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基于扰动主动补偿的永磁同步电机伺服系统滑模控制

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基于扰动主动补偿的永磁同步电机伺服系统滑模控制

作者：易小军湖南科技大学

学位级别：硕士

永磁同步电机伺服系统是一个非线性、强耦合、多变量的复杂对象,不可避免地存在参数摄动、未知非线性动态等不确定性和负载转矩影响,这些不确定性和扰动使得永磁同步电机伺服系统难以获得期望的控制性能,甚至影响系统的稳定性。因此,提... 详细信息

永磁同步电机伺服系统是一个非线性、强耦合、多变量的复杂对象,不可避免地存在参数摄动、未知非线性动态等不确定性和负载转矩影响,这些不确定性和扰动使得永磁同步电机伺服系统难以获得期望的控制性能,甚至影响系统的稳定性。因此,提出有效的永磁同步电机伺服系统滑模控制设计方法,提高系统的抗扰能力和跟踪性能,保证系统的控制精度、瞬态性能和鲁棒性,有着重要的理论意义和应用价值。本文以永磁同步电机为研究对象,引入主动扰动抑制思想,针对不同工况条件下的转速控制、位置控制和电流控制,分别采用扩张状态观测器方法、等价输入干扰方法和扰动观测器方法,提出基于扰动补偿的永磁同步电机伺服系统滑模控制设计方法,旨在提高系统的抗扰能力和跟踪性能。本文的研究工作主要包括以下三个方面:(1)针对永磁同步电机伺服系统的负载扰动突变问题,提出一种基于扩张状态观测器的滑模控制设计方法。首先,利用系统已知模型信息设计扩张状态观测器,对负载扰动进行实时估计。然后,基于跟踪误差构造滑模面函数,构建滑模趋近律,并结合扰动估计值和趋近律设计滑模控制器。在此基础上,推导出系统的稳定性和收敛性条件。最后,通过仿真分析、以及与PI方法、其他滑模控制方法的比较,说明本文所提方法具有更好的扰动抑制和跟踪控制性能。(2)针对负载扰动突变和齿槽转矩脉动问题,提出一种基于等价输入干扰的永磁同步电机伺服系统滑模控制设计方法。首先,根据永磁同步电机机械运动方程设计降阶状态观测器,并基于观测误差设计等价输入干扰估计器和补偿器,以消除负载扰动突变和齿槽转矩脉动对于电机位置输出的影响。然后,根据电机位置跟踪误差设计滑模控制规律,实现对参考位置信号的准确快速跟踪,并利用李雅普诺夫定理推导出系统的稳定性条件。最后,通过与PI方法、以及基于扩张状态观测器的滑模控制方法进行仿真比较,验证所提方法的有效性和优越性。(3)针对电流谐波导致电机转矩脉动、电磁噪声和电流损耗等问题,提出一种基于扰动观测器的永磁同步电机伺服系统滑模控制方法。首先,利用系统的已知模型信息设计扰动观测器,对负载扰动和未知非线性动态及其导数进行实时估计。然后,利用电机转速跟踪误差构造滑模面函数,构建基于扰动补偿的复合滑模控制律,以消除负载扰动和未知非线性动态对系统输出的影响。在此基础上,建立系统的稳定性和收敛性条件,并通过粒子群算法对滑模控制器参数和扰动观测器参数进行同时优化。最后,通过与PI方法、准谐振控制和其他滑模控制方法的比较仿真,说明所提方法具有更好的扰动抑制和跟踪控制性能。

关键词：永磁同步电机伺服系统滑模控制主动扰动抑制跟踪控制

永磁同步电机位置伺服系统鲁棒抗干扰控制策略研究

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永磁同步电机位置伺服系统鲁棒抗干扰控制策略研究

作者：李龙飞湖南大学

学位级别：硕士

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine,PMSM)具有结构简单、体积小、效率高等优点,被广泛应用于机械臂、炮台定位装置、柔性制造生产线、机床加工等工业应用中。在PMSM伺服驱动系统中,往往会存在参数不确定、外部负载冲... 详细信息

