（机械电子工程专业论文）交流伺服系统中的干扰观测器的设计研究.pdf

摘要 几乎所有的工程控制系统中，干扰和模型不确定性都不可避免。干扰是影响交流速 度饲服系统性能的主要因素。本文的目标娥；在通常的硬件抗干扰措施、系统控制设计 优纯等萋磋主，在矢量控露l 交流速度髑派系统孛，墙于撬蕊溅器( d i s t u r b a n c e o b s e r v e r - d o b ) 结合数字低灏滤波器( d i g i t a ll o w - p a s sf i l t e r - d l p f ) 爿芒消除负载变化、 模裂不确定性、摩擦、测量噪声等的干扰，以提高交流伺服系统的抗干扰性和鲁棒性。 综合考虑实际系统中受到豹羝频稻裔频干抗，撬滋了靖于低频予挽采用于菰凌测 器、高频干扰采用数字低通滤波器的干扰抑制方法。讨论了交流速度侗服系统中的速度 检测方法，分析了速度检测环节的测量噪声闻题，绘出了涟度环节低遁滤波器豹设计原 粥帮方法。分褥了系统的数学模垄著俸了穰鍪篱亿，褥溺缝，逢一步钟辩低频于砉| | i 露了 必臻的简化。讨论了干扰观测器的设计原则和方法。通道m a t l a b s i m u l i n k 对系统进 行了仿真设计，并在基于d s p 的三相异步电动机直接矢量控制交流速度饲服系统中得 翻蜜验验证。 仿真和实验结果很近似，抑制阶跃干扰所需稳定时间均小于l o o m s ，速度滤波环节 也改善了系统性能，系统具有曳好的动态性能和控制效果。本文提出的方法能有效抑制 予貔，置实瑗麓擎，在季牵麓麓麓交交于挽上，优予传统p i d 控毒l 器，荔子在高速离精度 系统中应用。 关键瀵：予撬撵到；手撬浚测嚣；数字低逶滤波器；交浚速度褒缀系统；矢量接铡；速 度检测；模型简化 a b s t r a c t 硼建d i s t u r b a n c ea n dm o d e lu n c e r t a i n t i e sa r ei n e v i t a b l ei na l m o s ta l lt h ec o n t r o ls y s t e m s 。 d i s t u r b a n c ei st h em a i nf a c t o rw h i c hi n f l u e n c e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ea cs p e e ds e r v o s y s t e m 。t h et a r g e to f ) h i sp a p e ri st h a to i lt h eb a s eo fu s u a ld i s t u r b a n c e 蝎e c t i o nm e a s u r eo f h a r d w 嚣ea n do p t i m u md e s i g no fc o n t r o ls y s t e m ，躐d i s t u r b a n c eo b s e r v e rt o g e t h e rw i 斑 d i g i t a lt o w - p a s sf i l t e r i nt h ev e c t o r - c o n t r o l l e da cs p e e ds e r y os y s t e mt or e j e c tt h e d i s t u r b a n e e ss u c h 瓣l o a dv a r i a t i o n s , t h em o d e lu n c e r t a i n t i e s , t h ef r i c t i o na n dt h em e a s u r i n g n o i s ef o rt h ei m p r o v e m e n to f t h ed i s t u r b a n c es u p p r e s s i o na n dr o b u s t n e s sp e l 2 e o r m a n c e + c o n s i d e r i n gt h el o wa n dt h eb 主馥f r e q u e n c yd i s t u r b a n c ec o m p r e h e n s i v e l y , t h i sp a p e r p r o p o s e dad i s t u r b a n c e - r e j e c t i o nm e t h o d ，w h i c h u s e st h ed i s t u r b a n c eo b s e r v e rt os u p p r e s st h e l o wf r e q u e n c yd i s t u r b a n c ea n dt h ed i g i t a ll o w - p a s sf i l t e rt os u p p r e s st h eh i 痨f r e q u e n c y d i s t u r b a n c e 。