低速大惯量永磁交流伺服系统速度平稳性实验研究

摘要

目前，永磁交流系统已经广泛的应用在数控机床，工业机器人，天文转台，电梯，航空航天等先进自动化设备中。作为驱动装置，永磁同步伺服电动机(PMSM，Permanent Magnet Servo Motor)的性能，在交流伺服系统中，起着决定性的作用，而永磁同步电动机运行平稳性的研究由来已久。低速抖动或低速爬行，是伺服系统低速不平稳最主要的现象，它是指当系统运转速度低于某一临界值时，其运动速度呈脉动现象。产生低速抖动的最主要原因为伺服系统中存在着摩擦力矩扰动。
　　本文针对伺服系统低速平稳性的问题，在基于PMAC+IPC控制系统的实验平台上进行PMSM系统的低速实验，对低速不平稳的现象进行研究，分析了伺服电动机输出转矩和速度变化与伺服系统平稳性的关系。通过采集数据标定了本实验伺服系统的最低平稳速度;通过对由高到低不同速度所对应的电动机输出转矩实验采集，绘制出角速度与转矩的关系曲线。并证明了，给定恒定速度指令时，该曲线即为摩擦力矩与角速度的关系曲线。并讨论了影响实验伺服系统爬行和抖动的因素。
　　在介绍分析摩擦特性和动静摩擦模型的基础上，选择库伦+粘滞+静摩擦模型和Stribeck摩擦模型，结合模糊PID参数自整定控制器的优点，对实验伺服系统进行基于两种摩擦模型的建模和Matlab/Simulink仿真结构设计。分别对传统PID控制的两种模型和模糊PID控制的两种模型进行仿真实验。得出结论如下。一:对于系统的稳定性，模糊PID参数自整定控制比单纯的PID控制有更好的控制效果。二:对比于库伦+粘滞+静摩擦模型，Stribeck摩擦模型能够更精确的描述摩擦的现象。三:模糊PID参数自整定控制策略比传统PID控制策略更适合应用在含有摩擦扰动的伺服系统中。传统PID控制策略无法消除由于摩擦扰动引起的速度跟随曲线过零时的畸变现象。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景和意义

1．2 摩擦模型研究现状

1．3 摩擦补偿研究现状

1．3．1 基于摩擦模型的补偿方法

1．3．2 不依赖摩擦模型的补偿方法

1．4 本文主要研究内容

第2章 永磁同步电动机数学模型

2．1 引言

2．2 永磁同步电动机(PMSM)的结构

2．3 永磁同步电动机(PMSM)数学模型的建立

2．3．1 描述PMSM的三种坐标物理模型

2．3．2 坐标变化

2．3．3 数学模型的建立

2．4 永磁同步电动机(PMSM)工作原理

2．4．1 永磁同步电动机调速控制策略

2．4．2 三环控制

2．4．3 PWM调制技术

2．4．4 永磁同步电动机工作原理

2．5 永磁同步电动机(PMSM)简化控制结构图

2．6 本章小结

第3章 PMSM伺服系统低速平稳性实验

3．1 引言

3．2 电动机性能测试实验平台

3．2．1 实验台研发背景

3．2．2 实验系统机械结构介绍

3．2．3 实验台控制系硬件和软件

3．3 实验台控制系统PID参数整定

3．4 伺服电动机速度平稳性实验

3．4．1 实验目的

3．4．2 实验内容和方法

3．4．3 实验结果汇总

3．5 造成伺服电动机低速不平稳性的因素分析

3．5．1 摩擦力矩的影响

3．5．2 PWM驱动技术死区

3．5．3 其他转矩扰动的影响

3．5．4 反馈信号获取的精度不高

3．5．5 大惯量比的影响

3．6 小结

第4章 摩擦特性和摩擦模型

4．1 引言

4．2 摩擦现象分析

4．2．1 伺服系统中存在的几种摩擦力

4．2．2 几种典型的摩擦现象

4．2．3 伺服系统中的摩擦特性

4．3 摩擦模型的种类与分析

4．3．1 静态摩擦模型

4．3．2 动态摩擦模型

4．4 本章小结

第5章 基于摩擦模型的模糊PID控制

5．1 引言

5．2 模糊PID控制理论

5．2．1 模糊控制

5．2．2 PID控制

5．2．3 模糊PID控制

5．3 基于库伦+粘滞+静摩擦模型的控制补偿

5．3．1 控制模型的建立

5．3．2 Simulink仿真模型的建立

5．4 基于Stribeck摩擦模型的控制补偿

5．4．1 Stribeck摩擦模型的建立

5．4．2 Simulink模型的建立

5．5 基于Matlab的模糊自整定PID参数控制器的设计

5．5．1 模糊PID控制器结构设计

5．5．2 模糊数据库的建立

5．5．3 模糊规则库的建立

5．5．4 输入、输出量化因子的确定

5．5．5 模糊PID控制器Simulink仿真结构图

5．6 Matlab仿真结果分析

5．7 小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