永磁同步电机伺服系统离散自抗扰及反步法控制策略研究

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伺服系统是当前先进数控机床以及工业机器人的核心部件中的一部分,伴随着现代控制技术、数字信号处理、电力电子技术的高速发展,在当下很多控制领域中,交流伺服系统正慢慢地取代着直流伺服系统的地位。永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)之所以被广泛应用于伺服系统中,还要归功于它自身无污染、体积小及功率高的诸多优点。但是,PMSM作为一个多标量系统也具有非线性、强耦合的缺点,对控制算法要求较高。因此,将先进控制策略应用于永磁同步电机交流伺服系统中,正是当前高性能伺服系统的发展方向。本文主要研究一种以自抗扰控制技术(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)为核心的永磁同步电机伺服系统控制策略,为提高伺服系统的精度以及抗干扰能力,采用新型的控制策略代替传统的控制方法。分别针对双闭环速度与电流控制系统以及三闭环的位置控制系统,结合PMSM的数学模型,对双闭环中的电流内环与速度环的ADRC控制器及其算法进行了设计;在三闭环位置控制系统中,采用ADRC控制器与反步法结合的设计方法,分别对外环与内环进行了设计。首先,建立PMSM在坐标变换的基础上,选取同步旋转d-q坐标系下的数学模型为后续应用,并以0di=作为转矩电流和励磁电流的控制方式,介绍了矢量坐标变换以及电压空间坐标矢量等概念。最后,以速度与电流双闭环为例,建立了PMSM矢量控制的结构框图。通过对经典PID控制算法及其优缺点的分析,引出自抗扰控制。分别对自抗扰控制器的主要组成部分的作用、结构及其一般算法进行了介绍,而后对离散型算法进行了分析,搭建了基本结构框架。在前述的速度与电流双闭环矢量控制、ADRC算法基础上,设计了基于离散型ADRC控制器的速度与电流双闭环PMSM调速控制系统。先从算法出发,分别设计了d轴与q轴的电流环ADRC控制器、一阶速度环离散ADRC以及二阶速度环离散ADRC,为计算机仿真打下基础。接着通过将ADRC与传统PID控制分别应用于PMSM调速系统中,对比仿真结果验证ADRC的优越性。最后,采用三环位置控制系统,并对PMSM位置环自抗扰控制策略进行设计。对三环系统采用ADRC与自适应反步法结合的控制策略,应用自抗扰控制器设计的位置外环是为了得到控制目标即转速信号;而应用反步法设计的速度与电流环是为了得到另一个控制目标轴电流。逐步设计,最终得到负载变化的估计值,而后验证仿真结果,证实系统的优越性。
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