t h ep a p e rd i s c u s s e dt h em e t h o do fs p e e dd e t e c t i o ni na cs p e e ds e r v os y s t e r m a n a l y z e dt h em e a s u r i n gn o i s eo fs p e e dd e t e c t i o na n dp r o p o s e dt h ed e s i g np r i n c i p l e sa n d m e t h o d so ft h el o w 巾a s sf i l t e ri ns p e e dl o o p 。t h ep a p e ra l s oa n a l y z e dt h ed y n a m i cm o d e la n d t h em o d e ls i m p l i f i c a t i o nh a sm a d e ，e s p e c i a l t yg o taf i l r t h e rs i m p l i f i e dm o d e lc o r r e s p o n d i n gt o t h el o wf r e q u e n c yd i s t u r b a n c e t h ed e s i g np r i n c i p l e sa n dm e t h o d so f t h ed i s t u r b a n c eo b s e r v e r w e r ed i s c u s s e d + t h es i m u l a t i o na n dd e s i g no ft h ew h o l es y s t e mh a v eb e e nc a r r i e do u tb y m a t l a b s i m u l i n k ，a n dt h ec o n t r o lm e t h o d sm e n t i o n e da b o v eh a v eb e e na p p l i e dt ot h ed s p b a s e d3 - p h a s e 巍s 辩端轴对n o 猫m o t o rd i r e c t - v e c t o r - c o n t r o l l e ds y s t e m t h es i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n th a v eg o tas i m i l a rr e s u l t ：t h es y s t e ma c h i e v e dg o o d d y n a m i cp e r f o r m a n c ea n d c o n t r o le f f e c t ；t h et i m et or e j e c ts t e pd i s t u r b a n c ei sl e s st h a nl o o m s a n dt h es p e e df i l t e rh a si m p r o v e dt h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，t h ed i s t u r b a n c er e j e e t i o nm e t h o d s p r o p o s e d i n t h i sp a p e rc a nr e j e c td i s t u r b a n c e e f f e c t i v e l ya n db ee a s i l ya p p l i e d t o h i g h - s p e e d h i g h - a c c u r a c ys y s t e m s ，a n db e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e rf o rt h e p e r i o d i ca l t e r a t i v ed i s t u r b a n c e x 姆w o 耀s ：d i s t u r b a n c er e j e c t i o n ；d i s t u r b a n c eo b s e r v e r ：d i g i t a lt o w - p a s sf i l t e r ；a cs p e e d s e r v os y s t e m ；v e c t o rc o n t r o l ：s p e e dd e t e c t i o n ；m o d e ls i m p l i f i c a t i o n * l l - 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ：丝鳗些2 0 0 6 年3 月彬日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的工程背景、目的和意义 1 1 1 课题的工程背景 电气传动技术是以电机为控制对象，以微电子装置为控制核心，以电力电子功率变 换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成电气传动控制系统，咀达到控制电机 转速或转矩的目的。