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine,PMSM)具有结构简单、体积小、效率高等优点,被广泛应用于机械臂、炮台定位装置、柔性制造生产线、机床加工等工业应用中。在PMSM伺服驱动系统中,往往会存在参数不确定、外部负载冲击、机械谐振等干扰,从而对伺服系统的控制性能产生较大影响。在以机床加工为例的伺服位置跟踪控制系统中,这些干扰会改变刀具的运动轨迹,最终影响工件的加工质量。除了机床方面的应用外,其它现代工业领域对伺服系统的精度和响应速度也提出了更高的要求。此外,国内伺服系统的控制精度和稳定性,和日本、德国等西方国家还有着一定差距。因此,对于伺服传动系统抗干扰控制的研究变的极为重要。本文根据传动方式的不同,主要研究了单惯量伺服系统和双惯量伺服系统,并分别对其抗干扰控制策略进行了深入研究。本文的主要工作如下:(1)建立了伺服传动系统的数学模型,从理论上分析了参数不确定和外部负载干扰以及机械谐振对伺服控制系统的影响。在单惯量伺服系统模型的理论分析基础上,进一步研究了双惯量伺服系统的扰动机理。在此基础上,着重分析了双惯量伺服系统的负载惯量比和刚度系数对机械谐振的影响,并对现有的三种机械谐振抑制方法进行了理论研究和仿真验证。(2)针对单惯量伺服系统中参数不确定和外部负载干扰对控制性能的影响,研究了基于非线性扰动观测器(Nonlinear Disturbance Observer,NDOB)的鲁棒反步(Robust Backstepping Control,RBC)伺服位置抗干扰控制方法。该方案可用于估计伺服系统的集总扰动,包括机械参数的不确定性和外部负载扰动等。结合该NDOB观测器,本文进一步设计了一种复合RBC控制器,不仅简化了传统反步控制器的设计过程,还克服了观测器误差和系统内部不确定项的影响。最后,通过与传统PI控制器的对比实验,验证了该方法在参数不确定和外部负载干扰的情况下,有着更高的控制精度和响应速度。(3)当单惯量伺服系统的抗干扰控制方法应用到双惯量伺服系统上时,其抗干扰和机械谐振抑制能力将出现不匹配问题,具有一定的局限性。为此,本文研究了基于位置陷波滤波器的机械谐振抑制方法。同时,考虑到电机在运行过程中,机械参数变化会导致谐振频率点偏移,从而影响位置陷波滤波器的抑振能力,本文提出了基于谐振频率在线跟踪的自适应位置陷波滤波器(Adaptive Position Notch Filter,APNF)。该方法可实时优化滤波器的各项参数,提升对谐振频率变化的自适应抑制能力。在此基础上,本文结合基于NDOB观测器的RBC控制策略,进一步优化了伺服控制系统的控制精度和响应速度。最后,通过在双惯量伺服平台下的抗干扰实验,验证了本文提出的位置伺服系统鲁棒抗干扰控制策略的有效性和可行性。

关键词：永磁同步电机伺服系统鲁棒反步控制机械谐振抑制谐振频率估计

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基于粒子群优化的PID伺服控制器设计

浙江大学学报（工学版） 2006年第12期40卷 2144-2148页

作者：胡海兵胡庆波吕征宇浙江大学电气工程学院浙江杭州310027

针对耦合和非线性永磁同步电机(PMSM)控制器优化设计的难题,提出了基于粒子群优化(PSO)算法的比例、积分和微分(PID)控制器的优化设计方法.结合PSO的基本原理和PMSM伺服系统的控制策略,给出了优化PID控制器设计的步骤.考虑到综合评价系... 详细信息

针对耦合和非线性永磁同步电机(PMSM)控制器优化设计的难题,提出了基于粒子群优化(PSO)算法的比例、积分和微分(PID)控制器的优化设计方法.结合PSO的基本原理和PMSM伺服系统的控制策略,给出了优化PID控制器设计的步骤.考虑到综合评价系统的各项性能指标,在优化过程中引入了新的模糊汉明距离的评价策略.同时对遗传算法(GA)和PSO算法优化结果进行对比研究.仿真和实验结果表明,该方法能搜寻到最优或次最优的参数空间,并能取得比GA更好的空间解.优化得到的PID控制器速度响应快、超调量小,有效地提高了伺服系统的动态性能.

关键词：粒子群优化遗传算法比例积分微分控制器永磁同步电机伺服系统

基于遗传算法的永磁同步电动机矢量控制系统的优化设计

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微电机 2012年第5期45卷 73-76页

作者：李晨丹黄文新南京航空航天大学南京210016

通过引入遗传算法,提出一种用于永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统的新颖设计方法,该方法对电机模型没有依赖性,且可以省去耗时的人工调试工作。不仅外环,即速度环,可以得到自动调节,电流内环的所有PI控制器也均可自动同步寻优。通过... 详细信息

通过引入遗传算法,提出一种用于永磁同步电动机矢量控制伺服驱动系统的新颖设计方法,该方法对电机模型没有依赖性,且可以省去耗时的人工调试工作。不仅外环,即速度环,可以得到自动调节,电流内环的所有PI控制器也均可自动同步寻优。通过链接MAT文件和Matlab环境下的SimPowerSystem工具箱,设计方法得到更好的仿真与验证。

