永磁伺服驱动系统中的振动抑制研究

摘要

永磁伺服驱动控制系统被广泛运用于工业生产的各个领域中。为了提高系统灵活性，伺服系统经常使用到柔性连接传动装置，这些柔性连接装置会引起速度，位置传输滞后，给系统控制带来振动。而这样的抖动在一些位置控制工况下，会严重影响被加工的工件质量。因此为了确保控制对象系统的稳定性，通常做法是降低伺服控制响应，但是这阻碍了伺服控制向高精度高响应的控制方向的发展。所以，研究伺服控制系统中振动抑制问题时十分有必要的。本文在总结国内外研究工作上，针对控制系统中不同的频率段的抖动分别进行了抑振研究。其主要工作如下：
　　本文根据二惯性系统模型，探讨了伺服驱动系统产生振动的原因。针对低频振动(<100Hz),提出了位置误差过峰值检测振动频率，以及新型转矩前馈抑制方法进行振动抑制，并运用系数图表法(CDM)设计了控制器参数准则。在此基础上分析了系统bode图，先从理论上解释了本文提出的方法的有效性，并加以实验验证，实现了低频振动的有效抑制。
　　然后对中频振动(100-1000Hz)，同样首先分析了振动原因。与低频振动不同，中频振动主要是发生在高增益速度环下。为了提高伺服系统的响应速度，提高速度环增益是最直接的方法，但是提高的速度环增益这种方法虽然加速了响应速度，但是也会给系统带来振动。本文根据控制模型的传递函数 bode图从理论上研究了振动频率与控制对象模型参数的关系。提出了利用低阶观测器估算振动信息，并把它作为补偿添加到反馈回路上的振动抑制方法。对于振动频率的检测，采用FFT对速度误差进行频谱分析，提出振动频率，根据振动频率设计了振动信号估算观测器的参数。解决了高增益速度环下的中频振动抑制问题。
　　当负载惯量比，即负载惯量与电机惯量而相比较小，而系统柔性连接的弹性系数较大时，系统的谐振频率可能会较高(>400Hz)。此时的振动持续时间较长，并伴有刺耳噪声。本文研究出了一种基于自适应的PEAK滤波器的双级联陷波器结构来进行高频振动抑制。保证了高频振动检测在高阻尼系统在下的振动频率检测的准确性，从而保证陷波器对高频抑制的有效性。
　　此外，为了提高伺服系统的抗干扰性，本文提出了低阶龙贝格扰动转矩观测器,从系统传递函数出发，分析了观测器参数设计准则；本文还研究了基于自抗扰非线性扰动观测器，利用仿真研究表明了自抗扰观测器在振动抑制系统中的运用。
　　总体上，本文从系统传递函数出发，分别对低，中，高频振动采用了不同的振动抑制方法，并详细描述了各控制参数设计。最后利用仿真实验验证了方法的理论有效性，并通过实验证明了该系列振动抑制方法的实践可靠性，以及系统抗扰动性能的提高。

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目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究内容及章节安排

1.4 本章小结

2 柔性连接负载建模及其振动分析

2.1 引言

2.2 柔性负载连接建模

2.3 振动情况的分类

2.4 Simulink柔性负载振动仿真平台

2.5 本章小结

3 基于转矩速度前馈的低频振动抑制研究

3.1 引言

3.2 振动频率特征及其检测

3.3 振动抑制方法研究

3.4 Matlab仿真实验

3.5 本章小结

4 高速度环增益下的振动抑制

4.1 引言

4.2 中频振动抑制分析

4.3 控制器参数设计

4.4 MATLAB仿真实验

4.5 本章小结

5 基于PEAK滤波器的高频振动抑制研究

5.1 引言

5.2 高频谐振原理

5.3 自适应PEAK陷波器

5.4 仿真实验

5.5 本章小结

6 转动惯量辨识研究

6.1 引言

6.2 离线辨识研究

6.3 基于模型参考自适惯量辨识

6.4 最小二乘法惯量辨识

6.5 仿真实验

6.6 MRAS算法与带遗忘因子最小二乘算法比较

6.7 转动惯量参数辨识在振动抑制的运用

6.8 本章小结

7 自抗扰ADRC在伺服振动抑制中的运用

7.1 引言

7.2 时间尺度与ESO，NLSEF的参数整定

7.3 基于ADRC的位置环控制策略

7.4 仿真实验

7.5 本章小节

8 永磁伺服驱动系统设计与振动抑制试验分析

8.1 引言

8.2 实验平台

8.3 软件设计

8.4 实验条件

8.5 系统电流环特性

8.6 速度检测

8.7 物理振动试验

8.8 本章小结

9 总结和展望

9.1 全文总结

9.2 进一步工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文