永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制策略研究.pdf

1、作為工業(yè)機(jī)器人的三大核心部件之一，高性能伺服電機(jī)及其驅(qū)動器的性能還有待進(jìn)一步提高。本文對永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制策略進(jìn)行了研究。傳統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)大多采用PI控制器，而PMSM是個多變量、非線性的控制對象，在實(shí)際應(yīng)用中存在許多不確定的擾動，傳統(tǒng)PI控制器難以同時滿足伺服系統(tǒng)跟蹤性和魯棒性的要求。
　　傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)PI控制器在設(shè)計時考慮了很多非理想

2、因素和濾波環(huán)節(jié)，導(dǎo)致了控制器的參數(shù)與系統(tǒng)性能之間關(guān)系比較復(fù)雜。為解決這一問題，本文通過忽略傳統(tǒng)PI控制器設(shè)計中的一些非理想因素和濾波環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)模型進(jìn)行了簡化。在簡化模型的基礎(chǔ)上，采用基于狀態(tài)方程的設(shè)計方法設(shè)計了復(fù)合PI控制器。傳統(tǒng)的PI控制器在設(shè)計時先選定控制器的結(jié)構(gòu)形式，而后再通過傳遞函數(shù)分析系統(tǒng)的控制性能。而本文所采用的PI控制器設(shè)計方法與傳統(tǒng)的方法剛好相反，先設(shè)計跟蹤誤差的衰減規(guī)律，而后反推得到控制器的形式。采用本文設(shè)計得到的復(fù)

3、合PI控制器具有以下優(yōu)點(diǎn)：控制器結(jié)構(gòu)簡單；控制器參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系也比較簡單，便于整定；可以適應(yīng)存在多種輸入類型的場合。簡化后的轉(zhuǎn)速環(huán)控制系統(tǒng)經(jīng)復(fù)合PI校正后為一個二階系統(tǒng)，其階躍響應(yīng)在阻尼比為1的情況下仍然會存在超調(diào)。另外，轉(zhuǎn)速環(huán)PI控制系統(tǒng)是一種一自由度控制器，無法獨(dú)立調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的跟蹤性能和抗擾性能。
　　IP控制器盡管可以被用來消除轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)的超調(diào)，但會導(dǎo)致系統(tǒng)對連續(xù)變化輸入的跟蹤性能較差。為解決這一問題，

4、本文提出了一種變結(jié)構(gòu)PI控制器，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在連續(xù)變化輸入作用下表現(xiàn)為PI控制系統(tǒng)，在階躍輸入的作用下表現(xiàn)為IP控制系統(tǒng)，既消除了階躍響應(yīng)的超調(diào)也提高了系統(tǒng)對連續(xù)變化輸入的跟蹤性能。為進(jìn)一步提高IP控制器的跟蹤性能，本文提出了一種最優(yōu)IP控制器，同樣在阻尼比為1的情況下，保證系統(tǒng)階躍響應(yīng)無超調(diào)時的響應(yīng)速度最快。然而，最優(yōu)IP控制器對連續(xù)變化輸入的跟蹤性能仍然較差。為解決這一問題，本文提出了一種變給定增益PI控制器，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在連續(xù)變化

5、輸入作用下表現(xiàn)為PI控制系統(tǒng)，在階躍輸入的作用下表現(xiàn)為IP控制系統(tǒng)。最后，本文還提出了一種基于安排過渡過程的超調(diào)抑制方法，利用PI控制系統(tǒng)能夠在無擾動的情況下無穩(wěn)態(tài)誤差地跟蹤連續(xù)變化輸入這一特性來消除階躍響應(yīng)的超調(diào)。
　　傳統(tǒng)的二自由度控制器采用基于傳遞函數(shù)的分析方法，物理意義不明確。為此，本文采用了內(nèi)模控制原理來設(shè)計擾動觀測器（Disturbance Observer,DOB），闡述了傳統(tǒng)DOB設(shè)計過程的物理意義。本文采用基于狀

6、態(tài)方程的方法設(shè)計得到了非矩陣形式的全階狀態(tài)觀測器（Full-order State Observer,FSO）和降階狀態(tài)觀測器（Reduced-order State Observer,RSO）。觀測器的作用是構(gòu)建一個與實(shí)際系統(tǒng)相同的模型，并迫使模型的輸出跟蹤實(shí)際系統(tǒng)的輸出，從而使模型的狀態(tài)趨近與實(shí)際系統(tǒng)的狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)模型的輸出跟蹤實(shí)際系統(tǒng)的輸出，觀測器中需要使用控制器。本文采用系統(tǒng)控制器的設(shè)計思路來設(shè)計觀測器中的控制器，簡化了觀測器

7、的設(shè)計過程。
　　盡管傳統(tǒng)二自由度控制器調(diào)節(jié)系統(tǒng)抗擾性能時不會影響系統(tǒng)的跟蹤性能，但調(diào)節(jié)跟蹤性能時會影響系統(tǒng)的抗擾性能，或者說系統(tǒng)的跟蹤性能與抗擾性能之間未完全解耦，這導(dǎo)致了控制器參數(shù)調(diào)節(jié)的復(fù)雜性。為解決這一問題，本文提出了跟蹤性能和抗擾性能完全解耦的P+RSO、P+FSO二自由度控制器。采用解耦控制器后，觀測器的帶寬只影響系統(tǒng)的抗擾性能，而比例系數(shù)只影響系統(tǒng)的跟蹤性能，可以分別調(diào)節(jié)這兩參數(shù)來獨(dú)立地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的跟蹤性能和抗擾性能，從

8、而可以簡化控制器的參數(shù)整定過程。
　　現(xiàn)代控制理論中狀態(tài)觀測器的設(shè)計依賴于系統(tǒng)模型，若系統(tǒng)模型中的狀態(tài)系數(shù)和控制增益未知時，狀態(tài)觀測器將無法設(shè)計。為解決上述問題，韓京清提出了擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（Extended State Observer,ESO）。然而，采用ESO的控制系統(tǒng)仍然會受參數(shù)不確定性的影響。本文分析了狀態(tài)系數(shù)和控制增益的不確定性對控制系統(tǒng)性能的影響。分析結(jié)果表明，狀態(tài)系數(shù)的不確定性對系統(tǒng)跟蹤階躍輸入的性能和抗擾性能影響很

9、小，主要會對系統(tǒng)跟蹤連續(xù)變化輸入的性能產(chǎn)生影響，而控制增益對系統(tǒng)的跟蹤性能和抗擾性能均會產(chǎn)生影響，且相比于狀態(tài)系數(shù)的影響要大得多。在參數(shù)未知的情況下，可以利用參數(shù)準(zhǔn)確時系統(tǒng)對連續(xù)變化輸入跟蹤性能更好的特性來離線估算實(shí)際控制增益。本文針對轉(zhuǎn)速環(huán)控制增益變化的首要因素——轉(zhuǎn)動慣量的變化，采用了基于正交原理的轉(zhuǎn)動慣量在線辨識方法，并利用辨識得到的轉(zhuǎn)動慣量實(shí)時調(diào)節(jié)系統(tǒng)的PI控制器和P+ESO控制器的參數(shù)，提高了兩種控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)動慣量變化的自適應(yīng)