关键词：永磁同步电机伺服系统矢量控制遗传算法优化设计仿真

永磁同步电机位置信号与损耗能量的协同优化控制

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永磁同步电机位置信号与损耗能量的协同优化控制

作者：赵玉娇青岛大学

学位级别：硕士

高性能伺服系统广泛应用于自动化产线、数控机床、机器人、航空航天装备等领域,而伺服系统的动态性能和稳态性能往往相互矛盾。本文以永磁同步电机伺服系统为研究对象,从信号控制和能量控制两方面出发,系统地建立永磁同步电机信号与能... 详细信息

高性能伺服系统广泛应用于自动化产线、数控机床、机器人、航空航天装备等领域,而伺服系统的动态性能和稳态性能往往相互矛盾。本文以永磁同步电机伺服系统为研究对象,从信号控制和能量控制两方面出发,系统地建立永磁同步电机信号与能量协同控制原理,并给出信号控制器、能量控制器和协同控制策略的设计方法。利用信号控制器快速减小位置跟踪误差,能量控制器优化控制整个系统的能量,协同控制策略结合两者的优势,同时确保控制器切换过程中控制量连续平稳变化且不发生跳变。首先,本文采用了基于无差拍预测和端口受控哈密顿的协同控制方法。一方面,选用无差拍预测方法设计系统的信号控制器,使实际电流以最少步数到达参考值。另一方面,基于永磁同步电机的端口受控哈密顿模型,通过配置互联和阻尼矩阵,推导出期望的哈密顿能量函数,使系统实现良好的稳态响应。然后设计了协同控制策略,每种控制方法都能在相应的运行范围内得到有效利用,实现了无差拍控制器和端口受控哈密顿控制器的优势互补。其次,为了进一步加快系统的动态响应,本文采用了反馈线性化方法改进信号控制器的设计。另一方面,考虑到电机长时间运行产生的能量损耗,建立了考虑损耗的全新的端口受控哈密顿模型,采用损耗最小化方法计算最优定子电流,随后推导了闭环系统的能量控制器,优化控制了整个系统的输入能量、输出能量和损耗能量。结合协同控制函数,建立了基于反馈线性化和损耗最小化-端口受控哈密顿的协同控制系统,实现了快速动态调节和高效稳态运行,弥补了单一控制方法的不足。然后,将无传感器控制引入到了协同控制系统中,设计了自适应超扭高阶滑模观测器,仅使用一个观测器就可以同时估计转子的位置速度和跟踪参数不匹配引起的系统扰动,增强了系统对参数不确定的鲁棒性,并且简化了模型结构。另外,采用粒子群优化算法对协同控制器的协同参数进行了合理选择,避免了冗长的试错过程。同时,对几种典型的协同函数进行比较,得出了一定条件下的最佳协同函数,实现了有条件的最优协同控制。最后,构建了基于协同优化控制器和超扭滑模观测器的无传感器控制系统,实现了无传感器情况下高性能的协同优化控制。综上所述,本文针对永磁同步电机伺服系统,给出了三种协同控制方案并不断改进,使该系统可以同时结合信号控制和能量控制的优势,实现了动态运行位置快速调节和稳态运行能量优化控制。通过对比以上三种协同控制方案在各种工况下的实验结果,可以看出协同控制方法在动态响应速度、稳态精度和效率方面的综合性能更佳,验证了文中所提算法的理论创新性和工程应用价值。

关键词：永磁同步电机伺服系统协同控制位置信号损耗最小化参数优化

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基于LADRC的PMSM伺服系统研究

基于LADRC的PMSM伺服系统研究

作者：韩丁西南石油大学

学位级别：硕士

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)以其高功率密度、高转矩/惯量比、高效率和易维护等优点,在航空航天、雷达、数控机床和机器人等伺服应用场合取得了广泛的应用。传统的PMSM伺服系统大多采用PI控制器。而PMSM本... 详细信息

