轻型机械臂关节电机参数辨识及整定技术研究

摘要

随着机器人的广泛应用，人们希望它能在更多的场合代替人类完成多样的劳动，这要求机器人在与未知环境和人交互时保证安全性，为此学者和机器人生产商对轻型机械臂展开了研究。轻型机械臂关节通常由永磁同步电机(Permanent Magnetic Synchronous Machine，PMSM)提供动力，本文即针对PMSM的参数辨识及其伺服控制参数的整定进行了研究。
　　本文首先对轻型机械臂的发展进行了简要介绍，然后说明了 PMSM伺服控制常采用的位置-速度-电流三级闭环控制结构。为了实现良好的伺服控制性能，需要对控制参数进行整定，为此需要辨识PMSM的参数为其提供参考。
　　基于转子磁场定向的矢量控制，使PMSM的伺服控制得以在dq旋转轴系下实现。本文结合矢量控制中常采用的SVPWM技术，分析了逆变器对控制电压造成损失的原理并建立了数学模型，用于提高参数辨识的准确性。
　　本文采用以TMS320F2808为控制芯片的PMSM伺服系统实验平台，在进行参数辨识之前，使用万用表、LCR表、示波器等测量工具完成了待辨识参数的测量，用来衡量参数辨识结果的准确性。通过为各参数的辨识分别设计合理的激励信号，消除了逆变器对辨识结果的影响。在仿真和实验平台上成功完成了对永磁同步电机的Rs、Lq、Ld、ψf等参数的准确辨识，验证了辨识算法的有效性。
　　完成参数辨识以后，依据典型系统的设计原理，依次对电流环、速度环和位置环的开环传递函数进行分析，得到了各闭环控制参数的理论整定公式。利用参数辨识的结果，计算得到各闭环控制参数的理论整定值，结合抗积分饱和算法和参数寻优方法，依次在实验平台上完成了电流环PI参数、速度环PI参数以及位置环PD参数的整定，验证了整定算法的有效性。
　　最后，为了进一步提高PMSM的伺服性能，对于速度环的速度波动进行了分析，设计了全维PMSM状态观测器来解决这个问题，通过仿真验证其有效性。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 轻型机械臂及其关节电机的研究现状及分析

1.3 PMSM参数辨识及整定技术的研究现状及分析

1.4 本文的主要研究内容

第2章 SVPWM技术和逆变器模型

2.1 引言

2.2 PMSM模型及矢量控制

2.3 SVPWM技术

2.4 逆变器模型

2.5 本章小结

第3章 PMSM参数辨识

3.1 引言

3.2 实验平台及仿真模型的搭建

3.3 相绕组阻值Rs的辨识

3.4 d、q轴电感Ld、Lq的辨识

3.5 转子磁链幅值ψf的辨识

3.6 电机转动惯量J的辨识

3.7 本章小结

第4章 PMSM伺服控制参数整定

4.1 引言

4.2 典型系统的整定原理

4.3 抗积分饱和算法和控制参数优化指标

4.4 电流环PI参数整定实验

4.5 速度环PI参数整定实验

4.6 位置环PD参数整定实验

4.7 本章小结

第5章 速度环整定波动及抑制

5.1 引言

5.2 速度环整定波动分析

5.3 速度环整定波动抑制

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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