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永磁交流伺服电机模型有哪几种控制策略

永磁交流伺服电机模型是什么?
永磁交流伺服电机模型有哪几种控制策略?

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俞丽

2021-9-27 09:51:31
  永磁交流伺服电机模型是强耦合,时变的非线性系统。优良的控制策略不但可以弥补硬件设计方面的不足,通过控制策略可以进一步提高系统的性能,不但使系统具有快速的动态响应和高的动、静态精度,而且系统要对参数的变化和扰动具有不敏感性。
  控制策略有:
  1.(传统控制策略)转速开环恒压频比控制、经典PID控制、磁场定向控制(矢量控制)
  2.(现代控制策略)直接转矩控制、滑膜变结构控制、自适应控制、非线性反馈线性化控制
  3.(智能控制策略)模糊控制、神经网络控制、专家系统控制、鲁棒性控制、遗传算法控制
  1.传统控制策略
  1.1 转速开环恒压频比控制
  带定子压降补偿的恒压频比控制保证了同步电机气隙磁通恒定,调节频率给定实现同
  步改变电机的转速。此控制策略为开环控制,只控制电机气隙磁通,不能调节转距,容易产生转子振荡和失步等问题。
  1.2 经典PID控制
  PID控制器是利用比例、积分、微分对系统的误差进行计算得出控制量从而对被控对象进行控制。PID控制器是目前应用最为广泛的调节器,具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调节方便等优点,但三环PID调节控制方式仍然存在问题,如调节器参数整定反诉且误差较大,对系统模型及参数的依赖性较强等。
  1.3 磁场定向控制(矢量控制)
  矢量控制是建立在被控对象准确的数学模型上,使交流电机控制由外部宏观稳态控制深入到电机内部电磁过程的瞬态控制,矢量控制是通过坐标变换将交流电机内部复杂耦合非线性变量变换为相对坐标系为静止的直流变量(电流、磁链、电压等),实现近似解耦控制,并从中找到约束条件,获得某一目标的最佳控制策略,I_d=0控制是矢量控制的一种特定的控制策略,在转子坐标系内实现永磁同步电机交直轴电流解耦,由于I_d、I_q双电流闭环的存在,使电机I_q电流动态跟随系统力矩给定(T_e=K_t I_q,k_t为电机力矩系数),实现电机电磁力矩控制。该控制策略使电机系统具有较好的输出力矩线性度,并可获得最大线性转矩。同时由于全部电流均用来产生电磁力矩,可以充分利用电机过载能力,提高电机启、制动速度等性能。
  2.现代控制策略
  传统控制策略多用于被控对象模型确定、不变化且为线性、以及操作条件,运行环境确定不变的条件下,而在高性能要求的场合下,必须考虑各种非线性的影响,对象的结构与参数变化、运行环境的改变以及环境干扰等时变和不确定因素,从而产生了现代控制策略。
  2.1 直接转矩控制
  其控制策略是基于被控对象精确的数学模型,但与矢量控制不同,它直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,无需复杂的坐标变换,采用定子磁场定向,无需解耦电流,转矩和磁链都采用直接反馈的双式砰砰控制,避免将定子电流分解成转矩和励磁分量,直接对逆变器的开关状态进行最佳控制,着眼于转矩的快速响应,以获得转矩的高动态性能。直接转矩控制采用磁链滞环,电机转矩存在脉动,直接影响电机运行的平稳性。直接转矩控制需要观测磁链和转矩,低速情况下准确性很差,致使电机低速运行性能差,电机调速范围小。
  2.2 滑膜变结构控制
  变结构控制属于非线性控制范畴,其非线性表现为控制的不连续性,即一种使系统的“结构”变化的开关特性。滑膜变结构控制不需要知道系统的数学模型,滞需要立交系统参数及其变化的大致范围,使得变结构控股之具有快速响应,对参数及扰动变化不敏感,无需在线辨识与设计等优点,具有讲阶,解耦的功能,当系统进入滑膜状态时,系统状态的转移就不再受系统原有的参数变化和外部扰动的影响,而强制在开关平面附近扰动的影响,具有完全的自适应性和鲁棒性,其缺点是具有抖振特性。
  2.3 自适应控制
  自适应被控对象特性的变化、漂移和环境干扰对系统的影响而提出来的,或者当被控过程的参数了解不多或者这些参数在正常运行期间有变化,特别是存在缓慢的变化因素时,通过寻求某些性能指标最优来完成对被控对象的调节。
  2.4 非线性反馈线性化控制
  反馈线性化是一种非线性控制设计方法,其核心思想就是把一个非线性系统代数转化为一个线性系统,反馈线性化并不是通过系统的线性逼近而是通过状态变换和反馈得到的。在精确反馈线性化控制方法的基础上,建立永磁同步电动机的线性化控制模型,采用反馈线性化控制后,能够实现d,q轴的解耦控制,电流跟踪性能好,力矩响应快,且速度阶跃响应能渐进收敛给定值,无静差,超调小和过渡过程端等优点。
  3.智能控制
  经典的或现代的控制策略都依赖于电机的数学模型,不能从根本上解决复杂和不确定系统的控制问题,智能控制策略具有非线性的特性,能够解决控制对象、环境和任务更为复杂的系统。智能控制摆脱了对被控对象模型的依赖,只按实际效果进行控制,在控制中结局系统的不确定性和不精确性问题。其中模糊控制和神经网络控制策略在永磁同步电机伺服系统应用中较为成熟。
  4.未来趋势
  单一的控制策略很难得到理想的控制效果,研究各种控制策略互相渗透和复合可以更好的提高伺服系统的控制性能,目前复合控制策略有两种形式:
  1.在经典PID控制策略的基础上采用新型的控制策略:如模糊PID控制、神经网络PID控制、专家系统PID控制、
  2.采用两种以上的新型控制策略:如模糊神经网络控制、自适应模糊控制,模糊直接转矩控制、直接转矩滑膜变结构控制等。
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