永磁交流伺服控制系统的动态性能研究

论文摘要

随着材料科学、微电子、控制理论等学科的飞速发展,交流伺服系统逐渐取代了直流伺服系统,而永磁交流伺服控制系统又因其特有的优点,成为交流伺服系统中的主流。研究高性能永磁交流伺服系统对缩小国内外伺服技术差距,拥有自主知识产权均有重要意义。本文首先介绍了永磁交流伺服系统的软硬件结构。文中平台以TMS320LF2407A为电机控制核心;以MSP430F149为人机界面核心;以IPM为主功率电路核心。采用数模结合的方法搭建控制回路,电流环采用模拟器件搭建,速度环和位置环利用数字电路实现。此外硬件平台加以多种保护,保证系统安全运行。在软硬件平台基础上,本文对系统空载动态性能进行了研究。文中采用仿真与实验结合的方法,对电流环、速度环和位置环的空载动态性能作逐级分析。对于速度环,采用变结构PI控制的方法加快响应速度,同时利用微分负反馈针对出现的超调;对于位置环,采用变结构P调节器加快响应速度,目标使系统响应快而准且无超调。在空载动态性能研究基础上,本文从转动惯量和负载转矩两方面对负载情况下动态性能进行了研究。文中分析了现有的几种转动惯量辨识方法,同时还对现有方法进行改进,给出了改进加减速法和改进二分法这两种简单有效的辨识方法,拓展了传统方法的适应范围。在转动惯量已辨识的基础上,文中还对负载转矩进行辨识,并将负载转矩补偿至电流环给定,使得系统外特性更硬,抗扰能力更强。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图、表清单
• 注释表
• 第一章 绪论
• 1.1 伺服系统概述
• 1.1.1 伺服系统的概念
• 1.1.2 伺服系统的发展历史
• 1.1.3 伺服系统的发展现状
• 1.1.4 伺服系统的发展趋势
• 1.2 永磁同步电动机介绍
• 1.2.1 永磁同步电动机的结构
• 1.2.2 永磁同步电动机的特点
• 1.2.3 永磁同步电动机数学模型
• 1.2.4 永磁同步电动机矢量控制策略
• 1.3 交流伺服系统的性能指标
• 1.3.1 速度伺服性能指标
• 1.3.2 位置伺服性能指标
• 1.4 本文的研究意义和内容
• 第二章 永磁交流伺服系统硬件平台
• 2.1 引言
• 2.2 以DSP 为核心的伺服驱动控制器
• 2.2.1 主控芯片
• 2.2.2 输入信号调理电路
• 2.2.3 输出信号调理电路
• 2.3 以MCU 为核心的人机界面
• 2.3.1 人机界面主控芯片
• 2.3.2 矩阵式键盘
• 2.3.3 液晶显示
• 2.3.4 EEPROM 模块及SPI 通讯
• 2.4 保护电路
• 2.5 本章小节
• 第三章 永磁交流伺服系统软件设计
• 3.1 引言
• 3.2 伺服驱动控制器软件设计
• 3.2.1 编程语言选择
• 3.2.2 软件总体结构
• 3.2.3 速度测算
• 3.3 人机界面软件设计
• 3.3.1 键盘扫描模块
• 3.3.2 液晶显示模块
• 3.3.3 SPI 通讯模块
• 3.4 本章小结
• 第四章 永磁交流伺服系统空载动态性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 电流环
• 4.2.1 电流环频域设计
• 4.2.2 电流环性能分析
• 4.3 速度环
• 4.3.1 PI 参数对速度环性能影响
• 4.3.2 改进PI 控制器
• 4.3.3 微分负反馈
• 4.3.4 速度环实验验证
• 4.4 位置环
• 4.5 本章小结
• 第五章 永磁交流伺服系统负载动态性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 转动惯量辨识
• 5.2.1 系统辨识的概念
• 5.2.2 转动惯量辨识常用方法
• 5.3 直接计算法和离线加减速法
• 5.4 离散模型参考自适应辨识
• 5.4.1 离散模型参考自适应辨识
• 5.4.2 离散模型参考自适应辨识仿真研究
• 5.4.3 离散模型参考自适应辨识实验研究
• 5.5 两种改进辨识法
• 5.5.1 基于加减速法改进辨识法
• 5.5.2 基于二分法改进辨识法
• 5.6 负载转矩辨识及补偿
• 5.6.1 负载转矩辨识仿真分析
• 5.6.2 负载转矩辨识实验分析
• 5.6.3 负载转矩补偿分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 在学期间所获荣誉