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排列3 www.jeimw.cn 观测器在交流伺服系统中的应用

观测器在交流伺服系统中的应用 为了实现交流伺服系统控制的高精度、高动态性能,必须考虑负载扰动对伺 服电机转速的影响,由于电机的转矩电流与电机转速比较容易测量,使负载扭矩 的观测成为可能。设计负载观测器,通过观测器对电机定子电流进行动态补偿便 可达到抗负载扰动的目的。目前国内外研究者在观测器的设计方面提出了多种方 法,主要有以下几种:

1)滑模观测器?;9鄄馄鞯奶氐闶枪鄄饬吭诙讨懈莸鼻跋档耐匙?态变量的变化而不断接近系统的实际值。观测器的动态性能由开关的参数决定, 与系统的参数、外界的扰动无关,这就使得滑模观测器本质上是一种开关控制, 在系统中不可避免会带来抖动,因而影响了滑模观测器的实际应用 [28] 。 2)模糊神经观测器。模糊控制算法用 0 和 1 范围内变化的隶属函数和一组模 糊规则来表示输入输出之间的映射关系。神经网络通过前馈与反馈的多层网络对 参数进行学习来获得系统的模型参数。然而模糊控制算法缺少能适应系统复杂变 化的学习能力,神经网络由于函数逼近对于在线学习数据比较敏感,容易造成系 统的不稳定,因此模糊神经网络只限于应用在静态问题,对动态问题的解决存在 一定的困难 [29] 。 3)卡尔曼滤波观测器??ǘ瞬ü鄄馄饔梢桓鲎刺匠毯鸵桓龉鄄夥匠套?成。通过检测伺服电机定子电压以及电流来估算电机转子的转速、位置以及输出 的电磁转矩。由于对测量误差的不敏感,卡尔曼滤波器因能有效的抑制噪声而备 受关注。但该观测器受电机参数的影响非常大,为了保障伺服系统的稳定性,很 难确定最优的控制量,而且计算量大,实际运用比较困难,使得这种观测器的应 用受到了限制 [30] 。 本文研究的基于高阶滑模降维观测器的交流伺服系统抗负载扰动的控制方法 属于模型参考自适应控制。通过伺服电机转子转速与电机定子 q 轴电流的输入来 实时计算交流伺服系统的负载转矩。并将负载转矩观测补偿控制与永磁同步电机 的矢量控制相结合,对永磁同步电机的 q 轴励磁电流环进行转矩前馈补偿来提升 伺服系统的动态性能。这种控制不仅算法简单、容易实现,而且观测精度高,效 果非常明显。

本文主要针对如何获得优良的交流伺服系统控制性能以及较强的抗负载扰动 能力进行了研究,在对永磁同步电机的数学模型和控制理论以及交流伺服系统的 数学模型以及控制过程进行了全面、深入研究的基础上,提出了控制参数整定的 方法和基于高阶滑模降维负载观测器的转矩补偿控制方法,并对所提出的方法进 行了仿真模拟以及实验验证。本文的各章的研究内容如下: 第一章绪论阐明了本课题所研究的任务、内容和意义,并对交流伺服控制系 统和永磁同步电机的历史、现状与发展趋势作了综述。 第二章给出了永磁同步电机的数学模型,分析了永磁同步电机的控制策略, 着重探讨了永磁同步电机的电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)原理,并建立了仿真 模型进行验证。最后阐述了永磁同步电机伺服控制系统在 SVPWM 控制下的系统 结构总框架。 第三章从交流伺服系统的三环结构出发,通过分析交流伺服系统各组成环节 的传递函数与交流伺服系统的控制结构,获得了伺服系统各控制环节的数学模型, 并根据经最佳模型的设计理论对各环节控制参数整定过程进行了分析,得到了各 控制环节控制参数的理论整定公式,并进行了仿真验证。 第四章主要研究了交流伺服系统的负载转矩观测器,分别根据全维观测器以 及降维观测器理论设计了交流伺服系统的负载转矩观测器,在此基础上对降维观 测器的反馈常数矩阵进行改进,提出了高阶滑模降维观测器的设计方法,并建立 了其仿真模型,通过仿真对三种观测器进行比较,其结果表明高阶滑模降维负载 观测器的设计结构简单,需要调节的参数少,估算更为精确。提出了基于高阶滑 模降维负载转矩观测器的转矩扰动补偿方法,仿真结果表明此补偿方法使交流伺 服系统具有了较强的抗负载扰动能力。 第五章首先介绍了交流伺服实验系统,完成相关控制程序的编写和调试后, 通过实验验证了控制参数整定机制的有效性。将负载转矩观测与交流伺服系统的 矢量控制相结合,对伺服电机的 q 轴分量进行转矩前馈补偿,实现了交流伺服系 统抗负载扰动的研究。 最后,本文对全文进行了总结,并对后续工作进行了展望。

 
     
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