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同周期控制交流伺服系统的研究

刘杰  
【摘要】: 数控装备是典型的机电系统,是装备制造业的核心。为达到数控装备高速和高精度的发展目标,需要对其进行机电一体化的全局最优化设计,这要求NC指令周期和伺服系统的机械环周期、电流环周期完全同步。本文旨在研究交流伺服系统机械环和电流环的同周期控制问题,使其获得更加优越的性能,并为数控装备全同周期的实现提供同周期伺服系统平台。 为证明同周期控制的优越性,本文建立了交流永磁同步电机d-q坐标系下的数学模型。对比同周期和不同周期两种控制结构的控制效果,同周期控制系统波动极小,更接近于理想曲线。推导了同周期控制和不同周期控制系统的闭环传递函数,同周期系统传递函数相对阶数最低,最稳定。根据控制系统模型设计了软件仿真系统平台,设置机械环和电流环在不同周期和同周期控制情况下,分别进行速度控制仿真。仿真结果表明,同周期控制可更有效地抑制负载转矩波动。针对同周期控制将会引发的电流采样噪声、速度分辨率低以及计算量大等问题,提出了有效解决途径——用全整数运算来进行控制算法设计,设计全整数的电流环状态观测器和机械环状态观测器。 针对实现同周期控制需要解决的计算量大的问题,提出了全整数控制算法设计的基本规则。为获得高效高精度的矢量变换算法,简化了矢量变换公式,设计了可以快速地获得高精度正弦和余弦值的查表算法。针对三相脉宽调制中母线电压不能被充分利用的问题,设计了电压矢量中心点平移算法,证明了其有效性和无方向误差。根据同周期控制交流伺服系统电流环模型和机械环传递函数,设计了伺服控制主程序流程图和同周期控制程序流程图和系统软件。研制了包括主控板、功率板和电源板在内的系统硬件。 为解决同周期控制中的电流采样噪声问题,推导了低通滤波器的递推公式和电流环状态观测器的递推公式,并提出了极点选取原则。设计了电流环调节器,并讨论了控制参数取值方法。建立了电流环的仿真模型和状态观测器的仿真模型,通过电流控制仿真确定了观测器极点选取和系统控制参数范围,并验证了观测器的有效性和优越性。编写了电流低通滤波器和电流环状态观测器的程序模块,在试验平台上进行了电流控制试验,试验结果证明状态观测器能够更有效地抑制电流采样噪声,达到更高的电流响应频率。 针对同周期控制中,机械环频率高所导致的速度分辨低的问题,推导了速度数字低通滤波器的递推形式,并设计了机械环状态观测器,给出了观测器的收敛条件,并进行了极点选取。在电流环仿真模型的基础上,搭建了机械环仿真模型,对机械环和观测器进行了仿真调试。控制仿真结果证明了机械环状态观测器的有效性。编写了速度滤波器程序模块和机械环状态观测器程序模块,进行了速度控制试验。试验结果证明,应用了状态观测器的系统具有较高的响应速度和稳定性。 针对高速电机控制中的高频电流控制问题,分析得出PWM频率不小于电流频率6倍的结论。针对当前位置检测器件无法在高速情况下正常工作的现状,提出了高速电机控制对位置检测器件的要求。本文系统中单对极磁性编码器的特性符合高速电机控制的要求。针对高速电机矢量控制中电压矢量变换的角度误差较大的问题,提出了超前补偿方法。针对编码器角度上报方式造成的角度反馈滞后问题,推导了角度反馈滞后量计算公式。设计了4对极20,000r/min永磁同步电机,用同周期伺服控制器对其进行了高速控制试验,高速电机的最高控制转速达到了22,000r/min。 高速电机控制试验的成功,验证了本文研制的同周期控制交流伺服系统,可在PWM频率与电流频率达到极限比例的情况下进行高频电流控制和电机伺服控制,充分证明了此伺服系统具有非常优良的控制性能。


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