一种基于准PR电流矢量控制策略的可重构交流伺服驱动系统研究与设计

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交流永磁同步伺服电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)在交流伺服系统的应用中,相比于其它类型电机,具有一定优势。其保证了简单的结构,相对轻小的体积,与此同时保证了较高的工作效率及功率因数等。据调研,永磁同步电动机已经在工业机器人领域获得广泛应用,并逐步积累设计和运行经验。2017年中下旬,国家重点研发计划启动实施“智能机器人”重点专项。以永磁同步电机为驱动电机的系列化工业机器人专用伺服系统的应用逐步成为研究热点。然而转子位置跟踪精度、转矩脉动以及系统的稳定程度直接影响伺服控制系统的性能。针对这些研究难点,本文提出了一种基于准PR电流矢量控制策略的可重构交流伺服驱动系统,提高永磁同步电机伺服系统的控制精度。
  在伺服控制策略中,大多研究采用了旋转坐标系下永磁同步电机的数学模型。然而,在旋转坐标系下的永磁同步电机模型在运行控制算法时的计算量显然要比在静止坐标系下永磁同步电机的坐标的计算量要大。这就影响了系统的动态响应。为了解决这个问题,本文首先推导了PMSM在α-β静止坐标系下的数学模型,分析并研究了结合PR控制器的电流矢量控制策略。在此基础上,于静止坐标系下设计了电流环PR控制器。针对伺服系统控制在电流解耦困难,电流畸变率大,转矩脉动等问题,采用内模的方法,对PR控制器进行了改进,设计了准PR控制器,并搭建了Matlab/Simulink仿真模型进行了分析验证。
  接下来,针对交流永磁同步电机速度环和位置环,分别进行了速度环PI控制器设计和位置环P控制器设计。并且本文最终实现了三环的闭环控制,完成了交流伺服控制系统的控制策略设计。
  基于本文的控制策略,本文针对于不同负载的要求,根据电流、转矩、速度、位置等不同控制模式,对传统的伺服控制系统的控制器及驱动器部分进行了可重构化分析。并通过分析出的可重构化方法,对传统的伺服控制系统进行了可重构设计。这使得伺服系统的应用更加灵活,更具效率。
  最后,本文利用半实物仿真的方法验证了基于准PR电流矢量控制策略的可重构交流伺服驱动系统的可行性和优越性。
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