交流永磁电机伺服系统复合自抗扰控制策略研究

【摘要】随着永磁材料性能的不断提高和完善以及电力电子元件的进一步发展和改进,稀土永磁电机伺服系统的开发和应用已经进入一个新阶段。交流永磁电机伺服系统在军民两用装备及生产领域应用广泛,同时军用装备、印刷机械、数控机床、民用自动生产线等领域也对伺服系统中的动态响应速度、位置跟踪精度、抗扰动能力以及稳态误差等关键性能提出了更高的要求,运用新型的现代控制理论与工程技术相结合,来提高交流伺服电机系统的控制性能有着重要的学术研究意义和实际应用价值。现代控制理论已经历了60多年的发展,而自抗扰控制技术(ADRC)作为一类非线性控制技术尽管才历时20多年的进步,但对于交流永磁伺服电机这类非线性、强耦合、参数时变的系统来说,相比于PID控制系统,ADRC能够更好的满足伺服系统高性能的需要,实现良好的控制性能。自抗扰控制器结构严谨,易于数字化实现,从理论发展的初期就能很好的与电机控制技术相结合。因此,本文以项目需求为背景,以自主研制的1.82kW.11.3kW和17.3kW三种规格的交流永磁同步电动机作为控制对象,搭建了实际的高性能控制实验平台,提出了复合自抗扰的非线性控制优化算法,使得ADRC技术能够更好的在新型高性能交流永磁伺服电机系统产品中应用。本文的主要工作及创新性成果有：1、首先介绍了课题的研究背景和意义,对交流伺服技术的发展趋势进行了综述,重点介绍了PID与自抗扰控制、滑模变结构控制、模糊与自适应控制、复合控制作为交流永磁伺服电机驱动控制策略在实际中的应用及控制中存在的关键技术问题。其次,建立了电机的数学模型及采用矢量控制的基本方法,并研究了传统PID控制与自抗扰控制在实际伺服电机交流调速系统中的应用,通过仿真及实验的对比,进一步验证了ADRC控制技术作为一类新型的非线性PID控制算法在交流伺服调速系统中的具有更好的调速稳定性能,提高了整体系统的鲁棒性。2、将滑模控制与自抗扰控制技术相结合,提出了滑模自抗扰(SM-ADRC)复合控制策略来提高交流永磁伺服电机控制系统的变频调速性能。首先,对于非线性扩张状态观测器(ESO)和非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)参数运用滑模变结构算法解决参数整定的问题,对于跟踪微分器(TD)采用了最速离散函数,设计出速度电流环的二阶滑模自抗扰控制器,以增强系统的抗扰动的能力,并对直轴电流输出方程进行分析,提出了一种新的电流环滑模自抗扰控制方案,经仿真和实验验证,相比于典型的ADRC调速系统,改进后的SM-ADRC速度控制系统具有更优良的控制性能,提高了伺服电机变频调速系统的动静态性能和鲁棒性,验证了改进算法的有效性。3、针对交流永磁伺服电机位置控制系统,以转子位置信号作为二阶自抗扰控制器的反馈信号,结合该自抗扰控制器中ESO的各阶状态变量估计与TD产生的各阶微分之间的误差,运用模糊控制理论对NLSEF的参数进行整定调节,最终对总扰动进行补偿,实现交流永磁伺服电机系统位置环的模糊自抗扰控制(Fuzzy-ADRC)高精度控制。经仿真和实验验证,改进后的Fuzzy-ADRC系统与典型ADRC系统相比较,具有更好的控制效果,为ADRC的参数优化提供一条新的路径,实验结果验证了改进算法的正确性。4、为减轻ADRC的ESO估计扰动并进行补偿的负担,用控制系统的模型补偿部分对负载扰动及转动惯量进行辨识,得到了具有实际补偿价值的扰动模型并引入到线性扩张状态观测器(LESO),并采用离散最速反馈控制函数(fhan函数)解决NLSEF参数优化的问题,优化了系统的控制结构,使得系统动态响应能力增强,速度控制系统稳态性能更好。通过仿真和实验的验证,模型补偿优化ADRC控制策略用于速度驱动系统具有更快速的动态响应能力、转矩脉动更小、对负载及系统内部参数变化具有很强的抗扰动能力,为该控制技术能够运用到高性能伺服调速控制领域奠定了良好的基础。5、本文搭建了1.82kW、11.3kW和17.3kW三种规格的交流永磁伺服电机高性能控制实验平台,将所研究的SM-ADRC、Fuzzy-ADRC以及模型补偿优化ADRC等复合自抗扰控制策略分别在三种规格的伺服控制系统中完成实际的加载和控制响应实验,并用相关仪器记录了调试系统的数据,对于典型的ADRC系统与复合ADRC系统进行对比验证,以实验结果来验证相关分析的正确性。
【作者】黄庆；
【导师】黄守道；
【作者基本信息】湖南大学，电气工程，2014，博士
【关键词】交流伺服系统；交流永磁同步电机；自抗扰控制；滑模控制；模糊控制；模型补偿；参数优化；

【参考文献】
[1]刘雷艮.静电纺聚砜纤维膜的改性处理及对染料的过滤性能研究[D].苏州大学,纺织材料与纺织品设计,2013,博士.