世界上第一台交流电动机于1 8 8 5 年问世，在交流电动机中，特别是 笼式异步电动机，其拥有的结构简单、坚固耐用、价格便宜及不需要经常维修等特点， 使其得到了十分广泛的应用。但是直到2 0 世纪7 0 年代，凡是要求调速范围广、速度控制 精度高和动态响应性能好的场合，几乎全都采用直流电动机调速系统。交流电动机。主 要指笼式异步电动机和同步电动机，它主要用于不需要变速的电力传动系统中。然而， f 1 2 0 世纪5 0 年代末开始，电气传动领域中进行着一场重要的技术革命一将原来只用于恒 速传动的交流电动机实现速度控制，以取代制造复杂、寿命短、价格昂贵、维护麻烦以 及单机容量和屉高电压都受到一定限制的直流电动机。由于控制理论上的突破、电力电 子投术和计算机及数字信号处理技术的发展，使交流调速系统的性能可与宜流调速相媲 美，而且可靠性越来越高，价格逐渐降低，交流传动取代直流传动已成为不可逆转的趋 势1 1 ，”。 交流电动机调速系列产品一般分为两大系列。一是普通型，适用于要求不高的风机、 泵、压缩机之类的调遮场合，主要目的是节能；另一是高性能型，适用于高性能调速领 域，如连轧机、造纸机、电力机车、数控机床；机器人、交流载客电梯等的传动，主要 目的在于高精度调速【2 l 。后者往往是采用矢量控制、直接转矩控制等控制方法的高性能 速度伺服系统，速度伺服系统也是位置伺服系统的基础。交流调速系统的主要应用方向 可分为三大类：一是以节能为目的的改恒速为调速；二是咀少维护省力为目的的取代直 流调速系统；三是直流调速难以实现的领域，如大容量高转速领域。交流调速系统在轧 钢、石油、机械、化工等工业领域和日常生活领域得到日益广泛的应用1 2 , 3 】。 在速度伺服系统中，干扰是造成系统伺服性能下降的主要因素，必须加以抑制。而 实际工程应用中，十扰往往不町避免。比如交流载客电梯和电力机车实际载人重量经常 变化，但速度却要求不能有大的波动；高精度机床主轴在遇到负载等干扰时，必须保证 变化，但速度却要求不能有大的波动；高精度机床主轴在遇到负载等于扰时，必须保证 河海太学工学预士论文交流弼黻系统中扮干扰毵铡瓣的设计姘究 速度乎稳，磷捌会影晌加工质量。 本文以矢量控制交流速度伺服系统为例采讨论交流伺服系统中的干扰抑制问题。在 矢量控翱交瀵速度髑服系统巾，影嫡系统性能豹手拭毅素主要骞f 1 , 4 1 ：突变豹强瞧磁于挽、 能源系统的波动等；数字系统中，存在舍入误差以及采样周期内失去控制作用等；负载 交往；系统模型参数瓣变纯；露擦( 毯据静薄擦、澎淤摩擦箨糕涕摩擦) 予挽等。 对于电磁、能源波动等的干扰，可采用屏蔽、隔离、滤波、提高电力电予器件性能、 采取懿鳄的谈魏方式等疆锌袋软佟抗予抗稽旒。对予数字系统中，存在舍入谟差鼓及采 样周期内失去控制作用等引起的干扰，可以选择位数长的微处理器芯片，数据处理时合 理配麓比铡阂子，适强定标，采用合适的数攒表示方法，根攒系统的闭环频带、计算速 度、诗算糖度等选择会适的采样频率等来减小干扰。对于负裁变化、系统模型参数的变 化、摩擦等干扰，在传统系统中，通常采用p i d 控制方法，但这种方法存在对负载褒化 戆适成戆力蓑、接手挽戆力弱秘暴受畚统参数变纯影穗等弱蠢。姥多 ，可戳激穗攘墅参 考自邂应控制渤、滑模变结构法【6 7 一、基于摩擦力模烈的补偿法1 9 , 1 0 1 、自抗扰控制器，、 模鍪鼗嚣控籁器- 驾或这些方法结合簿怒控裁等方法麴绫舞羧，这些方法逶鬻郄毙较复 杂。 1 1 2 课题的研究圉的 在通常的硬件抗干扰措施、系统控制设计优化等基础上，本文重点研究程矢量控制 交滚速度饲缀系统孛，建于拨戏测嚣( d i s t u r b a n c eo b s e r v e r 麓豫d o b ) 结合数字低透 滤波器( d i g i t a ll o w - p a s sf i l t e r 简称d l p f ) 来消除负载变化、模型不确定性、摩擦、测 量臻声等耱予攘，浚绳高交流黉骚系统豹挠予撬牲帮簧簿毪。 ， 。3 课题的疆究意义 动态响应豹快速，稳态跟踪的毫糟度以及季亍为的鲁棒性怒机电伺服系统运动控制应 用中的主要性能要求。鲁棒性要求，当被控对象( p l a n t ) 发嫩改变时，控制系统不需要 调节挖利嚣戆参数，仍然能够保涯整个系统熬稳定整秘英宅惶戆指括。运动控剿器性能， 很大程度上取决于它对系统中些固有的不确定因素的处理能力。对于一个实际的运动 控涮系统，纛论英数攀模型黧侮褥至l ，总不霹戆与实踩数学模鳖完全致。几乎魇育的 工程控制系统中，干扰和模型不确寇性都不可避免。 d o b 具肖以下优点：在没有大的模型误差情况下，d o b 其有干扰抑制的独立调整 第一章绪论 特性和响应快的特点。与比例校正相结合，设计d o b 时可选择阶次、相对阶次和低通 滤波器带宽等参数，具有更大的灵活性。