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自抗扰控制策略在永磁同步电动机伺服系统中的应用研究与实现

孙凯  
【摘要】: 永磁同步电动机(PMSM)以其效率高、功率密度大和转矩/惯量比大等优点,在中小容量的伺服系统中得到广泛的应用。本文对无速度传感器PMSM伺服系统中,转子速度和位置估计、速度跟踪控制、位置跟踪控制和摩擦补偿等关键问题进行了深入研究,提出了一种新颖的无速度传感器PMSM位置伺服系统控制方案。 深入研究分析了PMSM矢量控制理论,提出了一种基于自抗扰控制策略的PMSM转子速度和位置估计方法。将转子速度和d轴电流对q轴电流环的耦合作用,视为q轴电流环的扰动量,通过自抗扰控制器将这个扰动量观测出来,再从观测出的扰动量中提取出转子速度的信息,进而估计出转子速度和位置。仿真和实验表明,在从0r/min到2000r/min的调速范围内,均能准确的估计出转速,并且对负载扰动具有很强的鲁棒性。 为了抑制负载、摩擦力矩和转动惯量的变化对PMSM伺服系统的影响,本文将以上参数的变化视为伺服系统速度环的扰动量,推导出速度环自抗扰控制的数学模型,提出了PMSM伺服系统速度跟踪控制的自抗扰控制策略。仿真表明,在从0r/min到2000r/min的调速范围内,均能很好的抑制负载和转动惯量的影响,并且对摩擦力矩给与有效补偿,克服了伺服系统速度跟踪中的“死区”现象和位置跟踪中的“平顶”现象。 针对PMSM位置伺服系统对定位的快速性、准确性和无超调的要求,以及系统鲁棒性的要求,提出了PMSM伺服系统位置跟踪自抗扰控制器。通过跟踪-微分器为位置给定信号提供一个过渡过程,克服了响应速度和超调之间的矛盾,使得系统响应快且没有超调;通过扩展状态观测器将位置环的扰动量观测出来并加以前馈补偿,提高了系统的鲁棒性。仿真表明,当转子位置给定信号分别为100rad和0.1sin( 2πt)rad时,系统的稳态误差分别为0.033rad和0.00038rad,控制精度较高,并且对负载扰动、转动惯量和定子电阻的变化具有很强的鲁棒性。 在上述工作的基础上,研发了一套基于TMS320LF2407A DSP的高性能PMSM交流伺服系统,并开发了基于CAN总线的上位机监控软件,实现了上位机对伺服系统运行状态的实时监控。


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