交流伺服系统高性能速度控制关键技术研究

【摘要】：随着永磁同步电机在数控机床、工业机器人、航空航天等领域的广泛应用,人们对永磁同步电机伺服系统速度控制精度要求越来越高。然而受国内伺服控制技术水平的限制,高端伺服系统仍然被国外所垄断。在此背景下本文提出了一种基于扩展卡尔曼滤波器的状态估计器用于电机转速高精度检测,并结合参数自整定技术以及用于电机特征参数辨识的模型参考自适应技术,设计了一种高性能的速度控制系统,实现了永磁同步电动机伺服系统高性能速度控制。 伺服驱动系统中,常采用电流环、速度环、位置环三闭环控制结构,以获得较好的动态跟随性能和抗负载扰动的性能。速度环用于实现伺服系统的快速跟踪定位,为电流环提供电流给定,并为位置环的内环,是伺服系统实现精确定位的基础,因此在伺服系统中,速度控制是交流伺服控制系统中极为重要的一个环节,其控制性能是伺服系统整体性能指标的一个重要组成部分。在交流伺服系统速度控制中通常采用闭环控制,速度反馈精度的高低对伺服控制系统性能的好坏起着至关重要的作用,本文着重从高精度速度检测技术入手,结合课题组其他成员对于参数自整定的研究成果设计出交流伺服系统高性能的速度控制系统。 首先,从永磁同步电机的数学模型入手,分析采用转子定向矢量控制策略。并在分析永磁同步电机数学模型的基础上,建立了永磁同步电机伺服系统的电流环、速度环和位置环三闭环控制模型。 然后,在分析常用速度测量方法的基础上,设计了扩展M/T速度检测方法以解决常用M/T速度检测方法进行速度检测时非完整编码器脉冲信号丢失对速度检测精度的影响和基于卡尔曼滤波的状态估计器以解决扩展M/T法在更低转速下速度检测失效的缺陷。为弥补基于卡尔曼滤波的状态估计器存在无法在非线性模型下完成状态估计的缺陷,提出了一种基于扩展卡尔曼滤波器的适用于宽转速、高噪声环境下的高精度电机速度检测算法,并经实验验证该算法具有较高的速度检测精度以及动态响应能力,对于提高伺服系统反馈速度检测精度,改善伺服系统控制性能具有重要的意义。 基于扩展卡尔曼滤波器的高精度速度检测方法,结合参数自整定技术以及用于电机特征参数辨识的模型参考自适应技术,设计了一种伺服系统控制参数在线自整定以及超低速下的平稳控制的高性能的速度控制算法,并设计出基于该算法的安全、可靠、稳定、具有自主知识产权的永磁同步电机伺服驱动器。为验证所设计的高性能速度控制算法的控制精度和动态响应性能以及伺服驱动系统的整体性能,首先在Simulink中建立该高性能永磁同步电机速度控制系统仿真模型用于仿真分析；然后搭建合适的实验平台进行实物平台实验验证,仿真以及实验结果分别验证了本文设计的高性能速度控制方法的可行性和有效性。