单纯的传统p l 调节器动态校正可以有效抑制 阶跃干扰，但对于周期性的交交干扰抑制能力差，而d o b 对这两种干扰都能有效抑制。 并且，d o b 实现简单，易于实时控制，不需要额外的力( 力矩) 传感器，具有良好的 干扰抑制性能和对系统参数变化的鲁棒性 1 3 ，1 ”。 电力电子系统的使用场合多为工业现场，干扰源很多，如电场、磁场、环境温度等 等。在模拟系统中，为消除干扰，常常采用由硬件组成的滤波器( f i l t e r ) ，如r c 滤波电 路；而在微机控制系统中，为减少采样值的干扰因素，提高系统的可靠性常常采用数字 滤波技术。所谓数字滤波，是指通过软件编制一定计算程序，对采样信号进行平滑加工， 提高其有用信号，抑制或消除各种干扰和噪声。数字滤波方法h 】通常有：程序判断滤波、 中值滤波、算术平均值滤波、加权平均滤波、滑动平均值滤波、r c 低通数字滤波和复 合数字滤波等等。数字滤波无需增加硬件设备、可靠性高、不存在阻抗匹配问题、可以 多通道复用、可以对很低的频率进行滤波、可以灵活方便地修改滤波器的参数等特点【l l 。 数字滤波可以用于测速滤波，也可以用于电压、电流检测信号的滤波。为消除干扰，特 别是高频干扰，可以采用在实践中已被广泛应用的数字低通滤波的方法。调速系统的速 度测量，往往会引入高频噪声。本文讨论交流调速系统中，采用精度不太高的旋转光电 编码器，这样硬件成本比较低，但也会带来大的速度波动，高频噪声明显。本文采用仿 照模拟r c 滤波的低通滤波器( l o w p a s sf i l t e r 简称l p f ) 用于系统的速度环节，可以获 得比较平稳的调速性能。这种在速度环节实现的低通滤波器称之为速度环节低通滤波器 ( v e l o c i t y 1 0 0 pl o w p a s sf i l t e r 简称v l p f ) 。以数字实现的模拟r c 滤波的低通滤波器我 们称之为数字低通滤波器( d l p f ) 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 干扰的观测和补偿 机电伺服系统所受到的干扰包括两方面，首先，在系统运行过程中往往会受到诸如 负载的突变，工作环境的变化，测量噪声，以及来自伺服放大器的高频信号等外部不利 因素的影响；其次，辨识得到的重构模型( n o m i n a lm o d e l ，或称名义模型、标称模型等) 与实际被控对象间的误差、机电伺服系统建模过程中忽略的结构性不确定因素，以及多 轴运动控制中的轴间非线性耦合效应等内部干扰。如果不对干扰进行观测和补偿控制， 河j 繇太学工学礤士论文交流伺服系统中的干扰蕊溯耩的设计姘究 那么，鬟巍攘蘩辩于撬熬鲁掺缝裁会嶷麓，烀麓懿还会使爱爨饔熬p i d 整囊8 必效。 皴簿傻撬逸饲辗系统对逡鏊予捷嚣零出爨簧棒棱，或翥谖怒够孝效缝李 馁遮魑予挽 慕成蕊运秘控裁竣诗爨矮考爨魏一令趣瑟。数琵公认，霉i 入予我状褰健谤裂捷筑状态稳 计巾，越以避行干扰戆每 嫠。毽是，臻d o b 缡输，可班麓擎蠢麓建谎楚d o b 环静蹭麓， 两苓必依羧于状态反续增益。疑之畿众多蠢法中，d o b 育酸上1 1 t 3 萤中所述黪几个警1 人渡醴的特征，因而受到伺服系统，笼煎熬黼遮、商精度伺服运动控制系统设计者的笑 液。 d o b 的基本思想是：摁实际输出与橼猕模型的差异作为个等效的予扰，陂用子 标称模型。d o b 估计出这个等效千扰，辩搬邀个等效千扰体为一个补偿信号融消除于 魏辩繁绫髋戆黪影穗。鸯了搜子挽鬟溯嚣器予实现，鼹瓣舞爨系统熬测量臻孝，谯卡娩 藏测嚣翡输出蠛串联麓入一个穗对输次等予袋藏予搽稼模鍪损对玲次瓣滤波撩，称蕊蛰 滤波器( q - f i l m ) 。予撬囊溅爨檬蘩窀褒控懿系统审静整萋霹夔分蘸类：逮壤羹予擒瓣 溅鼹辩位璧鹫予撬爨溅器。速度蘩予挽溉测器戳髂黢系统转速发辕凄帮速度搿瀚输入髂 母僚海它的输入，它静输出燕实际于撬信号熊磷测篷。两位嚣型于揍溉测器潮戳锏激系 统的便糕输出和速度环的控蒲输入傣号佧为它的输入，磷样它的输出是实际平扰信母盼 臌镶l 毯。速菠黧干撬躐溺器豹优点怒；f 1 ) 渤予窃瓣瘦黪标称模型豹耱对除次莛l ，魄缀 黢裂干扰观测器对应的标称横型的棚对阶次低l ，因此q 滤波器的相对阶次也可以比像 鬣溅干扰观测器的q 滤波器的相对阶次低l ，相应的q 滤波器更容翳在离散域中实糯， 离散溪夔瞧夺。国遥囊墼予貔蕊测器j 霉热每速度嘉美戆予撬魏藏羹垄! 予挽鼹溅嚣瓣 象们鹣鼹溺彝蛰搂更纛接，燹嚣进行颧多 的积分霸微分运冀。这嚣个貔点对于亵速、窝 精浚憝运秘控巷l 菇其霾要，零文谤论戆愚交流遮度餐骚嚣统，赦廷奏速塞羹予魏戏溅嚣， 遮魄聪予其庭藤在爱续设诗熬往嚣稳黢系统中。 1 2 2 千扰瓣测器及其在交流伺骚系统巾的蔽精 干扰脱测嚣( d o b ) 的概念由嗣本学潜大谣公平( k o h n i s h i ) f 博l 于1 9 8 7 年掇躺。 1 9 9 1 ，在基予嚣塑激褒饲月骚控铡撰帮瘸予分艇遥邋的设计中，梅瓣孝治( t u m e r t o ) 与堀洋( y h o r i ) 改进了d o b 的理论柢架【m 】。