基于PMSM驱动的三轴机械臂运动控制的若干关键问题研究

摘要

机械臂捕捉运动目标技术具有广泛地应用，对工业生产、航天和军事应用等都具有重要意义，同时是发展和测试机器视觉与机械臂控制等技术的极具挑战性的研究平台。本文以机械臂捕捉运动目标为背景展开研究，完成机械臂系统设计和分析等工作，并针对机械臂轨迹跟踪控制和关节驱动元件（永磁同步电机）的转子初始位置估计和力矩控制（矢量控制）等关键问题进行研究。主要内容包括:
　　根据设计指标，完成机械臂的结构设计和驱动结构选型。在此基础上应用旋量方法建立了机械臂的运动学正解、反解，完成工作空间分析，使用拉格朗日方法建立机械臂的动力学模型，并给出机械臂捕捉运动目标的轨迹规划方法。最后使用MATLAB建立仿真模型，为机械臂运动目标捕捉的仿真研究奠定基础。
　　为提高机械臂轨迹跟踪控制的动态响应速度和参数失配情况下的鲁棒性，将自适应引入有限时间控制提出机械臂自适应有限时间轨迹跟踪控制方法。仿真结果表明:本研究所提出的方法在保证轨迹跟踪的收敛速度的同时，解决了机械臂有限时间轨迹跟踪控制方法在参数失配情况下控制性能恶化的问题。
　　针对现有内置式永磁同步电机(IPMSM)初始位置估计方法存在的设计过程复杂且实现难度较大的问题，提出了基于旋转高频信号注入、移相和傅氏算法的转子初始位置估计方法。该方法使用移相和傅氏算法从响应电流中提取转子位置初步估算值，利用磁路饱和特性获得转子磁极方向，最后综合得到转子初始位置。在此基础上分析了工程应用中存在的随机噪声干扰、死区时间和电压输出滞后等问题，提出使用移位代替移相滤波器（通过选择适当的PMW频率和注入信号频率）、平均滤波等方法改进算法实现。仿真和实验结果表明，本研究所提出的转子初始位置估计方法的估计结果较为准确，能够满足内置式永磁同步电机的启动要求，并且该方法相比传统方法更容易实施、计算量更小，适合工程应用。
　　对永磁同步电机的矢量控制和数字实现进行深入研究。针对电流交叉耦合、参数失配以及数字实现带来的输出电压滞后等问题对矢量控制造成的影响，提出了基于模型预测控制方法的电流控制策略。该方法利用MPC的预测结果进行解耦补偿，消除输出延时带来的补偿滞后问题，利用历史数据进行反馈校正，结合滚动优化消除参数失配等模型偏差对电流控制造成的跟踪误差。仿真和实验表明本研究所提出的电流控制方法改善了永磁同步电机矢量控制的电流响应动态速度和稳态性能，并且具有很强的鲁棒性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究意义与背景

1．2 研究现状

1．2．1 机械臂捕获运动目标

1．2．2 机械臂轨迹跟踪控制

1．2．3 永磁同步电机控制理论基础

1．2．4 内置式永磁同步电机转子初始位置估计研究概况

1．2．5 永磁同步电机矢量控制技术研究概况

1．3 本文主要工作与研究内容

第二章 机械臂设计、运动学及动力学

2．1 机械臂设计

2．1．1 机械臂结构

2．1．2 驱动结构选择

2．2 机械臂运动学

2．2．1 运动学正解及工作空间

2．2．2 运动学逆解

2．2．3 关节位置误差指标确定

2．3 机械臂动力学

2．3．1 拉格朗日方法

2．3．2 机械臂动力学

2．4 机械臂控制结构

2．5 本章小结

第三章 机械臂捕捉运动目标的轨迹规划及轨迹跟踪控制

3．1 机械臂捕捉运动的目标轨迹规划

3．1．1 捕捉点确定

3．1．2 过程轨迹规划

3．2 机械臂自适应有限时间轨迹跟踪控制

3．2．1 机械臂动力学相关理论

3．2．2 有限时间控制

3．2．3 机械臂自适应有限时间轨迹跟踪控制

3．3 仿真结果及分析

3．3．1 自适应有限时间稳定控制仿真及分析

3．3．2 机械臂捕捉运动目标仿真及分析

3．4 本章小结

第四章 永磁同步电机伺服系统

4．1 永磁同步电机数学模型

4．1．1 永磁同步电机三相自然坐标系数学模型

4．1．2 坐标系和坐标变换

4．1．3 永磁同步电机两相旋转坐标系数学模型

4．2 永磁同步电机矢量控制

4．2．1 永磁同步电机矢量控制原理

4．2．2 矢量控制策略选择

4．3 实验平台及设计

4．3．1 永磁同步电机伺服系统实验平台

4．3．2 机械臂控制系统设计方案

4．4 本章小结

第五章 内置式永磁同步电机转子初始位置估计方法

5．1 改进的IPMSM转子初始位置估计方法

5．1．1 高频电压注入下IPMSM数学模型

5．1．2 傅氏算法

5．1．3 改进的IPMSM转子初始位置估计方法

5．1．4 工程实现方法及分析

5．2 仿真与实验结果及分析

5．2．1 仿真结果与分析

5．2．2 实验结果与分析

5．3 本章小结

第六章 永磁同步电机模型预测电流控制

6．1 模型预测控制

6．1．1 状态空间模型预测控制

6．2 永磁同步电机模型预测电流控制

6．2．1 永磁同步电机电流环离散模型

6．2．2 d轴模型预测电流控制器设计

6．2．3 q轴模型预测电流控制嚣设计

6．2．4 参考轨迹确定

6．3 仿真与实验结果及分析

6．3．1 仿真结果与分析

6．3．2 实验结果与分析

6．4 本章小结

总结和展望

参考文献

攻读博士学位期间已发表或录用的学术论文

致谢