低速交流電機(jī)伺服系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、隨著伺服系統(tǒng)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，很多應(yīng)用場合對(duì)現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的低速甚至超低速性能要求也越來越高。比如高精度數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)伺服進(jìn)給系統(tǒng)、雷達(dá)衛(wèi)星天線自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、光學(xué)加工等領(lǐng)域要求伺服系統(tǒng)在低速運(yùn)行時(shí)有良好的跟隨特性和抗干擾性能，即電機(jī)在給定轉(zhuǎn)速變化、負(fù)載變化的條件下能夠低速平穩(wěn)運(yùn)行。伺服電機(jī)系統(tǒng)的性能會(huì)受到各種量化誤差、采樣誤差，以及電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等因素的影響。特別是在低速運(yùn)行時(shí)，速度反饋的精度和動(dòng)態(tài)性能都受到極大限制，因此電機(jī)

2、往往處于無規(guī)律地轉(zhuǎn)和停狀態(tài)，速度很難控制，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的低速性能指標(biāo)。低速運(yùn)行時(shí)，速度的平穩(wěn)性主要由執(zhí)行電機(jī)的特性和控制器性能決定。因此，對(duì)低速電機(jī)伺服系統(tǒng)的研究必須從電機(jī)本體、控制策略、驅(qū)動(dòng)方式、編碼器采樣方式等個(gè)各方面綜合分析和考慮，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和抗擾性，滿足各種應(yīng)用場合的要求。
　　 本文首先就低速電機(jī)伺服系統(tǒng)的應(yīng)用背景和相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了闡述，概述了對(duì)國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，分析了本課題的選題

3、背景和意義。
　　 其次，建立了基于DSP的低速電機(jī)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。平臺(tái)選取無槽無刷交流永磁電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)，以消除齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的影響，并盡量減少電磁諧波轉(zhuǎn)矩。文中對(duì)無槽無刷電機(jī)從結(jié)構(gòu)和電磁場性能的角度對(duì)其特性做了詳細(xì)的分析，建立了基于轉(zhuǎn)子磁場定向的數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)采用定子電壓空間矢量電流預(yù)測控制方法，以進(jìn)一步減少電流波形畸變，降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
　　 然后，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上，采用基于位置信號(hào)的含濾波器的一階

4、擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩觀測器，構(gòu)建了低速電機(jī)伺服系統(tǒng)。觀測器使用一階偽微分結(jié)構(gòu)，在準(zhǔn)確估計(jì)擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，盡量減少微分運(yùn)算對(duì)測量和計(jì)算誤差的放大。算法結(jié)合永磁同步電動(dòng)機(jī)具有的無槽式結(jié)構(gòu)（無齒槽轉(zhuǎn)矩）、氣隙大（直軸電流對(duì)氣隙磁場影響小）、繞組電感及電氣時(shí)間常數(shù)小（動(dòng)態(tài)特性良好）等特點(diǎn)，抑制電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)，提高伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的抗擾性。系統(tǒng)在采用普通分辨率(1000ppr)的光電編碼器，實(shí)現(xiàn)了1 r/min左右超低速范圍內(nèi)的穩(wěn)定運(yùn)行，并具有良好的動(dòng)態(tài)特性

5、。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)能夠快速抑制速度誤差和擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)低速運(yùn)行的影響，且容易實(shí)現(xiàn)，有較強(qiáng)的實(shí)用性。
　　 接著，本文提出了一種基于二階滑模微分運(yùn)算的速度計(jì)算和補(bǔ)償算法，算法通過對(duì)采樣到的位置信號(hào)的二次滑模運(yùn)算，得到加速度信息，然后根據(jù)加速度信息計(jì)算出速度值，使速度反饋值能夠快速跟蹤負(fù)載的變化。通過采用此算法，使永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)可以在低速區(qū)域的動(dòng)態(tài)性能獲得明顯的提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法具有快速的動(dòng)態(tài)性能和對(duì)負(fù)載擾動(dòng)有較強(qiáng)的魯