目前，d o b 已被广泛应用子许多蹴精 凌邋霸控测系统等方鬣，魄魏磁蠢疆翡器俏黢控懿、飞行控鞭、辊黎a 控翻、徽建佼爨 绞、瓷予潦声滂骧、羰囊溪滁等。d o b 愁凑麓滤裁瑕系统裂交浚璃凝系统、凌线瞧蓉 羲爨嚣线瞧蓉凌褥裂广泛痊攥。 第一章绪论 3 论文研究的主要内容 本文针慰交流速度饲服蓉统中，以基于d o b 结合d l p f 的方法，来消除受载变化、 模型不确定性、摩擦、测量噪声等的干扰。重点对d o b 的设计作了研究讨论，并在基 予d s p ( 数字蔼号楚理暴) 戆三胡舅步电动橇壹菝矢量控制系统中褥到实验验证。除本 章绪论外，本文主熨内容如下： 第二章讨论7 交流速度镯藤系统。慰异步电动橇调速按术终了簸述；对其孛瓣三穗 异步电动机敷接矢墩控制方法作了辙述；讨论了交流速度伺服系统中的速度检测方法， 分祈了速废检测环节匏测蛰噪声闻簇，最后绘出了速度环节低逶滤波器静设计原蚕l l 稻方 法。 第三章对三相辫步电动机直接矢量控制系统盼数学模黧作了分析并得蹴筒亿模型。 特别地，为使d o b 设计籀便，针对低频于扰进一步 乍了必臻的模烈简化。 第四章讨论了d o b 的相关理论及其设计原则、方法。讲述了d o b 的纂本思想、鲁 捧稳定蛙：讨论了实际应用申，d o b 懿q 滤波嚣( q - f i l t e r ) 戆结构和时阉常数的设计 原则；讨论了实际速度闭环系统中的干扰估计问题，与开环系统比较，对d o b 的设计 乍了定性讨论；最纛给密了d o b 缝会d l p f 在系统中豹瘦麓方案及其诗雾裁实现方法。 第五章用m a t l a b 6 5 1 s i m u l i n k 5 1 对d o b 的9 - f i l t e r 的结构选择、时间常数选择、 d o b 与p l 调节嚣对周期交变干抗的对魄、d o b 辩模型参数交纯静鲁耩馥、系统糟否 d o b 和用磷d l p f 对比等进行了工程仿真。 第六章是实验验证。首先介绍了系统实验的硬件、软件平台，其次讲述了d o b 在 基于d s p 麴三提暴步电动机直接矢量控制系统中鲍控制策略，最艨是实验数据、图形 及分析。 第七章黠全文进行了憨缍，强对对今焉懿磅究 蕈了曩望。 河海大学工学礤士论文交流伺服系统中鹩千扰蕊溯器的设计姘究 第二章交流速度伺服系统 2 1交流调速的基本类型 燮流速度伺服系统必然是交流调速系统，以下是交流调速的基本类型的概述。 髯步电动机定予对称的三裙绕缀中透入对称的三褶交流电，在惫机气隙肉会产黛 个旋转磁场，其旋转速度为阅步转速 n o ；6 0 y , ( 2 1 ) 露， 式中 i 定子绕组电源频率；n 。电机磁极对数。 异步魄动瓤转差事 j ：鱼竺( 2 2 ) 魂 则异步电动机转速 h ：竹。( i - s ) ：6 0 f ( 1 一s ) ( 2 3 ) p 由式( 2 3 ) 爵知，异步电橇调速方法寿翔下几种f 3 7 j ； 交麟瓿 鬻 变转麓率j 定予调压 转子串电戮 电磁转差离合器 辜穰谲速 其中，交极调速与变频调速为转麓功率不变型，不论其转速高低，转差功率消耗基 本不变，因此调速效率为最高，其中变极对数调速为有级调遵。在交转差率的调速方法 中，蹙子调压、转子帛电阻、及电磁转差离会器这三转调速为转差功率消耗毅。串级调 速属于转差功率回馈型，调遮效率居中。交流异步电动机调速系统种类繁多，以上调速 方法箨鸯其痰建场台，在电力邀予技术与诗黧辊控铡技术突飞猛进瓣今天，交滚调速鹣 主流为变频调速。 交菝调遮系统蓬燹蓬交额( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y 麓称v v v f ) 谲逮系 第二章交漉德度伺臌蒜统 统的越称，其基本掇制方式寿两神：( 1 ) 基频以下调速。这葶孛方法希望维持气隙磁通不 变，必须同时协调地控制电压和频率。( 2 ) 基频以上调速。用该方法，由于电压无法褥井 寒，只好仅挺裹频搴嚣追馊磁逶减弱，辐当手壹滚魄枧弱磁势速的媾况。簌基频以下， 磁通恒定时转矩也憾定，属予“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降 低，嫠本主瓣手“浚功率壤瀵”l 。搴文只讨论墓频毅下调遴懿漶凝，将磷究豹蚕蠡敖 在d o b 上。 基于稳悉数学耩篷的交鹾交频系统，琶旗转速开环、毽藤额既撩翻静调速系统；鼯转 速闭环、转麓频率控制的调速系统。这些方法主要用于不需要很高的动态饿能，只鼹在 一定范围内能实现离散率调速的场合如风机和水聚。 如果要实现毫动态性能t 就要涉及比较精确的动态数学模型，产生了基予动态数学 模黧的变压变频系统。比较成熟的鼹矢量控制( v e c t o rc o n t r o l 简称v c ) 系统，包括直 接矢量控制系统靼闼接矢量控铡系统，这是交滚电动规调逮控裁理论豹一个飞跃。本交 讨论的是宜接矢量控制系统。另外，继矢量控制系统之后，1 9 8 5 年德国鲁尔大学 d e p e n b r o c k 教授蓄笼提篷了另一秘凑动态畿藐豹交流邀囊糗变压变菝调逮系绫妻 接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l 简称d t c ) 系统。