基于參數(shù)辨識(shí)的高性能永磁同步電機(jī)控制策略研究.pdf

1、在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，特別是機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域，永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)占據(jù)著舉足輕重的地位。近年來(lái)，隨著自動(dòng)化領(lǐng)域的快速發(fā)展，其對(duì)永磁同步伺服系統(tǒng)性能的要求也越來(lái)越高。但在高性能伺服產(chǎn)品中，主要是日本和歐美的伺服產(chǎn)品占據(jù)著大部分的市場(chǎng)份額。而國(guó)產(chǎn)伺服產(chǎn)品與發(fā)達(dá)國(guó)家高性能伺服產(chǎn)品的主要差距是：高性能的電流控制功能；以及參數(shù)自整定等高級(jí)功能。對(duì)于電流控制策略，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品大多采用基于坐標(biāo)變換的PID調(diào)節(jié)方式，但其在動(dòng)態(tài)過(guò)程中無(wú)法補(bǔ)償電機(jī)固

2、有的交叉耦合以及反電勢(shì)對(duì)電流響應(yīng)的影響。
　　本文以提高伺服系統(tǒng)性能為目標(biāo)，主要研究電流環(huán)控制策略和速度環(huán)參數(shù)自整定。具體內(nèi)容如下：
　　通過(guò)對(duì)目前主流的電流環(huán)控制策略的比較分析，發(fā)現(xiàn)基于無(wú)差拍技術(shù)的預(yù)測(cè)電流控制策略能使系統(tǒng)電流環(huán)的響應(yīng)帶寬達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，即調(diào)制頻率的十二分之一?；谝陨戏治?，本文選用了基于無(wú)差拍技術(shù)的預(yù)測(cè)電流控制策略。對(duì)于采用無(wú)差拍預(yù)測(cè)電流控制策略的系統(tǒng)而言，需要得到準(zhǔn)確的電機(jī)參數(shù)才能保證控制的性能。其中，電

3、感參數(shù)直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當(dāng)誤差超過(guò)兩倍時(shí)，電流控制系統(tǒng)將會(huì)發(fā)散。為了提高預(yù)測(cè)電流控制系統(tǒng)的魯棒性，本文提出了基于Luenberger觀測(cè)器原理的魯棒電流預(yù)測(cè)控制策略，并給出了各項(xiàng)性能指標(biāo)與觀測(cè)器系數(shù)間的定量關(guān)系。通過(guò)引入電流觀測(cè)器，可以明顯地提高電流控制系統(tǒng)對(duì)電感參數(shù)的魯棒性。
　　由上面的分析可以發(fā)現(xiàn)魯棒電流預(yù)測(cè)控制只能提高系統(tǒng)對(duì)電感參數(shù)的敏感度，并不能減小由于參數(shù)誤差引起的系統(tǒng)性能的下降，而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可以得到，在電機(jī)

4、轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，電機(jī)電感參數(shù)誤差主要影響直軸電流響應(yīng)，而電機(jī)磁鏈參數(shù)誤差主要影響交軸電流響應(yīng)，而電機(jī)電阻的誤差對(duì)于電流控制系統(tǒng)而言影響可以忽略不計(jì)。并且電機(jī)磁鏈誤差還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流給定與電流反饋之間的靜差。為了在魯棒電流預(yù)測(cè)控制基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高電流控制系統(tǒng)的性能，本文提出了基于RLS原理的電機(jī)電磁參數(shù)辨識(shí)電流預(yù)測(cè)控制策略。根據(jù)電機(jī)電磁狀態(tài)方程的形式，將電機(jī)電磁參數(shù)的辨識(shí)分為兩個(gè)步驟：第一步辨識(shí)電機(jī)的電感系數(shù)，第二步將其作為已知量

5、來(lái)辨識(shí)電機(jī)的電阻和磁鏈系數(shù)。仿真和實(shí)驗(yàn)波形表明，在系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，該算法可以進(jìn)一步改善伺服系統(tǒng)電流環(huán)的性能。
　　由于受到系統(tǒng)硬件條件的約束，在速度動(dòng)態(tài)過(guò)程中會(huì)不可避免的出現(xiàn)調(diào)節(jié)器的飽和現(xiàn)象，即windup現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會(huì)使速度響應(yīng)超調(diào)量增加、調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)。為了補(bǔ)償速度調(diào)節(jié)器的飽和問(wèn)題，本文在傳統(tǒng)的跟蹤反計(jì)算Anti-Windup策略基礎(chǔ)上提出了分段式跟蹤反計(jì)算AW策略，其能夠限制調(diào)節(jié)器的飽和深度，使得速度的性能指標(biāo)不受系統(tǒng)給定

6、的影響。但該算法在離散化的控制器中無(wú)法有效地限制調(diào)節(jié)器的飽和深度?？偨Y(jié)上述控制策略的缺點(diǎn)，本文提出了一種新型的積分終值預(yù)測(cè)AW策略。當(dāng)PI控制器飽和時(shí)，該算法實(shí)時(shí)地計(jì)算出積分器在穩(wěn)態(tài)時(shí)的最終值，并將計(jì)算結(jié)果作為PI控制器進(jìn)入線性區(qū)時(shí)的積分器初始值。該控制策略可以顯著提高系統(tǒng)速度環(huán)的動(dòng)態(tài)性能，提供最優(yōu)的速度控制效果。
　　為了實(shí)現(xiàn)速度環(huán)PI參數(shù)自整定功能，本文首先分析了伺服系統(tǒng)速度環(huán)的狀態(tài)方程，從中可以看出，負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載慣量是參數(shù)

7、自整定策略中至關(guān)重要的兩個(gè)變量。研究表明，采用Luenberger全階觀測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)觀測(cè)，但由于其算法復(fù)雜且具有多個(gè)可調(diào)節(jié)的觀測(cè)器系數(shù)，本文進(jìn)一步提出了基于Gopinath原理的負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器，并給出了觀測(cè)器系數(shù)的取值范圍，以及它與觀測(cè)器性能之間的關(guān)系。在采用自回歸最小二乘原理的慣量辨識(shí)算法中，其辨識(shí)結(jié)果在速度變化時(shí)波動(dòng)較大，并且對(duì)系統(tǒng)噪聲的抑制能力較弱。為此本文提出了基于FOREFOP算法的慣量辨識(shí)算法，根據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)