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)以其高功率密度、高转矩/惯量比、高效率和易维护等优点,在航空航天、雷达、数控机床和机器人等伺服应用场合取得了广泛的应用。传统的PMSM伺服系统大多采用PI控制器。而PMSM本身是一个多变量、强耦合、非线性的的控制对象,传统的PI控制器很难满足伺服系统的高性能需求。为此,本文从以下三个方面研究了线性自抗扰控制器(LADRC)在PMSM伺服系统的应用。(1)为了提高永磁同步电机(PMSM)调速系统的抗扰动和噪声抑制能力,对PMSM转速环设计了三种LADRC,即传统线性自抗扰控制器(TLADRC)、高阶线性自抗扰控制器(HLADRC)和降维线性自抗扰控制器(RLADRC)。各LADRC的区别在于线性扩张状态观测器(LESO)的不同,即传统线性扩张状态观测器(TLESO)、高阶线性扩张状态观测器(HLESO)和降维线性扩张状态观测器(RLESO)。采用叠加原理对各LADRC控制转速环的稳定性进行了证明,同时还对各LESO的收敛条件进行了分析。再通过对各LESO的频域分析,结合对各LADRC控制的转速环进行仿真,对比了三种不同LADRC控制下,PMSM调速系统的扰动抑制能力与噪声抑制能力。所得出的结论可为LADRC应用中LESO的选取提供有力的支持,为PMSM调速系统的优化设计提供了理论依据。(2)传统的位置伺服系统设计大多按照串级控制来实现,即由内到外分别是电流环、速度环和位置环。但是,这必然要求三个传感器分别对电流、速度和位置进行测量,传感器的增加不仅增加了经济成本,也会引入较多的噪声,虽然也可以不采用速度传感器,而是直接对位置进行差分,但是这会带来相应的问题:因为位置是滞后速度90°的,通过对位置进行差分必然带来速度的滞后;差分会放大传感器噪声。为此,本章提出了位置伺服系统一体化设计方案,即保留电流环,并把速度环和位置环视为一个二阶系统,对其进行三阶LADRC的设计。为了实现数字化控制,对LADRC进行了零阶保持采样方式的离散化设计。另外,本文还对位置伺服系统跟踪连续时变信号的所产生的误差原因进行了分析,并提出了通过增加微分前馈来解决该问题。(3)为了抑制永磁同步电机(PMSM)带柔性负载伺服系统的机械谐振,设计了两种电机侧速度反馈的LADRC,即LADRC1和LADRC2。通过对两种LADRC进行数学推导,得到了二自由度的LADRC闭环控制系统形式,以此为基础,分别得到了扰动和噪声到系统输出的传递函数,并进行了频域分析,而后的时域仿真分析验证了频域分析的结论。所得的结论为PMSM带柔性负载伺服系统的控制器选择提供了理论依据。

关键词：永磁同步电机伺服系统线性扩张状态观测器线性自抗扰控制柔性负载机械谐振

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永磁同步电机在非晶带材卷取上的设计与应用

铸造技术 2018年第12期39卷 2818-2822页

作者：陈超魏佩瑜邹黎刘逸邹雪山东理工大学电气与电子工程学院山东淄博255049 江苏国能合金科技有限公司江苏宜兴214241

针对异步电机机械特性比较软,非晶带材精度很难达到系统要求的问题,提出使用永磁同步电机卷取伺服系统实现收卷的精度误差小于2%的方法。介绍非晶生产线带材抓取和卷取的工艺过程和要求,通过对三项异步电机和永磁同步电机的机械特性曲... 详细信息

针对异步电机机械特性比较软,非晶带材精度很难达到系统要求的问题,提出使用永磁同步电机卷取伺服系统实现收卷的精度误差小于2%的方法。介绍非晶生产线带材抓取和卷取的工艺过程和要求,通过对三项异步电机和永磁同步电机的机械特性曲线精度对比,对采用双闭环控制的永磁同步电机卷取伺服系统进行理论分析。实际应用过程中的生产数据验证了理论计算的正确性,证明永磁同步电机伺服系统达到了精确的收卷效果,使得系统精度误差小于2%。

关键词：永磁同步电机伺服系统机械特性双闭环控制精度

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基于模糊免疫PID控制器的参数整定研究

轻工科技 2017年第4期33卷 41-42,44页

作者：刘梦琪重庆交通大学机电与车辆工程学院重庆400074

本文在将模糊免疫算法应用于PID控制器的基础上,对比细菌觅食算法和粒子群算法在永磁同步电机的伺服系统中的效果。利用这两种群集智能算法分别对模糊免疫PID的多个参数进行搜索,并对永磁同步电机伺服系统进行Simulink仿真。研究结果表... 详细信息

本文在将模糊免疫算法应用于PID控制器的基础上,对比细菌觅食算法和粒子群算法在永磁同步电机的伺服系统中的效果。利用这两种群集智能算法分别对模糊免疫PID的多个参数进行搜索,并对永磁同步电机伺服系统进行Simulink仿真。研究结果表明在此系统中,与粒子群算法相比,采用细菌算法进行参数整定具有更好的效果。

关键词：模糊免疫PID 永磁同步电机伺服系统粒子群算法细菌觅食算法