[硕士论文精品]交流伺服系统的反推式控制策略研究

摘要交流伺服系统作为为其它机械设备提供伺服功能的动力系统，在当前工业领域具有广阔的应用前景，特别在一些高精度控制系统中伺服性能的高低直接决定控制系统精度的高低。电力电子技术、微电予技术以及电机技术的发展为交流伺服的应用提供了很好的硬件支持，现代控制理论的发展为交流伺服的应用提供了广阔的理论研究空间，并为其性能的提高提供了软件上的支持。本文把一种新颖的非线性控制策略BACKSTEPPING控制一应用于交流伺服系统控制研究，解决了交流伺服系统的速度跟踪、位置跟踪以及无速度传感器控制问题。主要研究内容可以归结如下1永磁同步电动机伺服系统的速度跟踪控制简化了BACKSTEPPING控制的设计过程，提高了永磁同步电动机伺服系统的速度跟踪性能。分析了调节参数对于系统性能的影响，并和PID控制进行详细的对比分析。针对永磁同步电动机伺服系统部分参数时变的特点，设计了参数自适应BACKSTEPPING控制器，提高了系统的鲁棒性能，并分析了参数时变特性对系统的速度跟踪的影响。2永磁同步电动机伺服系统的位置跟踪控制把BACKSTEPPING控制应用于永磁同步电动机系统的位置跟踪控制，提高了系统的跟踪精度，并分析了系统对于负载干扰的抑制情况。电机负载转矩的变化对电机的位置跟踪有很大的影响。为了有效降低转矩变化对位置跟踪性能的影响，系统设计需要能够实时估计负载转矩变化，因此结合BACKSTEPPING控制设计的特点，对于永磁同步电动机系统进行负载的自适应估计，使得系统的位置跟踪不受转矩变化的影晌。3永磁F霹步电动机伺服系统的无速度传感器控制基于全维观测器估计永磁同步电动机的速度，利用BACKSTEPPING控制设计系统控制器，实现了永磁同步电动机伺服系统的无速度传感器控制。由于全维观测器无法实现零速度估计，不能实现伺服系统的正反转。为了解决该问题，利用永磁同步电动机定子交轴电流和转速方程构造降维线性LUENBERGER观测器来获塑鋈态耋堇主重垡錾望重得电动机的转速，观测器简单易行，通过特征值的配置可以获得快速的收敛速度，同对能够得到电动机的零速度估计值。采用BACKSTEPPING控制来设计速度跟踪和电流控制器，保证系统具有快速的速度跟踪和转矩响应。4感应电动机伺服系统的速度跟踪控制针对感应电动机交流伺服系统，把感应电动机模型被分为机械和电气部分。对于机械部分，电机的转速通过一个虚拟转矩来控制，虚拟转矩由一个虚拟转矩电压来控制。对于电气部分，电机的磁链通过一个虚拟磁链电压来控制。利用BACKSTEPPING控制设计，实现了感应电动机伺服系统的快速速度、转矩和磁链的渐近跟踪。、本文BACKSTEPPING控制在交流伺服控制系统的应用研究，无论是对于交流伺服控制系统还是对于BACKSTEPPING控制都是一项十分有意义的工作，为将来交流伺服系统的控制策略研究提供了一个很好的研究领域。关键词反推式控制；伺服系统；永磁同步电动机感应电动机；观测器；无传感器ABWMCTABSTRACTBEINGPOWERSYSTEMTOPROVIDINGSERVOFUNCTIONFOROTHERMECHANICALEQUIPMENT，ACSERVOSYSTEMSHAVEABROADAPPLICATIONPERSPECTIVEININDUSTRIALFIELDESPECIALLYINSOMEHIGHPRECISIONCONTROLSYSTEM，ITSSERVOPERFORMANCEAFFECTSTHECONTROLPRECISIONDIRECTLYDEVELOPMENTSOFPOWERELECTRONICSTECHNIQUE，MICROELECTRONICSTECHNIQUEANDMOTORTECHNIQUEPROVIDEHARDWARESUSTAINFORACSERVOSYSTEMDEVELOPMENTOFMODERNCONTROLTHEORIESPROVIDEBROADTHEORYRESEARCHSPACEFORACSERVOSYSTEM，ANDPROVIDESOFTWARESUSTAINFOR“SHI曲PERFORMANCEASANEWNONLINEARCONTROLSTRATEGY,BACKSTEPPINGCONTROLISAPPLIEDTOACSERVOSYSTEMITSAPPLICATIONSOLVETHEPROBLEMSOFSPEEDTRACKING，POSITIONTRACKINGANDSENSORLESSCONTR01THEFOLLOWINGARETHEMAINRESEARCHCONTENTSOFTHEPAPER11SPEEDTRACKINGCONTROLOFPMSMSERVOSYSTEMTHEPAPERSIMPLIFIESTHEDESIGNPROCESSOFBACKSTEPPINGCONTROL，IMPROVESTHESPEEDTRACKINGPERFORMANCEOFPMSMSERVOSYSTEM，ANALYZESEFFECTSOFADJUSTABLEPARAMETERSTOSYSTEMPERFORMANCE，ANDGIVESTHECOMPARISONSOFPIDCONTROLANDBACKSTEPPINGTOSOLVEPARAMETERSVARIATIONPROBLEMOFPMSMSERVOSYSTEM，THEPAPERDESIGNSADAPTIVEBACKSTEPPINGCONTROLLER,WHICHCALLIMPROVESYSTEMROBUSTPERFORMANCETHEEFFECTSOFPARAMETERVARIATIONTOSPEEDTRACKINGISALSOGIVENINTHEPALZLER21POSITIONTRACKINGCONTROLOFPMSMSERVOSYSTEMBACKSTEPPINGCONTROLISAPPLIEDTOPOSITIONTRACKINGCONTROLOFPMSMSYSTEM，WHICHCANINCREASETHETRACKINGPRECISIONSYSTEMSUPPRESSIONTOLOADTORQUEPERTURBATIONISANALYZEDLOADTORQUEPERTURBATIONOFMOTORHASLARGEEFFECTSTOPOSITIONTRACKINGTOREDUCETHEEFFECTSOFTORQUEPERTURBATION,ITISNECESSARYTOESTIMATETHETORQUEVARIATIONTHEPAPERCANMAKEPOSITIONTRACKINGFREEOFTORQUEVARIATIONBYESTIMATINGTHELOADTORQUEONLINE31SPEEDSENSORLESSCONTROLOFPMSMSERVOSYSTEMBASEONFULLORDEROBSERVERTOOBSERVETHESPEEDOFPMSM，BACKSTEPPINGISAPPLIEDTODESIGNCONTROLLER,WHICHCANREALIZESENSORLESSSPEEDCONTROLOFPMSMTHESHORTCOMINGOFFULLORDEROBSERVERISTHATITCALLTESTIMATETHESPEEDATZEROSPEED，SOITCAN，TREALIZECLOCKWISEANDANTICLOCKWISETURNTOSOLVETHEPROBLEM，QUADRATUREILICURRENTANDSPEEDEQUATIONSOFPMSMAREAPPLIEDTOCONSTRUCTREDUCED。ORDERLUENBERGEROBSERVERTOACQUIRESPEEDOFPMSMTHEOBSERVERISSIMPLEANDCANACHIEVEFASTCONVERGENCETHROUGHEIGENVALUESPLACEMENTINALLSPEEDRANGEBACKSTEPPINGCONTROLLERCANACHIEVEFASTSPEEDANDTORQUETRACKING4SPEEDTRACKINGCONTROLOFINDUCTIONMOTORSERVOSYSTEMTOPERFORMCONTROLLERDESIGN，THEINDUCTIONMODELISSEPARATEDINTOMECHANICALANDELECTRICALPARTSWITHMECHANICALPART，THEMOTORSPEEDISCONTROLLEDBYANEWVIRTUALTORQUEANDTHEVIRTUALTORQUEISCONTROLLEDBYANEWDESIGNEDTORQUEVOLTAGEWITHELECTRICALPART,THEMOTORFLUXISCONTROLLEDBYVIRTUALFLUXVOLTAGETHEBACKSTEPPINGCONTROLDESIGNCANPROVIDEBETTERSPEED，TORQUEANDFLUXTRACKINGPERFORMANCEINTHISPAPER,APPLICATIONRESEARCHOFBACKSTEPPINGCONTROLINACSERVOSYSTEMISMEANINGFULNOTONLYTOAESERVOSYSTEM，BUTALSOBAEKSTEPPINGCONTR01THERESEARCHPROVIDEAGOODRESEARCHFIELDTOCONTROLSTRATEGIESOFAESERVOCONTROLSYSTEMKEYWORDSBAEKSTEPPINGCONTROL；SERVOSYSTEM；PERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSMOOR；INDUCTIONMOTOR；OBSERVER；SENSORLESS1V第一章绪论本章综述了当前交流伺服系统发展和应用前景，给出了当前交流伺服系统的几种控制筇略，然后对几种策略进行了分析和对比。