直接转矩控制与矢量控制不同， 它不是逶遥控帚电流、磁链等量来溺按擦翻转矩，稀筵挺转矩壹搂佟失被蔽塞来控铆， 这种方法得到许多研究者的关注，磁在进一步研究和完善。可以预见，直接转矩控制或 现裔的矢量控制系统与直接转矩控制之间取长补短，能够获樽更为优越的控制性能。将 成为交流控制理论的第二个飞跃【1 9 】。 2 2 三相异步电机直接矢量控制 异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，所以黪步 电动机的转矩难以控制，许多专家对此进行了多年的研究，终于在1 9 7 1 年得到两项成 果，靼德国嚣门予公司豹eb l a s c h k e 等提出媳“感废电机磁场定向的控剑原理”期美国 e c c u s t m a n 和a a c l a r k 的专利“感应电机定予电压的坐标变换控制”。经过在实践 串不戆遣改遴，这耪控铡技术裁茨羚步电动掇稳塞浚逛动捉样豹调速牲1 3 ，硼。菇步 电动机的磁场定向控制( f i e l do r i e n t e dc o n t r o l 简称f o c ) 是把定子电流作为具有避直 分爨翡空闻矢壹来鲶瑾静，潮照又称为炙虽控髓( v e c t o rc o n t r o l 筵称v c ) 。 矢量控制的基本思想d a 8 就是：把异步电动机经坐标变换等效成直流彀机，然聪， 仿照宣流电视的控制方法，求得与煮流电动l 嘏一样酌控制；褥经过稽应的反变换，就可 河海大学工学硕士论文交流伺服系统中的干扰观测器的设计研究 以控制交流电机了。矢量控制的基本思想可以用图2 1 表示。在设计控制器时图中虚框 部分可以略去( 考虑反旋转变换v r _ 1 和电机内部的v r 相抵消，2 3 变换与电机内部的 3 2 变换相抵消，忽略变频器中可能产生的小滞后) ，剩下的就是直流调速系统了。即只 按直流电机的控制器设计方法设计控制器，给定和反馈信号经控制器产生励磁电流的给 定信号c ( 部分文献标记为e ) 和力矩电流的给定信号f ( 部分文献标记为i ：) ，再经反 变换v r - 得到三相电流的给定信号、芒。这三相电流的给定信号与频率控制信号 一起加到电流控制( 本文采用电压控制，需将电流经调节器转变成电压进行控制，详见 第三章圈3 1 ) 的变频器上，就可以得到异步电动机变频调速所需的三相变频电流( 或 电压) 。 设计樟制器时可略去这一韶许 图2 矢量控制系统原理结构图 按转子磁链定向的矢量控制系统可以实现定子电流励磁分量和转矩分量成功解耦， 交流量的控制变为直流量的控制，便等同于直流电动机了。直接矢量控制系统是转速、 磁链闭环控制的矢量控制系统，又称为磁通检测型或磁通反馈型矢量控制。与磁链开环、 转差型矢量控制( 又称间接矢量控制) 系统相比，采用磁链闭环控制可以改善磁链在动 态过程中的恒定性，从而进一步提高矢量控制系统的动态性能。虽然直接矢量控制的实 际系统构成比间接矢量控制要复杂，但具有动态性能好、调速范围宽、对参数的依赖性 不大的优点，已在实践中获得普遍应用 1 8 , 2 1 , 2 2 , 2 3 l 。具体控制系统图可参见图3 1 。 2 3 速度检测与低通滤波器 2 3 1 速度检测方法 速度( 转速) 反馈环节是速度伺服系统( 闭环调速系统) 中不可缺少的组成部分。 直流测速发电机和交流测速发电机等模拟测速元件的突出优点是价廉、使用简便直接以 及速度测量的实时性，在以速度控制为目的的系统中往往是首选，因此广泛应用于转速 的测量指示、闭环调速系统和高性能的伺服控制系统中。 第二二帮交流连臃伺服鬟毓 麓模掭衽涮技零瞧存奁饕意嚣箨潋漂、按铡溪撩擎一、控露赣痰不甏簿秘点，囊数 字控制技术帮抗干扰能力强，帮纛饿离，冒实瑗篾杂控制等优点，所戳，随着电力电予、 垂动纯等袭术静发震，模毅控露l 接零蠢诖位子数字狡测授零。数字溺遮嚣髂翼商低漠爨、 低噪声、高分辨率和黼精度的优点，谯数字控制系统中得到广泛应用【憎2 4 】。 溺势速糜怒位萋的微分，瓣藏鬻予位量涮爨静健藤器大多酉辫带缝褥爨逮发褒感。 当诸如滋惫缡辩器之爽的霞嚣德警侮糍为弦律晕赣爨鞋李，翻弱逮些躲渖枣掰魏带静彝雩瓣 信息就可以获得数字化的速廉数攥，便于数字控谁系缆中应用。数字测速舆有测速精艘 高、分辨憩力强、受器终影豌小莓优点，被广泛疲瑗予调速要求裹、调逮菹濑丈的调遴 系统戏伺服系统。光淑式旋转编码器( 以下煮时简称旋转编码器或编码嚣) 烧转速或转 螽弱梭测元释，茸馥分烫绝对筑器增爨蓑嚣秘。零文采藤熬爨罐萋式旋转编弼嚣。 增餐式瓣鹃器在礴盘上均匀蛾捌制一定数量的汽栅，如图2 2 所精，当嘏劝机旋转 潜，磁盘隧乏一超转动。逶遥潦褥豹俸溪，持续不辩戆开放或辩溺必遴籍，戮魏，在接 收装鬣的输出端便得到频率与转速成派比的方波脉冲序列，从而可以计算转速。 接敬 装鬣 l 凡 一 嘲2 2 埔蹙式旋转编i b 器承慧图 旁了获餐转速骢方穗，可增藏辩发蠢与接蔹装黉，使薄辩发竞与接浚裟嚣镨舞光 援节鼷熬l 缮，剿嚣缀脓滓穿瓣a 秘b 魏穰谯轻羡9 0 4 残势缰爱交壤鹦躲滓，麴懋 2 3 所示，歪转时a 相趣前b 稠；反转时b 捐超前a 棚。这样，编码器就w 戳获得位谶 或速度以及旋转方向傣息。 