多种工况下永磁同步电机伺服系统抗扰动控制方法研究

摘要

永磁同步电机伺服系统能满足高速高精制造的要求;在工业自动化系统中广泛使用。然而;在实际工况中;永磁同步电机伺服系统常受到多种不确定因素的干扰;如内部参数时变;外部负载扰动和连接环节非线性等。所以;永磁同步电机伺服系统需要既能拥有良好的动态响应;又能具有较好的抗扰动性能。 本文结合国家自然科学基金项目;分析了永磁同步电机的机械结构和矢量控制原理;根据伺服系统的内部不确定和外部扰动建立了集成扰动模型;并引入了抗扰动性能的评价指标。然后;根据工况中扰动复杂程度的不同;选择三种代表类型开展研究;分别是二自由度PI参数自整定控制;自抗扰控制和滑模控制。具体内容和创新点介绍如下。 在简单扰动工况下;针对基于二自由度PI参数自整定控制的抗扰动方法;提出了改进的即时学习算法来辨识控制对象模型;使用“先粗略搜索后精确搜索”的搜索策略来查找相似样本数据;具有较高的辨识精度和建模效率;提出了分数阶广义预测控制取代整数阶广义预测控制作为性能评价指标;提高整定二自由度PI参数的灵活性和有效性;将二自由度PI控制的控制输入和分数阶广义预测控制的控制输入相比较;整定出控制参数。 在中等扰动工况下;针对基于自抗扰控制的抗扰动方法;提出了基于时间近似最优控制的跟踪微分器;为指令信号安排合适的过渡过程和提取恰当的微分信号;其控制参数整定与阻尼比和无阻尼固有频率相关;且对指令信号中的离散噪声不敏感;提出了基于复合控制的变阻尼非线性反馈控制器;在跟踪过程中设置较小的阻尼比以加快瞬态响应;在稳态过程中设置较大的阻尼比以减少超调;提出了降维扩张状态观测器;对可用传感器直接测量的状态不观测;为伺服系统节省硬件资源和保证实时性能。 在复杂扰动工况下;针对基于滑模控制的抗扰动方法;提出了快速连续终端滑模控制;分别设计指数趋近律和快速终端吸引子加快滑模变量在到达阶段和滑动阶段的收敛速度;引入扩张状态观测器前馈补偿集成扰动;减少切换增益且降低颤振现象;提出了指数幂自适应积分滑模控制;在标称部分使用近似时间最优控制使得系统状态在满足饱和约束前提下快速镇定到原点;在抗扰动部分使用指数幂自适应律动态调整线性滑模控制的切换增益;降低颤振现象且保持足够的鲁棒性能。 搭建了永磁同步电机伺服系统的转动惯量和负载转矩实验平台;包括数控装置;伺服驱动器和永磁同步电机等。对上述三种抗扰动方法进行了实验验证;实验结果证明了提出的抗扰动方法的可重复性;有效性以及鲁棒性。

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