基于扩展卡尔曼滤波的交流伺服系统低速性能的研究

论文摘要

近年来,随着微电子和控制技术的快速发展,交流伺服系统在工厂自动化、数控加工以及机器人等领域有着广泛的应用。在交流伺服系统中,电机的性能,尤其是低速运行时的性能在很大程度上决定了整个系统性能的好坏,因此,对低速时电机性能的研究显得尤为重要。本文在实验室实验平台的基础上,对交流伺服系统进行了实验和调试,发现问题,并在提高系统低速性能方面进行了理论和仿真研究。首先,本文列出了选题的背景和意义,对交流伺服系统的发展情况进行了总结,并重点研究了低速交流伺服系统的状况,在其基础上,提出了运用扩展卡尔曼滤波算法来解决系统低速时检测精度不高的问题。其次,对本实验中交流伺服系统的结构组成进行了详细介绍,并从工作原理、系统参数等方面对系统的主要部件做了重点说明。而且,对交流伺服系统中重要的执行元件——永磁同步电机,进行了介绍,在介绍电机结构和工作原理的基础上,建立了电机的数学模型,对影响电机电磁转矩的因素进行了分析,最终将对电机转矩的控制转化为对电机电流的控制,并将电机矢量控制技术中重要的坐标系变换理论进行了详细说明。然后,在PMAC的执行软件PEWIN32PRO的基础上,对系统的响应性能进行实验,重点调整了系统的PID参数和系统的动态性能。在系统性能调整良好以后,对系统作了大量的实验研究,从实验结果看出,高速时系统速度具有很好的响应性能,低速时速度响应较差,表现为速度有较大的波动,电机轴端的飞轮有明显的爬行现象。最后,本课题把扩展卡尔曼滤波(EKF)技术应用于系统的低速控制,完成系统低速状态下电机转速的估计。在Matlab的Simulink环境下对加入EKF的交流伺服系统进行了仿真,结果表明,采用EKF技术进行低速的辅助检测可以提高系统的转速跟踪性能,该方法有实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的背景及意义
• 1.2 交流伺服系统的发展状况
• 1.3 交流伺服系统中低速性能的研究状况
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 交流伺服系统的结构与组成
• 2.1 系统的组成
• 2.2 主要部件
• 2.2.1 工业控制计算机
• 2.2.2 PMAC运动控制卡
• 2.2.3 交流伺服电机及驱动器
• 2.2.4 双端口RAM（DPRAM）
• 2.2.5 接口板
• 第3章 永磁同步电机及控制技术
• 3.1 交流伺服电机的优点
• 3.2 永磁同步电机的结构
• 3.3 永磁同步电机的工作原理
• 3.4 永磁同步电机的数学模型
• 3.4.1 数学模型的建立
• 3.4.2 电机的电磁转矩的分析
• 3.5 矢量控制技术
• 3.5.1 矢量控制的变换原理
• 3.5.2 坐标系变换
• 第4章 实验平台的研究与调试
• 4.1 PEWIN32 PRO软件
• 4.1.1 PEWIN32 PRO的功能及操作界面
• 4.1.2 PEWIN32 PRO的指令及变量说明
• 4.2 系统基于PEWIN32 PRO的控制参数调节
• 4.2.1 PID参数整定
• 4.2.2 动态特性的调节
• 4.3 电机低转速的现象及分析
• 4.3.1 电机在低速时的实验现象
• 4.3.2 影响电机低速性能的因素分析
• 第5章 卡尔曼滤波
• 5.1 卡尔曼滤波算法的发展
• 5.2 卡尔曼滤波算法的原理
• 5.3 卡尔曼滤波的应用
• 5.3.1 雷达
• 5.3.2 汽车导航
• 5.3.3 建筑物变形监测
• 5.3.4 计算机图像处理
• 5.3.5 控制工程
• 第6章 本系统中电机低转速时性能的改进策略研究
• 6.1 扩展卡尔曼滤波在PMSM低速控制中的应用
• 6.2 Matlab中Simulink的简介
• 6.3 基于扩展卡尔曼滤波器的系统仿真结构图
• 6.4 运用扩展卡尔曼滤波器的系统仿真
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