高精度永磁直线同步电动机的二自由度鲁棒跟踪控制研究

论文摘要

本文以国家自然科学基金项目“永磁直线交流电机驱动的高精度微进给伺服系统的研究（59875061）”为背景,以现代高档数控机床用永磁直线同步电动机（PMLSM）伺服系统为研究对象,针对这种直线电机直接驱动的特点,以及数控机床对高精度的伺服系统鲁棒性和跟踪性能双重高要求,传统的单自由度控制器很难在抗扰性和跟踪性之间取得双赢,因此本文所用的方案是:在控制系统总体构建上,以反馈控制为基础,结合前馈控制,设计了一个新颖的二自由度控制器以确保控制系统的鲁棒性、高精度高速度的定位与轨迹跟踪性能。二自由度控制系统是分别设计鲁棒反馈控制器和前馈控制器,鲁棒反馈控制器主要是确保系统的稳定性和强健的抗扰能力,鲁棒前馈控制器主要是解决系统输出的跟踪能力问题。二自由度控制设计,可以分别独立设计与调整控制器使系统的抗扰能力和跟踪性能都达到最佳状态。鲁棒反馈控制器结构包括:速度回路中的扰动观测器、速度P控制器（或PI控制器）、位置回路中的PD位置控制器与重复控制器。鲁棒前馈控制器是采用了零相位误差跟踪控制器（ZPETC）。设计各种控制器的出发点是根据被控对象与控制器的特点,外界对系统扰动形式以及数控机床进给系统对伺服驱动的要求。针对PMLSM本身的参数不确定性以及包括摩擦在内的各种非线性扰动影响,本文提出了在速度回路中设计扰动观测器,目的是消除或削弱各种扰动的不良影响。为了确保系统实现渐近稳定过程,在位置回路中采用PD位置控制器的形式。PMLSM存在特有的端部效应而引起附加的周期性推力扰动,在扰动观测器已削弱了这种周期扰动的基础上,在此,有针对性地提出在位置回路中增设一个重复控制器来抑制这种周期性扰动,解决了端部效应所引起的推力周期性波动问题。为了提升高速反应、高精度的定位及对轨迹的跟踪性能,在整个的闭环反馈控制系统前面,采用ZPETC作为前馈控制器的控制方案。ZPETC与反馈回路中的鲁棒控制器结构相结合,在控制总体框架下,构成了一个新颖的二自由度控制系统,这就很好地解决了扰动抑制能力与跟踪性能之间的矛盾,为控制器设计提供了很大的灵活性。为解决ZPETC的跟踪性能易受系统参数变化影响的缺点,提出了变增益ZPETC,以有效地克服建模误差与参数变化的影响,从而提高了ZPETC本身的参数鲁棒性。为克服ZPETC在补偿相位误差的同时所引起的自身增益损失,进一步改善跟踪性能,提出了L2最优ZPETC,通过选取适当的目标函数,利用L2范数优化设计数字前置滤波器,将此滤波器和ZPETC串联成新的前馈控制器来提高前馈增益,进一步提高了跟踪精度。本文通过仿真和实验研究,验证了所采用的基本理论和提出的控制方法是行之有效的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景、目的和意义
• 1.2 永磁直线同步电动机及控制方法综述
• 1.2.1 直线电动机及其在数控加工中的应用
• 1.2.2 永磁直线同步电动机直接驱动方式的特点
• 1.2.3 永磁直线同步电动机的一般控制方法
• 1.3 在数控机床中永磁直线同步电动机现行的控制方法及存在问题
• 1.4 论文的主要内容
• 第二章 永磁直线同步电动机的数学模型及其矢量控制
• 2.1 永磁直线同步电动机的基本结构及工作原理
• 2.2 永磁直线同步电动机的数学模型
• 2.2.1 永磁直线同步电动机的d-q轴模型和推力表达式
• 2.2.2 永磁直线同步电动机的空间矢量方程
• 2.2.3 永磁直线同步电动机的状态空间方程
• 2.3 永磁直线同步电动机的矢量控制系统
• 2.3.1 矢量控制的思想与对实际存在问题的处理
• 2.3.2 永磁直线同步电动机的矢量控制系统
• 2.4 永磁直线同步电动机伺服系统中的不确定性分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 PMLSM系统的鲁棒反馈控制
• 3.1 电气子系统控制器设计
• 3.1.1 电气子系统的动态方程
• 3.1.2 电气子系统中电流控制器的设计
• 3.2 机械子系统的鲁棒反馈控制
• 3.2.1 扰动观测器的设计
• 3.2.2 速度控制器的设计
• 3.2.3 位置控制器的设计
• 3.3 位置回路中重复控制器的设计
• 3.3.1 重复控制基本原理
• 3.3.2 重复控制系统的稳定性
• 3.3.3 重复控制系统的设计方法
• 3.3.4 重复控制器的设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 PMLSM系统的零相位误差跟踪控制
• 4.1 前馈控制
• 4.1.1 前馈控制对轮廓加工精度的影响
• 4.1.2 速度误差对加工精度的影响
• 4.1.3 频率特性对加工精度的影响
• 4.1.4 加工拐角误差的讨论
• 4.2 零相位误差跟踪控制
• 4.3 零相位误差跟踪控制器的设计
• 4.4 变增益零相位误差跟踪控制
• 2最优零相位误差跟踪控制'>4.5 L₂最优零相位误差跟踪控制
• 4.6 本章小结
• 第五章 PMLSM系统仿真分析与研究
• 5.1 电气子系统中的电流调节器的仿真研究
• 5.2 关于端部效应引起的推力纹波与摩擦扰动的仿真
• 5.2.1 考虑端部效应后的PMLSM系统的仿真数学模型
• 5.2.2 静态摩擦力模型及其仿真研究
• 5.2.3 关于PMLSM模型的仿真
• 5.3 速度回路中的扰动观测器仿真研究
• 5.4 速度回路与位置回路的控制器的仿真
• 5.4.1 位置阶跃响应的仿真
• 5.4.2 对正弦波位置输入信号的跟踪性能仿真
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于DSP的PMLSM系统实验研究
• 6.1 概述
• 6.2 关于PMLSM系统的加载实现问题
• 6.3 PMLSM伺服装置的实验系统描述
• 6.4 PMLSM伺服系统二自由度控制的实验研究
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