[2]聂珣炜.西太平洋暖池淡水池的盐度收支[D].中国科学院研究生院（海洋研究所）,物理海洋学（专业学位）,2013,硕士.
[3]孟杰毅.筒仓式堆场煤炭码头配煤生产策略研究[D].武汉理工大学,物流技术与装备,2013,硕士.
[4]江道灼,王威,李电.双向潮流固态限流器的控制策略与试验[J].电力系统自动化,2006,09:69-75.
[5]陆芳.CFP-10和ESAT-6检测对结核性脑、胸膜炎早期诊断意义的研究[D].宁波大学,内科学,2013,硕士.
[6]鲁易.《等待戈多》与中国戏剧之剧场身体的流变[D].华东师范大学,比较文学与世界文学,2013,硕士.
[7]王颖.基于资源共享的非金融类衍生品的盈利模式研究[D].郑州大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[8]张雨豪.基于Split Mapping的结构变异检测方法的模拟环境的研究和开发[D].哈尔滨工业大学,计算机科学与技术,2013,硕士.
[9]栾颖慧.新世纪以来婚姻题材畅销小说的故事模式研究[D].内蒙古师范大学,中国现当代文学,2012,硕士.
[10]钱富才,黄姣茹,秦新强.基于鲁棒优化的系统辨识算法研究[J].自动化学报,2014,05:988-993.
[11]邱玉良.含TCSC的电网运行风险评估和优化调度模型研究[D].重庆大学,电气工程,2014,硕士.
[12]郭伟刚,宋亦兵,骆懿玲.电子商务网站的用户访问模式挖掘[J].微电子学与计算机,2005,05:170-174.
[13]杨凝.认知视阈下《围城》的概念隐喻及其英译研究[D].浙江财经学院,英语语言文学,2012,硕士.
[14]王凯.基于碳纳米管薄膜的传感器件制备及其气体敏感特性研究[D].中国石油大学（华东）,2013.
[15]廖芬.赤霉素、多效唑对甘蔗茎尖分生组织的解剖效应及与蔗茎增粗的关系[D].广西大学,作物栽培学与耕作学,2004,硕士.
[16]肖艳华.几种安培型生物胺传感器的研究[D].湖南师范大学,分析化学,2013,硕士.
[17]陆梅.《红楼梦》人物描写及其翻译中的隐含的语用分析[D].广西大学,外国语言学及应用语言学,2004,硕士.
[18]赵磊.脉冲—相位式激光测距系统关键技术研究[D].西安工业大学,通信与信息系统,2014,硕士.
[19]钟飞.四川景点导游词翻译实践报告[D].曲阜师范大学,翻译（专业学位）,2013,硕士.
[20]张光亚.骨桥蛋白对肝癌细胞侵袭的影响及其机制研究[D].第四军医大学,外科学（专业学位）,2014,硕士.
