低速大转矩直驱式永磁同步伺服系统控制技术研究

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低速大转矩直驱式永磁同步伺服驱动系统采用低速大转矩永磁同步电机直接驱动负载,消除了中间机械传动机构,具有结构紧凑,传动效率高,动态响应快,噪声低等优点,使得低速大转矩直驱式永磁同步电机在数控机床、机械加工及柔性制造等领域中有着广泛的应用前景。本文围绕低速大转矩直驱式永磁同步伺服系统,对转矩脉动抑制技术、抗扰动技术及电流动态解耦技术进行了深入研究。  由于受转子磁场谐波、逆变器非线性特性等因素的影响,永磁同步电机定子电流中含有大量的高次谐波分量,导致电机转矩中存在着脉动,特别在直驱系统中,转矩脉动更为严重。为解决该问题,根据谐振控制器可以对交流信号实现零稳态误差控制的特点,提出两种基于谐振控制器的转矩脉动抑制方法,有效地减小了定子电流中的谐波分量,实现了对转矩脉动的抑制。仿真与实验结果证明了两种所提方法的正确性和有效性。  为提高低速大转矩直驱式永磁同步电机的抗扰动能力,同时减小采用传统PI速度控制器控制时转速的超调量,设计了一种新型速度控制器,提出了一种新型速度反馈补偿抗扰动控制方法。在此基础上,针对负载转矩和电机参数变化等扰动因素对系统控制性能的影响,将这些扰动都视为负载扰动,设计了负载扰动观测器,提出了基于负载扰动观测器的新型速度反馈补偿抗扰动控制方法。仿真与实验结果表明,所提出的新型速度反馈补偿抗扰动控制方法增强了系统的抗扰动能力,同时还有效减小了转速的超调,提高了转速的跟随性能;设计的负载扰动观测器能够有效地对负载扰动转矩进行观测;采用的负载转矩前馈控制方法进一步提高了系统的抗扰动能力,验证了所提基于负载扰动观测器的新型速度反馈补偿抗扰动控制方法的正确性和有效性。  低速大转矩直驱式永磁同步电机采用矢量控制,仅实现了d、q轴电流间的静态解耦,而动态耦合关系依然存在,使系统的动态性能受到严重影响。针对该问题,提出一种基于扰动观测器的解耦控制方法,将电流耦合、电机参数变化等引起的电压误差都视为扰动,通过扰动观测器对其进行观测,并将观测值作为补偿信号对电流环PI控制器的输出电压进行补偿。仿真与实验结果表明,该方法不仅有效实现了d、q轴电流间的解耦,提高了系统的动态性能,还使系统对电机参数变化有较强的鲁棒性。
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