基于自抗扰控制技术的永磁交流伺服系统谐振抑制研究

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作为机器人、高档数控机床关键零部件之一的高性能伺服系统,目前的主流方案为采用永磁同步电机的交流伺服系统,其在电力驱动领域扮演越来越重要的角色。当考虑永磁交流伺服系统中传动装置的弹性因素时,应将电机、传动轴及负载考虑为双惯量系统。在双惯量系统中,当不断拓展的伺服系统带宽与系统固有机械谐振频率重叠时,将引发机械谐振现象。针对机械谐振带来的危害,本文主要对基于ADRC(Active Disturbance Rejection Control)转速环控制器的主动抑制方法与基于陷波滤波器的被动抑制方法相结合的谐振抑制策略展开分析与研究。论文首先介绍了自抗扰控制原理及结构,针对单惯量伺服系统设计了ADRC转速环控制器,并对不同控制器下的稳定性及频域特性进行分析,为双惯量系统中的自抗扰控制技术、谐振抑制奠定基础。针对传动装置刚度较小的永磁交流伺服系统,论文进行了双惯量系统的建模,详细分析双惯量模型特性及机械谐振机理,并根据谐振频率与系统极限带宽的相对位置关系归纳出三类谐振现象,针对谐振现象的抑制设计了传统PI控制器及陷波滤波器。为了提高系统整体性能,论文针对永磁交流伺服系统双惯量模型,设计ADRC转速环控制器,对加入自抗扰控制器改造后的系统进行频域分析。各章节均通过仿真验证了各控制器的谐振抑制效果。为了验证理论和仿真成果,搭建以DSP+FPGA为核心控制器方案的数字化永磁交流伺服系统平台,在联轴器刚度较小的谐振实验平台上,分别做了PI控制器、自抗扰控制器,以及各自加入陷波滤波器前后的对比试验。试验结果表明,基于ADRC转速环控制器的主动抑制方法与基于陷波滤波器的被动抑制方法相结合的谐振抑制策略,在保证系统动态性能的同时,对谐振现象起到良好的抑制效果。
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