aj 1 厂儿 a 厂 门厂l e n 厂u 1 s 一门门门厂 旋转 蜃转 图2 3 区分旋转方向的a 、b 掰缒脉冲序列 9 - 河海大学工学硕士论文 交流伺臌系统中的千扰观测器的设计研巍 聚耀藉频电路霹叛有效提离转速分辨率，一般多慕蔫器接颏电貉。跑鳃荑霆德搦仪 器( t e x a si n s t r u m e n t si n c o r p o r a t e d - t i ) 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 芯片集成了正交编 码电路静有鍪潮转向秘瑟倍频窀路。 粟用旋转编码器的数字测遽方法通常有三种：m 法、t 法期m t 法l 8 。4 1 ，下面分别 予醣介绍。 2 3 ，1 瓣滚测逐 在一定的时间死内测取旋转编码器输出的脉冲个数蝎，用以计算这段时间内的平 均转速，称作m 法测速( 如圈2 4 所示) 。把黼除以瓦就褥到旋转编码器静输出脉冲 频率f l = m 1 t c ，所以又称频率法。电动机每转一圈共产生z 个脉冲( 由编码嚣豹耪发， 线数决定) ，则电动机的转速为 6 0 i i 六 牡育 2 - 4 ) 式( 2 。4 ) 孛，z 秽羹均为常数，戮戴转速起正魄乎歉 孛个数蝎。塞遮对联大， 量化误差小，隐着转速的降低误差增大，转速过低时m 将小于1 ，测速装黑便不能雁 常王铬掰鼓m 法溅速昃逶麓手寒遴羧，在激速菠鸯较蔫静精度秘分辨率。本文是l 尊 论速度伺服系缆，通常在高速运转，故采用的是m 法测速。 门n 门nn五 nnn 几n 编码器输出脉冲 h 二一 一 ，l 测速时闻 蚕2 4 涪潞| 蘧 2 。3 。1 2t 法测逐 在编码器两个相邻脉冲的间隔内，用一个计数器对已知频率为五的高频时钟脉冲谶 嚣计数，并由j 琏：来诗冀转速，繇俸t 法溅速( 熟霆2 5 瑟示) 。在这爨，测逮辩阉源予 编码器输出脉冲的周期，所以又称周期法。在t 法测速中，准确的测逋时间正是用所得 静高额辩铸赫潆个数舞悫诗算爨采豹，瑟t t - - m 2 f o ，剿奄动辊豹转速为 6 06 0 f 舭瓦2 恭 妲。5 ) 高速时脉冲计数蜗小，墩化误差大，随赘转速的降低误麓渐小，所以t 法测速适 精于低速段，与m 法侩好相反。t 法测速在低速时有较高的精度和分辨率。 第二章交流速度伺服系统 懋l | | | | l | | | | l 麓麓一| | | | | | 掰毫菝鞋锋艨洚 k 墨 ，l t 。妈仉 厂允许计数时间 厂厂 编码器输出脉冲 溺2 5t 法测速 2 3 1 3m t 法测遴 把m 法和t 法结合起来，既捻测或时间内旋转编码器输出的脉冲个数m ，又检测 同时间间隔的高频时钟脉冲个数冉如，用来计算转速，称作m t 法测速( 如图2 6 所 示) 。竣毫蔟酎镑频率为磊，剿准确豹测速薛阗华镌，磊，嚣毫动援转逮必 拇= 警= 警z m ( 2 - 6 ) z z， 。 采用m t 法测速时，应保证高频时钟计数器与旋转编鹤器输出脉冲计数器同时开启 与关闭，以减少误差，只有等到编碣器输出脉冲前沿到达时，两个计数器才同时允许开 始或箨盘诗数。 由于m t 法的计数值晒帮矗磊部随转速的变忧磷变傀，高速时，相警予m 法测速， 最低速时，自动进入t 法测速。阑此，m t 法测速能髓用的转速范围明恩大于前两种， 是目前广泛采用的一种测速方法。 n 门巅门门编玛嚣竣感辣狰 h 卜辩 l l 鞠鞣l | l f l 脚磁l 鞣鄹斑隘l 蕊高频辩铷脉冲 阡一= ：二妣制 _ j ：二二二二三二二二二3 一允许计数时间 黼2 6m t t 法测速 2 + 3 1 4 鼗掌涮遴主要离题 m t 法测遮是目前应用最普遍的测速方法，它集m 法和t 法之长，可在较宽的速 度范围内得到精确的测速值。但怒，数字伺服系统中光电编码器的主要目的是作速度反 馈，豫要求有一定速度检测稽度夕 ，受重要的是实对性，期规定检测时闻曩必须与速度 嚣麴采徉溺麓榛疆配。熬瑟， 毳逮辩麓理法戆速疫捡溺懿褥逮长，在一定糕痰上减少了 直接数字测速在速度闭环中的应用。当转速低于某个限制时，数据捡测的时间将增长， 从而使速度环的采样周期增大，给系统动态性能和稳定性等带来不利影响。因此调速范 河海大学工学硕士论文交流伺服系统中的干扰观测器的设计研究 围的加大，将受到低速检测的限制，在确定采用直接数字m t 测速方案时，要校核速度 环所允许的最大采样时间所决定的低速限制【2 4 1 。 本文由于采用低精度旋转编码器，且对于所讨论的速度伺服系统，m t 法测速在低 速段效果不明显，故只采用了m 法测速。m 法测速实际上是一定测速时间内的平均速 度，所得转速值大约是采样周期中间时刻的转速值，故近似有测速时间一半的延时，若 要在高精度位置伺服系统中应用，速度检测的精度和延时问题将显得尤其重要，解决的 办法有：提高旋转光电编码器的分辨率，提高速度环采样频率，采用相应的算法如泰勒 级数展开速度估计法、后向差分展开速度估计法或最小二乘逼近速度估计法等【z s 来逼近 速度真实值和减少延时。下面根据文献【2 5 】介绍种泰勒级数展开速度估计法。 通常，速度由离散数据的近似微分操作来估计。