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随着控制理论、电子技术、机械制造技术及相关领域的发展,高精度运动控制广泛地用于工业机器人、超精密机床和精密光电跟踪系统等设备中。而永磁同步电动机(PMSM)因其具有体积小、可靠性高、伺服性能优良等特点,在高精度运动控制系统中得到了广泛的应用。
对于有高跟踪精度和运动平稳性要求的伺服系统控制而言,扰动和摩擦的存在是提高系统性能的障碍。扰动的存在使得系统性能变差甚至不稳定。而非线性摩擦对系统的动态及静态性能的影响很大,主要表现为低速时的爬行现象、速度过零时的波形畸变现象、稳态时有较大的静差,甚至出现不期望的极限环振荡。因此,针对扰动和摩擦的特点,深入分析扰动和摩擦对控制系统性能的影响并加以消除,对性能的提高会起到积极的作用。
本文对永磁同步电机伺服系统的高精度位置控制问题展开了研究。从改善系统低速性能和提高抗干扰能力角度,研究了扰动和摩擦对伺服系统的影响并设计了两种基于扰动和摩擦补偿的复合控制方法。一是设计了基于摩擦模型和扰动观测器的扰动和摩擦补偿复合控制方法。首先在分析永磁同步电机伺服系统模型的基础上,利用Stribeck摩擦模型对系统摩擦进行建模,应用最小二乘算法和遗传算法分别离线辨识其参数,并利用辨识模型产生的估计值进行前馈补偿;其次扰动观测器观测出摩擦的过补偿或欠补偿、系统中建模误差带来的不确定性和外界扰动,并用此观测值进行进一步前馈补偿;最后为了得到更快速的收敛性和更好的抗干扰能力,针对反馈控制器应用了有限时间控制技术。仿真结果表明,提出的方法降低了摩擦非线性对伺服系统低速性能的影响,提高了系统的跟踪精度和抗扰动能力。
针对前述控制方法中扰动观测器对系统模型的强依赖性问题,本文提出了基于摩擦模型和自抗扰控制技术的扰动和摩擦补偿复合控制方法。仿真结果证明了该方法的有效性。