表贴式永磁伺服电机改进型自抗扰控制及参数整定研究

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作为智能机器人、高效包装机、高端数控机床等设备所用伺服调速系统的核心部分之一,高性能控制策略及参数智能整定的研究存在不足。因此,本文对表贴式永磁同步电机(Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor,SPMSM)的调速控制策略进行研究。由于SPMSM非线性且时变、多变量且强耦合的性质,伺服调速系统单纯依靠PID控制器难以满足强鲁棒性的需求。此外,伺服系统的调速性能与控制器设计及参数整定有着密切的关系,为实现高性能控制需要设计优异的控制器且整定控制器参数。同时,为了适应不同运行条件和应用场景,要求伺服调速系统具备参数自整定的能力。针对SPMSM伺服调速系统在内部参数摄动和外部扰动下超调性、响应速度特性和准确性等问题,本文设计了以TMS320F28335为核心的驱动控制系统,结合改进型线性自抗扰控制器(LADRC)和NSGA-Ⅱ算法对矢量控制进行改进,并搭建物理实验平台以验证所提方案的有效性。研究内容具体如下:(1)介绍了永磁同步电机伺服调速控制策略的国内外研究现状,重点概况了自抗扰控制器(ADRC)在矢量控制下应用。分析了SPMSM数学模型及传递函数,对矢量控制进行了理论推导。对电流环和转速环从频域上进行参数设计,详细介绍了SVPWM的实现过程。此外,搭建了SPMSM伺服调速系统的仿真模型。(2)针对内部参数摄动和负载突变等扰动问题,在前述仿真基础上从三个方面提出了SPMSM伺服调速系统的控制方案(简写为LADRC+SMLTO)。首先,设计了一种新型滑模负载转矩观测器(SMLTO)并运用李雅普诺夫函数进行了稳定性分析。其次,将转速环PI控制替换为改进型线性自抗扰控制,并将SMLTO的负载扰动估计值作为LADRC的补偿控制输入,从而实现转速环的扰动补偿控制。最后,利用转速估计误差和转矩脉动量分别设计了d-q轴补偿因子并结合SMLTO负载扰动估计值作为电流环的补偿控制输入,由此进行实时的前馈补偿控制。同时,将所提出的LADRC+SMLTO与PI+SMLTO、LADRC从转速性能、转矩性能、抗扰性能、准确性和参数摄动五个方面进行了对比分析。结果表明,LADRC+SMLTO具有较快的响应速度、较好的平稳性和较强的抵抗扰动能力。(3)基于上述研究,运用综合评价法从SPMSM伺服调速系统的快速性、平稳性、准确性和超调性四个方面建立多级评价指标体系,进而提出了一种多目标性能指标函数。同时,通过带宽简化参数的整定和运用频率特性限定参数的搜索区间。在LADRC+SMLTO的仿真模型下运用NSGA-Ⅱ算法对控制参数进行了整定与优化,进而实现了SPMSM伺服调速系统较优的控制性能。结果表明,NSGA-Ⅱ算法相较于整定前、人工整定与GA算法不仅提高了整定效率,而且整定后的结果更为客观且全面。最后,利用TMS320F28335和MATLAB/GUI对LADRC+SMLTO进行了物理实验平台的搭建,并通过空载和负载扰动实验对上述仿真结果进行了一致性验证。实验结果表明,在负载扰动下LADRC+SMLTO转速超调为13.9%,与LADRC和PI+SMLTO相比分别减少了32.52%和44.18%。LADRC+SMLTO再次恢复平衡用时0.015 s,与LADRC和PI+SMLTO相比分别缩短了91.80%和94.73%。
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