[21]汪开远.寻的制导系统对相位噪声的要求[J].宇航计测技术.1992(05)
[22]谭佩儒.模拟演练法在中职商务专业教学中的应用研究[D].广东技术师范学院,职业技术教育学,2014,硕士.
[23]来文辉.胆汁酸、β-catenin蛋白及MUC6与胃底腺息肉和增生性息肉关系的研究[D].河北医科大学,内科学,2013,硕士.
[24]魏明君.赤峰市绿色物流系统评价研究[D].吉林大学,交通运输工程,2012,硕士.
[25]贾晓清.发展中国家童工问题研究[D].武汉科技大学,社会保障,2012,硕士.
[26]祁明衡.范希尔理论下的初中生几何思维水平现状研究[D].首都师范大学,学科教学,2013,硕士.
[27]张红娟.武汉城市道路绿地景观现状分析及规划设计研究[D].武汉大学,2004.
[28]张良.基于J2ME的手机支付研究与设计[D].大连理工大学,计算机技术（专业学位）,2013,硕士.
[29]周田,陈炳地,姚爱华,王德平.CdS/石墨烯纳米复合材料的超声化学法制备及光催化性能[J].无机化学学报,2013,02:231-236.
[30]肖世妙.福建省农业机械购置补贴政策研究[D].华侨大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[31]王召林.三辊斜轧空心减径过程工艺参数研究[D].太原科技大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[32]李锦波.EVA的交联与晶体硅太阳能电池组件封装问题的研究[D].复旦大学,化学工程,2012,硕士.
[33]金梅.网络爬虫性能提升与功能拓展的研究与实现[D].吉林大学,软件工程,2012,硕士.
[34]戴芳芳.外资双重身份进入我国证券市场的立法完善[D].宁波大学,经济法学,2013,硕士.
[35]范方政.软件测试技术与缺陷跟踪管理的应用研究[D].吉林大学,计算机科学与技术,2014,硕士.
[36]范笑仙,姜华,朱文志,方水凤,李伟燕,尚晓晓.2012年全国高等学校教育科研论文统计分析——基于14家高等教育类中文核心期刊的发文统计[J].中国高教研究,2013,04:5-10.
[37]李晓辰.我国村镇银行发展对策研究[D].东北农业大学,金融学,2013,硕士.
[38]孙凯.夹芯板冷弯薄钢组合墙体和组合墙体—钢框架抗剪性能研究[D].长安大学,结构工程,2013,硕士.
[39]袁牡丹.云南省省级财政专项资金管理问题研究[D].云南财经大学,财政学,2014,硕士.
[40]曾梦.基于MODIS数据的重庆市热岛时空演变及机制研究[D].西南大学,土壤学,2014,硕士.
[41]汪文.碳材料/聚合物超疏水复合材料的制备[D].浙江大学,2014.
[42]李甲林.农村扶贫开发的困境与对策研究[D].湖南师范大学,行政管理,2013,硕士.
[43]齐木格（EnkhchimegLkhagvasuren）.中蒙两国上市公司公司治理结构的比较研究[D].哈尔滨工业大学,会计学,2014,硕士.
[44]吴梦青.客户关系视角下的A公司中间件产品协同营销策略研究[D].上海外国语大学,工商管理,2013,硕士.
[45]李斐.1962-1980年新疆知识青年上山下乡运动研究[D].西北师范大学,中国近现代史,2014,硕士.
[46]陈海霞.通过班主任工作改善中职生行为习惯的行动研究[D].内蒙古师范大学,教育管理（专业学位）,2013,硕士.
[47]郭燕鸿.聚氨酯型反应性表面活性剂的合成及性能研究[D].中北大学,高分子化学与物理,2013,硕士.
[48]沈小军,江秀臣,曾奕,程养春.谐波电场法带电检测直流绝缘子[J].电力系统自动化,2005,15:63-67.
[49]冯毛弟.FMS与等速力量测试在国家蹦床运动员预防损伤中的应用[D].北京体育大学,体育教育训练学,2013,硕士.
[50]李美玲.镁铝尖晶石等材料物性的理论研究[D].东北大学　,2009.