本文针对所研究的BAEKSTEPPING控制，给出了其一般的设计方法。进一步给出了本文的立论根据，并分析了BACKSTEPPING控制在交流伺服系统中应用的一些优点。最后概述了本文的主要研究内容。11引言自20世纪80年代以来，随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制技术及计算机技术等支撑技术的快速发展，交流伺服控制技术的发展得以极大的迈进，使得先前困扰着交流伺服系统的电机控制复杂、调速性能差等问题取得了突破性的进展，交流伺服系统的性能目渐提离，价格趋于合理，使得交流伺服系统取代直漉伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成了现代伺服驱动系统的一个发展趋势“”1。交流伺服系统在许多高科技领域得到了非常广泛的应用，如激光加工、机器人、数控机床、纺织机械、大规模集成电路制造、办公自动化设备、雷达和各种军用武器随动系统、以及柔性制造系统FMSFLEXIBLEMANUFACTURINGSYSTEM等2R2”。位置伺服系统，一般是以足够的位置控制精度定位精度、位置跟踪精度位置跟踪误差和足够快的跟踪速度作为它的主要控制目标“。系统运行时要求能以一定的精度随时跟踪指令的变化，因而系统中伺服电动机的运行速度常常是不断交化的。故伺服系统在跟踪性能方面的要求一般要比普通调速系统高且严格得多。伺服控制技术是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分。随着国内交流伺服用电机等硬件技术逐步成熟，以软形式存在于控制芯片中的伺服控制技术成为制约我国高性能交流伺服技术及产品发展的瓶颈。研究具有自主知识产权的商性能交流伺服控制技术，尤其是最具应用前景的永磁同步电动机伺服控制技术，是非常必要的。望I鋈盔耋基土重堡塞堡垂111交流伺服系统的分类交流伺服系统根据其处理信号的方式不同，可以分为模拟式伺服、数字模拟混合式伺服和全数字式伺服；如果按照使用的伺服电动机的种类不同，又可分为两种一种是用永磁同步伺服电动机构成的伺服系统，包括方波永磁同步电动机无刷直流机伺服系统和正弦波永磁同步电动机伺服系统；另一种是用鼠笼型感应电动机构成的伺服系统。二者的不同之处在于永磁同步电动机伺服系统中需要采用磁极位置传感器而感应电动机伺服系统中含有转差频率计算部分“1。112交流伺服系统的发展伺服系统的发展紧密地与伺服电动机的不同发展阶段相联系，伺服电动机至今已有五十多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段第一个发展阶段20世纪60年代以前，此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制为开环系统。第二个发展阶段20世纪60一70年代，这一阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛发展的时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。在数控机床的应用领域，永磁式直流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。第三个发展阶段20世纪80年代至今，这一阶段是以机电体化时代作为背景的，由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电动机方波驱动，交流伺服电动机正弦波驱动等种种新型电动机。进入20世纪80年代后，因为微电子技术的快速发展，电路的集成度越来越高，对伺服系统产生了很重要的影响，交流伺服系统的控制方式迅速向微机控制方向发展，并由硬件伺服转向软件伺服，智能化的软件伺服将成为伺服控制的一个发展趋势。伺服系统控制器的实现方式在数字控制中也在由硬件方式向着软件方式发展；在软件方式中也是从伺服系统的外环向内环、进而向接近电动机环路的更深层发展。113交流伺服系统控制策略的分析交流伺服电动机的应用和其控制策略的发展是息息相关的，每一次新的控制策略的应用都将在很大程度上促进电机应用领域的发展。目前，在交流伺服控制领域，人们所采用的控制策略主要有以下几种1、PID控制PID控制具有不依赖系统的模型。、设计简单、易于实现等优点，在实际的应用中，90以上的控制仍然是PID控制。