数控转台环形力矩电机直接驱动伺服系统的鲁棒控制研究

摘要

本文以国家自然科学基金项目“数控机床回转送进精密直接驱动技术及其控制策略研究”(项目批准号：50375102)为背景，针对直接驱动数控转台用环形永磁力矩电机伺服系统易受自身参数变化及外部负载扰动影响的特点，将H<,∞>鲁棒控制与其它控制方法相结合，提出了两种控制策略，以提高转台系统的伺服性能。 在各种数控转台中，传统的驱动方式通常是旋转伺服电机加蜗轮、蜗杆副和齿轮副机构，由于存在机械传动链，会造成运动响应慢、动态刚度差及其它非线性误差，难以实现高精度加工。采用直接驱动技术的转台伺服系统消除了中间传动环节，具有推力大、响应速度快、动态刚度和定位精度高等特点，但系统对负载扰动和惯量变化等不确定性更为敏感，使其伺服性能大大降低。这就需要通过设计伺服控制器来提高系统的鲁棒性、跟随性能及动态伺服刚度。 H<,∞>鲁棒控制是针对实际系统具有不确定性等复杂情况提出的一种重要控制策略。但它具有保守性，且只考虑了鲁棒稳定性而忽略了对鲁棒性能的要求。μ理论弥补了H<,∞>控制的不足，它可以在系统设计中兼顾系统鲁棒稳定性和鲁棒性能，但此方法收敛速度慢，计算次数多，不便于实际处理。因此，本文将去除正交性假设的H<,∞>设计方法与μ综合中的D-K迭代法相结合，设计了一个μ-H<,∞>速度控制器。除去正交性假设可以大幅度压缩μ值上界，减少搜寻时间与范围。该速度控制器比传统的H<,∞>控制器更具鲁棒性，而且控制器的获取比μ控制器快。 此外，动态伺服刚度的好坏也直接影响着转台直接驱动系统对动态干扰的抑制能力。本文基于高级PDFF控制框架，采用H<,∞>方法求解控制器，以提高系统的抗干扰能力和对角位移输入信号的响应速度，进而提高系统的动态伺服刚度。 本文还以德国CyTec公司生产的RM410/100型环形力矩电机为控制对象，建立系统数学模型，并利用MATILAB软件对上述两种控制策略进行仿真研究及分析。仿真结果表明，所设计的H<,∞>控制器满足高速高精度转台伺服系统对鲁棒性和快速性的要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题的目的及意义

1.2国内外发展现状

1.3论文研究的主要内容

2直接驱动转台伺服系统

2.1交流伺服系统

2.1.1概述

2.1.2力矩电机转台伺服系统组成及其工作原理

2.2直接驱动技术

2.2.1直接驱动的基本方式

2.2.2直接驱动技术的优点

2.2.2直接驱动系统的控制问题

2.3环形永磁力矩电机

2.3.1环形力矩电机的结构及其特点

2.3.2系统数学模型

3 H∞鲁棒控制理论基础

3.1鲁棒控制

3.2 H∞控制理论及其发展

3.3 H∞控制理论的数学基础

3.3.1系统的H∞范数

3.3.2 Riccati方程

3.4 H∞标准设计问题

3.5 H∞控制的鲁棒稳定问题

3.6线性分式变换

3.7权值函数的选择

4环形永磁力矩电机的μ-H∞控制器设计

4.1结构奇异值μ控制理论

4.1.1μ控制理论的产生

4.1.2 μ的定义

4.1.3 μ的上下界

4.1.4与μ有关的重要定理

4.1.5μ分析与μ综合

4.2 μ-H∞控制器设计

4.2.1转台系统的增广被控对象

4.2.2去除正交性假设的H∞控制器设计

4.2.3 μ-H∞控制器的设计步骤

4.3仿真结果及分析

4.4小结

5基于高级PDFF的数控转台伺服刚度的H∞控制

5.1伺服刚度

5.2基于高级PDFF的H∞控制器设计

5.2.1高级PDFF控制框架

5.2.2基于高级PDFF控制框架的H∞控制

5.2.3权值函数的选择

5.3仿真结果及分析

5.4小结

6结论

参考文献

在学研究成果

致谢