伺服系統(tǒng)低速運行時的不利影響,提高系統(tǒng)的控制性能。
【學(xué)位單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM341;TM921.541
【部分圖文】：

） 基于摩擦模型的補償方法基于摩擦模型的補償方法需要建立摩擦的數(shù)學(xué)模型，然后再根據(jù)位置、轉(zhuǎn)速信息計算摩擦力矩并進行補償，其基本控制框圖如圖1-2所示�；谀Σ聊Ｐ脱a償方法國內(nèi)外學(xué)者已做了大量的實驗研究，文獻【19】在光電伺服平臺中首先采用LuGre摩擦模型估計摩擦力矩進行補償，然后設(shè)計自抗擾控制器對摩擦補償后殘余擾動進行抑制；文獻【20】對Stribeck模型進行優(yōu)化，建立了包含轉(zhuǎn)速信息的Stribeck摩擦模型，提高了系統(tǒng)在高速和高加速度下的定位精度；文獻【21、22】在LuGre模型的基礎(chǔ)上設(shè)計了自適應(yīng)摩擦補償控制器，并與靜態(tài)摩擦模型補償進行實驗對比，其提出的基于LuGre模型自適應(yīng)補償方法提高了系統(tǒng)的動態(tài)特性和定位精度；文獻【23、24】通過智能算法對摩擦模型的參數(shù)進行辨識，并使用一系列靜態(tài)和動態(tài)信號作為參考信號，以增強不同摩擦現(xiàn)象的影響。仿真結(jié)果表明，基于智能算法的摩擦參數(shù)辨識方法能夠精確地找到一組理想的摩擦參數(shù)。 +++圖1-2基于摩擦模型補償?shù)目刂葡到y(tǒng)框圖Fig.1-2 Block diagram of control system based on friction model compensation（2） 基于非摩擦模型的補償方法基于摩擦模型補償?shù)谋举|(zhì)是一種開環(huán)補償方式

2-16）圖2-2給出了矢量控制原理結(jié)構(gòu)圖�？梢钥闯觯ㄟ^對PMSM數(shù)學(xué)模型進行坐標(biāo)變換可以等效為直流電機模型，因此便可以采用類似控制直流電機的方法。矢量控制的核心在于將復(fù)雜的永磁同步電機數(shù)學(xué)模型等效為直流電機模型，然后分別對q-d軸電流進行獨立控制。*Ai*Bi*CiAiBiCiαiβieTdiqiriωα iβ di qi rθrθ圖2-2矢量控制原理結(jié)構(gòu)圖Fig.2-2 Structure diagram of vector control2.2.2 基于轉(zhuǎn)子磁場定向的交流伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型在交流伺服系統(tǒng)控制中多采用id=0的控制策略，并且由于電機轉(zhuǎn)子機械角度和磁通角度在運行過程中保持一致，所以在實際控制中只需準確檢測電機轉(zhuǎn)子位置即可確定d-q坐標(biāo)軸，進而可以控制d-q軸電流分量，驅(qū)動

由于傳統(tǒng)PI控制設(shè)計簡單、參數(shù)易調(diào)節(jié)等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在伺服控制系統(tǒng)中，圖2-3給出的是PMSM三閉環(huán)伺服系統(tǒng)控制框圖。refωdqabcaibiciiαiβqrefidcUqi0drefi =ωuβuαqrefudrefuαβαβθdirefθθdqαβθ圖2-3 PMSM三閉環(huán)伺服系統(tǒng)控制框圖Fig.2-3 Three loops model of PMSM servo system交流伺服系統(tǒng)為了獲得良好的控制效果，通常是由位置環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)組成的三閉環(huán)控制系統(tǒng)，下面分別對三個環(huán)路的控制器進行簡單介紹。首先是電流環(huán)控制器，電流環(huán)是伺服控制系統(tǒng)的最內(nèi)環(huán)，是最核心的部分。電流閉環(huán)反映反饋電流的跟蹤能力，給定電流跟隨的越快說明系統(tǒng)動態(tài)性能越好。同時，適當(dāng)?shù)碾娏鳝h(huán)參數(shù)能夠減小輸出電流的波動以及電機的輸出轉(zhuǎn)矩脈動。從設(shè)計角度出發(fā)，電流控制器的設(shè)計是以提高伺服系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)能力以及跟蹤能力為目的。其次是轉(zhuǎn)速環(huán)控制器，轉(zhuǎn)速環(huán)介于位置環(huán)和電流環(huán)之間，其控制性能直接影響電流環(huán)的控制精度。轉(zhuǎn)速環(huán)控制器設(shè)計應(yīng)以抗擾能力為主，轉(zhuǎn)速的波動和快速跟蹤性能是衡量高性能伺服系統(tǒng)的重要指標(biāo)。由于對轉(zhuǎn)速反饋有較高的精度要求
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本文編號：2861778