微小型高性能永磁交流伺服系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展,電機(jī)制造工藝水平的不斷提高,永磁交流伺服系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、大規(guī)模集成電路制造、航空航天等領(lǐng)域的重要驅(qū)動部件,在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用。
　　本文根據(jù)國家863計劃課題要求,針對仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的快速穩(wěn)定控制,研究機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)一體化集成設(shè)計方法,從永磁交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動控制策略和微小型高性能交流伺服系統(tǒng)研發(fā)兩個方面進(jìn)行了全面而深入的研究。具

2、體內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　交流伺服系統(tǒng)動態(tài)頻響的核心制約因素是內(nèi)環(huán)電流環(huán)的帶寬,本文對電流環(huán)帶寬擴(kuò)展策略進(jìn)行了研究。在數(shù)字控制交流伺服系統(tǒng)中,制約電流環(huán)帶寬的因素主要包括功率器件的開關(guān)頻率和A/D采樣時間、計算處理、PWM占空比更新等數(shù)字控制延時。在不提高功率器件開關(guān)頻率的前提下擴(kuò)展電流環(huán)的帶寬很有必要。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流解耦控制基礎(chǔ)上，分析了永磁交流伺服系統(tǒng)中電流采樣和占空比更新方式產(chǎn)生的延時對電流環(huán)帶寬的影響,提出了

3、在一個載波周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)定子電流的雙次采樣和PWM占空比雙次更新的帶寬擴(kuò)展策略。在保持開關(guān)頻率不變情況下,理論上可擴(kuò)展電流環(huán)帶寬一倍以上，從而可以大幅提高永磁交流伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能。
　　對永磁同步電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的電流預(yù)測控制進(jìn)行了研究,提出了一種增強(qiáng)魯棒性的預(yù)測控制算法?；诶窭嗜詹逯档膫鹘y(tǒng)無差拍預(yù)測控制算法,具有動態(tài)響應(yīng)快、開關(guān)頻率恒定、適于數(shù)字實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn),但對電機(jī)電感參數(shù)失配比較敏感。為此提出的改進(jìn)無差拍預(yù)測控制算法,改進(jìn)了

4、電流偏差約束條件和輸出電壓預(yù)測方法。利用根軌跡法分析了算法魯棒性與電感參數(shù)失配的關(guān)系。在電機(jī)電感參數(shù)發(fā)生失配情況下,能夠維持系統(tǒng)穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流的閉環(huán)控制,使實(shí)際電流跟隨給定,提高了算法的魯棒性。
　　為保證電機(jī)轉(zhuǎn)速快速跟隨給定,動態(tài)過程中不出現(xiàn)超調(diào)和振蕩,提出了一種速度環(huán)IP控制器參數(shù)設(shè)計方法。根據(jù)永磁同步電機(jī)速度環(huán)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型的分析,調(diào)整了比例增益的作用位置,實(shí)現(xiàn)局部反饋校正,構(gòu)成速度環(huán)IP控制器。根據(jù)穩(wěn)定性和跟隨性要求,

5、選取轉(zhuǎn)速偏差指標(biāo)函數(shù),推導(dǎo)出 IP控制器參數(shù)設(shè)計方法,并在控制器設(shè)計中增加了anti-windup策略,以抑制積分飽和現(xiàn)象。通過辨識轉(zhuǎn)動慣量,實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)整定。所設(shè)計的速度環(huán)控制器,可以獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速的無超調(diào)、無振蕩快速響應(yīng),并具有較強(qiáng)的抗擾動能力。
　　針對仿人機(jī)器人一體化關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)所要求的小型、輕量、高速度和高精度控制等關(guān)鍵問題,提出了微小型高性能交流伺服系統(tǒng)的研究和設(shè)計方法。微小型交流伺服系統(tǒng)由高功率密度永磁電機(jī)、微小型伺

6、服驅(qū)動器和磁編碼器組成。主要圍繞伺服驅(qū)動器微小型化設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,從電源系統(tǒng)、電壓電流檢測、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面進(jìn)行了微小型化設(shè)計,并給出了各部分功能模塊的設(shè)計方法和解決方案。為保證系統(tǒng)的可靠性,對微小型伺服驅(qū)動器進(jìn)行了熱設(shè)計,建立了熱分析模型,并基于熱仿真分析實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動器結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
　　在上述工作的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了兩種型號的微小型交流伺服驅(qū)動器,分析了系統(tǒng)的硬件組成和軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計。對研發(fā)的微小型交流伺服系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,