如今，存在一些离散时间域微分滤 波器的设计。但是，绝大多数由于其固有的延迟问题，对控制应用来说是不满意的，甚 至相反，影响系统稳定性。而且，众所周知，微分操作放大了误差。然而，已研究出一 些从离散数据来估计速度的方法以减少估计误差和延迟。 本节部分符号说明如下：在第k 次采样时刻，增量式光电编码器测量出的位置值为 靠，该时刻的时间为t k ，两次采样时间间隔瓦= t 女一f 。 一般地，增加高阶微分项能改善系统的瞬态响应。将速度估计的当前值和前期的 值结合起来可以得到速度估计的高阶微分近似值。但是高阶微分算法将会放大测量误 差。 有一种速度估计法可以将速度值按泰勒级数展开来进行速度估计。将r 。时刻的速 度按泰勒级数展开可以估计出“时刻的速度： 吼屯+ 上1 1 生d t 以_ ) + 壶乎”2 + 壶乎m ，卜 = 专u ( “一t f l ) 。 ( 2 7 ) 其中口，为v 的第，阶导数。 如果口。为最近一个测量采样时间内平均速度的估计值，且该平均值为采样时间中 点处的速度值，比如用m 法测速值来近似，那么* 缸。t ，t 。一t 口“疋2 。如果按 泰勒级数展开后舍去除第一项之后各项，速度的估计值玩za x 。疋，这就与m 法测速 或t 法测速是相同的。当估计出第k 个采样周期内的速度吆为缸。瓦和第缸1 个采样 周期内的速度；。一，为缸。瓦一。后，第i 个采样周期内中点速度的一阶导数可以近似为： 第二牵变流遮藏镯藤系统 妒。垒。整二整：!( 2 8 ) t y ： 如豹麓除导数掰疑样避议为 伊b 型t “兰攀 旺s ， 利用这些导数髂近似镰，式( 2 。7 ) 审的速度髂计嚣可袭豢如下： 和粪饼 泣 其中，舍去了黎赣级数展开式巾第除之器静辱数顼。 泰勒级数装开冀法可以提麓速度结诗戆瓣态晌应，敞多聪迟，但嬲对会放大测爨镤 差，葵算法也比较复杂，软件实现会占用较大的系统资源。所以对于速度估计的一磐算 法，要攘据系统瓣壤援秘实嚣爨要，米综合投德，选攒含理鹣速疫测爨方法秘速度嵇诗 算法。 零文豹遮发键羧蔟统未采建这垫冀法，癸疆褰系绫牲糍，或在离速、亵睾蹇发寝要穗 照系统中应用，需要结合硬传和控制系统实际情况进行进一步研究，可以预见，会有趣 好的揆甫效莱。 2 ，3 ，2 逮凄羧潦4 溅鬃骧声 璃增量式旋转光瞧编码器馋必遮浚检测元馋瓣，程捡溺褥剿载转逮信号中，不霹溪 免地隳混入一魑干扰信号。速成检测信号中通常含有一定的商频测量嗓声，由于其制造 误差、捡灞懿潮内对灏逮菰洚诗数总骞1 个歉滓懿误差( 毫速醚法囊l 速瓣) 、秀个秘邻 测速脉冲间的时间脉冲计数值总荫1 个脉冲勺误差( 低速t 法测速时) 【2 4 l 以及检测反 馈通路上胃憝豹子拣等褰频磉声来源，这辩诞速系统瓣瞧戆缓不聪，瓷严重彩酾下一步 豹系统模型辨识期控铡器的设计。采用模拟禊g 速时，通常用出硬俘组成的滤波器( 如昭 滤波电路) 来滤除干扰信号；程数字测速中，硬件电路只能对编码器输出脉冲起到整形、 倍频的作用，款通常使用数字滤波的方法降低到合理瑕度1 18 1 。 2 ，3 ，3 速度环棼僚邋滤波器设计 矢量控制交流调遴系统中，通常使用增量式光电编 码器作为速度梭测元件。本文采 用的蹩模撅r c 滤波的低通滤波器( l o w p a s sf i l t e r 简称l p f ) 的方法，安搿；上是一个 辫簿走掌王学攒蠹途文 交漉魏鞭摹缓串势- l ：摭麓测嚣獒设汁姘究 阶潞蔚的滤波蒸统，其传递瀚数为 ) 。南 1 ) 程转遮穗测廉馈中施滤波环节，称律速溅反馈滤波环麓，这样会绘转速检测反馈信 鸳带来了熊逡，为了乎衡这一黼邈箨穰，在瓣定遴遴审，瓣入耱弱霹瓣辩数豹输暌瞧 繇繁，穆撵鲶定滤波嚣节，葜霹豹是疆供掺巍豹霸套，揍鬻带来设诗上秘方受f n 。擞瀚 4 5 掰潆。遥壤环盼速度反馈滤波环节释给是滤波繇警穗豁为速度滤波鞴带。 关于时间常数r 。的确定，w 取出朱滤波的速度反馈信号进行频谱分析，雅合性能 爨要粒实器控期效果逶整臻定。在零变诲论豹系统审，瓦苓囊过太，落裂不戆露第三露 所讲静模黧麓纯，d o b 酶设计将变褥复杂。 2 ，4 本耄、缝 零霉黄搬溉耩了交流谣逮豹糕零类懋，j c | 子冀巾鹣糍靛髓遮速方法之壹撼必 蠹控制法露y 簿蘩介绍。钟对谰遮系统翡速发捡测，介臻了常用斡凡释溺遮方滚和寝髑 繇舍，势褥了其钱缺点，据窭了数字嚣逮静变螫羯纛，努耩了解决这骜辩鼹毂妻簧方法， 介绍了一种提商滤艘瞬态响应的速度依计算法。分析了速度检测测爨噤声的泉源及危 害。簸后蔺遂了逮度环低通滤波器静设计原则_ 和方法。 籀墓章系统攘整分辑 第兰肇系统模型分析 撼逑个王般生产过程特傻懿一个线一组数学表达式称为该过程静数学模型。要瓣 生产道羧遨褥控裁，首先裁簿醛究宅的特犍，了解宅的本凌，提簦糨艨鹃糕念，构成被 控对簸瓣较究蒋盼原理或理论l 硎。这些簌璞躐遴论通常以数学静方式表现爨来。礤究秘 揭承被控对象特性的过程，称为婕立模型。建藏系统的数学模型有如下三种途径【2 6 1 ；( 1 1 利用人们已经掌握的关于系统的知识，用理论解析的方法来推导数学模烈；( 2 ) 对一个融 存褒瓣系统，凝撵鼹察、灏量谗袋，瓣浚入嶷熬、辕爨燮爨窝凌态变羹瓣实验数据瀵纾 霸缡釉数遴统计分析，越求褥套变整之间