基于二自由度理论和内模原理的高速高精度伺服控制器综合设计方法

摘要

高速高精度运动控制是装备制造业的核心技术。随着制造业产品的小型化、集成化及绿色、节能等可持续发展观念的普及，制造装备的性能和效率指标需求日益提高。所以，高速高精度伺服控制系统面临着极大的挑战。
　　高速高精度运动控制器的设计有两个关键点:首先，尽量增大系统的环路带宽，使其快速准确地响应指令信号且没有超调量;其次，补偿系统模型的不确定成分及外部扰动，使系统在全频率范围内稳定运行。本文分析了制造装备中高速高精度伺服控制系统的模型特点，针对它们的运行模式和被控对象模型阐述了控制器的综合设计方法，以焊线机X-Y平台和永磁同步电机拖动平台为实验对象验证了算法的有效性，提高了伺服系统的响应速度和定位精度。本文的主要研究内容如下:
　　(1)对永磁同步电机和音圈电机进行了数学建模，基于差分方程、传递函数和状态空间方程描述了伺服控制系统的动力学模型。
　　(2)阐述了高精度快响应的电流环控制器综合设计方法。分析和验证了两种电流PI调节器和解耦补偿算法，提出了简单实用的死区补偿及电压过调制补偿算法，并通过了仿真和实验验证。阐述了数字低通滤波器和陷波滤波器的设计方法。
　　(3)阐述了高速高精度伺服速度控制器的综合设计方法。基于二自由度控制器双环路结构提出了改进型速度IP控制器，该控制器可以通过前馈参数调节系统的闭环零点，在环路带宽不变的前提下提高系统响应速度。同时，为了消除系统的相位延迟和采样噪声，提出了一种速度预估观测器与二自由度速度控制器结合的算法，仿真和实验证明当速度指令在350mm/s时跟踪精度达到2mm/s。
　　(4)阐述了高精度高加速度伺服位置控制器的综合设计方法。针对系统的扰动和模型不确定性问题，提出了基于扰动观测器和相位延迟补偿的二自由度位置控制器。仿真和实验证明，在6.5g的加速度下，位置控制精度可以达到5um。同时，提出了插入式数字重复控制器的一般结构和一种便于应用的重复控制系统鲁棒性判据，改进了稳定补偿器的设计方法，提高了系统鲁棒性，系统对重复位置指令的跟踪误差仅为1nm。
　　本文根据二自由度控制原理和内模原理，提出了高速高精度伺服系统的控制器综合设计方法，在理论和实践研究中取得了一定的成果。

目录

封面

声明

致谢

摘要

英文摘要

1 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 高速高精度伺服系统

1．2．1 高速高精度伺服系统的组成

1．2．2 高速高精度伺服系统的性能指标

1．2．3 高速高精度伺服系统的发展与挑战

1．3 高速高精度伺服控制算法的发展与国内外研究现状

1．3．1 高速高精度伺服控制算法分析

1．4 论文研究内容

2 高速高精度伺服控制系统建模

2．1 引言

2．2 高速高精度伺服系统实验平台

2．2．1 高速高精度永磁同步电机拖动平台

2．2．2 高速高精度焊线机X-Y实验平台

2．3 高速高精度伺服控制器模型

2．3．1 传统反馈控制系统原理

2．3．2 二自由度控制系统原理

2．4 伺服电机建模

2．4．1 永磁同步伺服电机原理

2．4．2 表贴式永磁同步旋转电机建模

2．4．3 音圈直线电机建模

2．5 动力学模型和传动机构、摩擦力建模

2．5．1 直线电机的动力学建模

2．5．2 旋转电机伺服系统动力学建模

2．5．3 摩擦力建模

2．6 小结

3 高精度快响应电流控制器综合设计方法

3．1 引言

3．2 电流调节器的设计与分析

3．2．1 电流PI调节器设计(形式一)

3．2．2 电流PI调节器设计(形式二)

3．2．3 电流调节器的仿真与实验分析

3．3 电流控制器解耦与补偿算法

3．3．1 解耦补偿算法的设计与实验分析

3．3．2 死区补偿算法的设计与实验分析

3．3．3 电压过调制补偿算法的设计与实验分析

3．4 数字滤波器的设计与分析

3．4．1 低通滤波器的设计与分析

3．4．2 陷波滤波器的设计与分析

3．5 小结

4 高速高精度速度控制器综合设计方法

4．1 引言

4．2 二自由度速度控制器的设计与分析

4．2．1 双环路速度控制器的设计与分析

4．2．2 前馈加反馈速度控制器的设计与分析

4．3 预估观测器的分析与设计

4．3．1 预估观测器的作用

4．3．2 预估观测器的原理

4．3．3 基于预估观测器的传统速度控制系统的设计与分析

4．3．4 基于预估观测器的二自由度速度控制系统的设计与分析

4．4 小结

5 高精度高加速度位置控制器综合设计方法

5．1 引言

5．2 二自由度位置控制器的设计与分析

5．3 基于扰动观测器的位置控制器设计与分析

5．3．1 扰动观测器的原理

5．3．2 带相位延迟补偿和扰动观测器的二自由度位置控制器

5．4 重复控制器算法研究

5．4．1 重复控制的背景及原理

5．4．2 插入式数字重复控制器设计与分析

5．5 小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 本文创新点

6．3 展望

附录 永磁同步电机的程序仿真与实现

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集