永磁交流伺服系统先进控制策略研究

随着国家重大专向“高档数控机床与基础制造技术”的实施，对永磁交流伺服系统的性能提出了愈来愈高的要求。本文首先通过对典型应用案例的分析，揭示了交流伺服系统对应用系统性能的影响，指出提高交流伺服系统性能的必要性。永磁交流伺服系统参数的正确整定对系统的性能影响极大，设计者和用户均难以实现这一目标。因此，如何实现参数的自整定是这一领域的研究热点问题。由于在多数应用系统中惯量会经常发生变化，且惯量变化对系统的动态性能影响很大，本文提出了一种转动惯量在线辨识方法，能够实现惯量变化的自动辨识。在此基础上，针对交流伺服控制器PI  参数自整定方法中，忽略了整定过程的周期性和所需的自学习能力，造成整定过程效率低、重复操作次数多、整定时间长问题,依据迭代学习控制，提出了一种交流伺服系统速度控制器PI  参数自整定控制方案，使控制器能够进行仿人操作，根据历史控制经验不断地改进学习增益。仿真和实验结果均验证了上述方法的有效性，且这些方法结构简单，易于实现，已在已研发的产业化项目中得到具体应用。用于伺服系统的永磁同步电机，一般具有较小的转动惯量，这有可能使得电机的机械时间常数要小于电磁时间常数。面对这样的机电时间常数的关系，电流环在动态过程中不能抑制速度环的扰动，电流的动态响应明显变差。对此本文加入一个反电动势补偿环节，以此来消除转速在动态过程中对电流环的影响。理论分析并结合仿真研究，对比有无补偿环节的性能，提高了动态响应，仿真结果验证了补偿措施的有效性。在永磁交流伺服系统中，电流环位于最内环，其环宽对整个系统（速度环/位置环）的环宽具有制约作用。因此，在不提高功率器件开关速度的前提下如何提高电流内环的宽度也是该领域的研究热点。本文深入分析了传统PWM  方式限制电流环宽度的原因，提出了新的改进型PWM  方式，在不提高开关频率的情况下，使电流环的带宽得到了显著提高，从而扩大了永磁交流伺服系统的频带，提高了动态响应，实验结果均验证了该方法的有效性。Abstract:  With  national  significant  expertise  to  the  "high-quality  CNC  machine  and  basic  manufacturing  technology",more  and  more  demands  are  made  for  performance  of  the  permanent  magnet  AC  servo  system.  In  this  paper,  through  the  analysis  of  typical  applications,  reveals  the  ac  servo  system  influence  on  the  performance  of  the  system  and  the  necessity  to  improve  servo  system  performance.Permanent  magnet  AC  servo  system  parameters  in  correct  setting  have  a  great  impact  on  system  performance.  It  is  difficult  to  achieve  this  goal  for  designers  and  users.  Therefore,  how  to  achieve  parameters  self-tuning  is  of  hot  issues  of  this  research  field.  In  most  applications  inertia  often  changes.  And  the  changes  of  inertia  have  a  great  influence  on  the  system  dynamic  performance.  A  novel  on-line  identification  method  of  inertia  is  put  forward,  and  it  can  achieve  automaticidentification  of  inertia  changes.  At  present,  most  methods  of  self-tuning  of  PI  controller  for  AC  Servo  drive  cause  variousproblems,  such  as  low  efficiency,  more  iterative  manipulation  and  more  setting  time,  due  to  ignoring  the  periodic  propertyand  the  necessary  self-study  ability  of  setting  process.  This  paper  presents  a  novel  self-tuning  of  PI  speed  controller  for  ACservo  drive  based  on  iterative  learning  control.  The  proposed  scheme  make  the  controller  improve  learning  gain  according  tohistorical  experiences  like  human  being.  The  feasibility  and  validity  of  the  proposed  scheme  has  been  verified  with  simulation  and  experimental  result  and  the  arithmetic  is  concise  and  apt  to  realize.  PMSM  used  in  servo  system,  generally  has  relatively  small  inertia,  which  could  make  the  electrical  mechanical  time  constant  less  than  electromagnetic  time  constant.  Face  with  such  relationship  between  mechanical  and  electrical  time  constant,  the  current  loop  in  a  dynamic  process  can  not  curb  the  disturbance  of  speed  loop,  and  dynamic  response  of  current  maybe  bad.  In  this  paper,  add  a  link  of  speed  compensation  in  order  to  eliminate  the  impact  of  speed  on  the  current  loop  in  dynamic  process.  Theoretical  analysis  and  combine  with  the  simulation  studying,  contrast  the  performance  with  and  without  the  compensation  link,  simulation  results  show  the  effectiveness  of  compensation  measures.In  permanent  magnet  AC  servo  system,  the  current  loop  located  in  the  inner  ring.  The  bandwidth  of  the  entire  system  is  restricted  by  current  loop  bandwidth.  Therefore,  how  to  expand  the  bandwidth  of  the  current  inner  loop  under  not  raising  power  device  switching  speed  condition  has  been  a  hot  research  topic.  Based  on  the  analysis  of  current  loop  bandwidth  restricted  conditions  using  traditional  PWM  style,  an  improved  version  of  PWM  mode  is  proposed.  Current  loop  bandwidth  has  been  significantly  improved  without  raising  switching  frequency.  Thus  increase  the  permanent  magnet  AC  servo  system  bandwidth  and  improve  the  dynamic  response.  Experimental  results  verify  the  effect  of  the  method.关键词：交流伺服系统；转动惯量在线辨识；参数自整定；迭代学习控制；动态响应Keywords:  AC  servo  system;  inertia  on-line  identification;  self-tuning;  iterative  learning  control;  dynamic  response