交流伺服系統(tǒng)無時滯反饋高響應(yīng)驅(qū)動控制研究.pdf

1、高性能交流伺服系統(tǒng)作為高速高精密數(shù)控機床、高速數(shù)字化機械、集成電路制造和封裝設(shè)備等的重要驅(qū)動裝置，在現(xiàn)代化機電設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。隨著產(chǎn)品加工質(zhì)量的要求越來越高，對交流伺服系統(tǒng)的性能要求也越來越苛刻。要獲得高性能的交流伺服系統(tǒng)，必須研究先進的控制策略與控制方法。本文旨在研究高速、高響應(yīng)、高精度和魯棒性好的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，為先進的機電一體裝備提供高性能的驅(qū)動裝置。
　　永磁同步電機需要精確度高、實時性好的電流及位置反饋支持它的閉環(huán)矢

2、量控制。本文首先建立永磁同步電機的數(shù)學模型，研究存在反饋滯后的交流伺服系統(tǒng)離散控制模型，從理論上證明了反饋滯后嚴重影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)態(tài)運行精度。然后，針對交流伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性進行理論分析，為后續(xù)的研究工作奠定理論基礎(chǔ)。
　　為了獲得精確的、實時的系統(tǒng)狀態(tài)變量，本文提出新型的無時滯位置和電流檢測方法。針對位置反饋滯后問題，設(shè)計了傳感器內(nèi)嵌式位置檢測方案，并研究新型的位置檢測細分技術(shù)，實現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的無滯后位置檢測；基于

3、此技術(shù)，構(gòu)建了傳感器內(nèi)嵌式交流伺服硬件系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了永磁同步電機、磁性傳感器和驅(qū)動器的一體化設(shè)計。針對電流反饋滯后問題，引入電流狀態(tài)觀測器，并分析了離散化狀態(tài)觀測器的工作時序，通過仿真實驗驗證了電流狀態(tài)觀測器能夠很好地實現(xiàn)無滯后電流檢測。
　　在永磁同步電機矢量控制中，高精度高響應(yīng)的電流控制可以降低系統(tǒng)階數(shù)，使得外環(huán)控制器(速度控制或位置控制)設(shè)計無需考慮轉(zhuǎn)子的動態(tài)，從而使設(shè)計得以簡化。為了實現(xiàn)高精度高響應(yīng)的電流控制，本文對數(shù)字

4、化交流伺服系統(tǒng)的電流環(huán)控制進行了研究：分析數(shù)字電壓滯后對電流響應(yīng)的影響及數(shù)字電壓控制的工作時序，得出脈寬調(diào)制的滯后相位并進行了超前補償；采用改進型的脈寬調(diào)制控制技術(shù)，使得由傳統(tǒng)脈寬調(diào)制技術(shù)引起的母線電壓利用率低的問題得到改善，進一步提高了電流響應(yīng)性能。
　　在實現(xiàn)電流高精度高響應(yīng)控制的基礎(chǔ)上，本文對數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)的機械環(huán)控制進行了研究：分析傳統(tǒng)速度環(huán)PI和IP的控制特性，綜合兩者的各自優(yōu)缺點提出并設(shè)計了速度環(huán)PI-IP復(fù)合控制

5、器，用以提高速度環(huán)的響應(yīng)性能和抗干擾能力；基于指令前饋進行位置控制，并仿真驗證了指令前饋對提高交流伺服系統(tǒng)響應(yīng)跟蹤性能的有效性；設(shè)計模型參考二自由度控制器，有效地保證系統(tǒng)的干擾抑制特性和目標值跟蹤特性，最大程度減小外部干擾對閉環(huán)系統(tǒng)動靜態(tài)性能的影響，實現(xiàn)了系統(tǒng)的高響應(yīng)和穩(wěn)定運行。
　　為了實現(xiàn)脫離硬件的控制參數(shù)優(yōu)化，本文提出一種基于離散化電機模型的交流伺服仿真方案，并構(gòu)建了數(shù)字化閉環(huán)仿真平臺?；谠撈脚_，結(jié)合參數(shù)優(yōu)化算法實現(xiàn)了控制

6、參數(shù)的優(yōu)化。由于該閉環(huán)仿真平臺的運行機理與實際系統(tǒng)嚴格一致，使得優(yōu)化所得的控制參數(shù)與實際系統(tǒng)所需參數(shù)非常接近，從而大大縮短軟件開發(fā)周期，同時也為后續(xù)的實驗驗證提供了有效依據(jù)。
　　最后，基于無時滯位置檢測技術(shù)研制了傳感器內(nèi)嵌式交流伺服系統(tǒng)，并進行了實驗研究。對文中提出的控制策略進行實驗驗證，同時對交流伺服系統(tǒng)的性能指標進行測試。結(jié)果表明，本文研制的交流伺服系統(tǒng)具備高速、高精度和高響應(yīng)性能，可以滿足各種先進機電設(shè)備的驅(qū)動性能指標要求