然而，由于PID的参数整定需要一定的经验，并且整定过程参数多、参数之间的耦合性大，这种局限促使人们加大了对于其他控制策略的研究。当前有很多的学者把其他控制策略和PID控制相结合，如模糊控制和神经网络来提高PID控制的性能“7。2、自适应控制自适应控制能在系统运行过程中不断提取有关模型的信息，使模型逐渐完善，所以是克服参数变化影响的有力手段“”。应用于电机控制的自适应方法有模型参考自适应、参数辨识自校正控制以及新发展的各种非线性自适应控制。“。但这些方法存在的问题是数学模型和运算繁琐，使控制系统复杂化；辨识和校正都需要一个过程，所以对一些参数变化较快的系统，会因来不及校正而难以产生很好的控制效果“1。3、变结构控制滑模变结构控制的主要特点是“1根据被调量的偏差及其导数，有目地的使系统沿设计好的“滑动模态”轨迹运动。这种滑动模态是可以设计的，且与系统的参数及扰动无关，因而使系统具有很强的鲁棒性”“。但滑模变结构控制本质上的不连续开关特性使系统存在“抖振”问题，主要原因是对于实际的滑模变结构系统，其控制力总是受到限制的，从而使系统的加速度有限；系统的惯性、切换开关的时间空间滞后及状态检测的误差，特别对于计算机的采样系统，当采样时间较长时，形成“准滑模”等。所以，在实际系统中抖振必定存在且无法消除，这就限制了它的应用。变结构控制在交流伺服系统的研究主要集中在降低系统的“抖振”问题，提高交流伺服系统的鲁棒和自适应性能。”矧。4、智能控制利用智能控制的非线性、自寻优等功能来克服交流伺服系统变参数与非线性等不利因素，可以提高系统的鲁棒性。1。目前智能控制在交流伺服系统应用中较为成熟的，有模糊控制和神经网络控制。”，而且大多是在模型控制基础上增加一定的智能控制手段，以消除参数变化和扰动的影响“1。虽然将智能控制用于交流传动系统的研究已取得了一些成果。，但是有许多问题尚待解决，如智能控制器主要凭经验设计，对系统性能如稳定性和鲁棒性缺少客观的理论预见性，且设计一个系统需获取大量数据，设计出的系统容易产生振荡另外，交流传动智能控制系统非常复杂，它的实现依赖于DSP、FPGA等控制用电子器件的高速化。针对上述所涉及的控制策略存在的缺点，本研究课题把一种新颖的非线性控制策略BACKSTEPPING控制“”1应用于交流伺服系统控制中。国内人们对于BACKSTEPPING控制的研究主要局限在一般的非线性控制中，在交流伺服系统的应用还是一个很新的应用领域。12BACKSTEPPING控制的设计方法BACKSTEPPING控制方法来源于反馈线性化控制，由KOKOTOVIC最先提出，到现在有十几年的时间，BACKSTEPPING控制作为一种重要的非线性控制方法，其在非线性控制中的作用可以和线性控制系统的根轨迹法和NYQUIST方法相比较“。由于BACKSTEPPING控制在处理系统的非线性环节以及在一些不可反馈线性化的非线性系统的控制中具有很强的灵活性，BACKSTEPPING控制在过去的十几年中在非线性控制领域起到了非常重要的作用“”。BACKSTEPPING控制通过一步一步的反推设计，能够有效的克服系统参数的一般变化，也可以克服系统参数的未建模动态。JIANG。1采用鲁棒自适应BACKSTEPPING控制用来克服非完整系统的未建模动态和系统的非线性不确定性，系统设计得到了良好的动态和稳态性能。TAN”采用自适应BACKSTEPPING控制方法来补偿交流伺服系统的转动惯量和电机摩擦的变化，控制器设计针对三阶线性模型设计，自适应控制器能够有效抑制系统干扰和参数的变化。BACKSTEPPING控制设计的步骤如下1选取系统部分状态，构成子系统，构造子系统的LYAPUNOV函数，设计虚拟控制函数，使子系统稳定；2基于1的虚拟控制，设计虚拟误差变量，由虚拟误差变量和前面的予系统组成新的予系统，构造新的子系统的LYAPUNOV函数，设计虚拟控制，使新的子系统稳定；3如果还没有得到系统的实际控制，则返回1继续设计，如果得到系统的实4多问题尚待解决，如智能控制器主要凭经验设计，对系统性能如稳定性和鲁棒性缺少客观的理论预见性，且设计一个系统需获取大量数据，设计出的系统容易产生振荡另外，交流传动智能控制系统非常复杂，它的实现依赖于DSP、FPGA等控制用电子器件的高速化。针对上述所涉及的控制策略存在的缺点，本研究课题把一种新颖的非线性控制策略B“KEPPMG控制“应用于交流伺服系统控制中。国内人们对予BACKSTEPPING控制的研究主要局限在一般的非线性控制中，在交流伺服系统的应用还是一个很新的应用领域。12BACKSTEPPING控制的设计方法BACKSTEPPING控制方法来源于反馈线性化控制，由KOKOTOVIC最先提出，到现在有十几年的时间，BAEKSTEPPING控制作为一种重要的非线性控制方法，其在非线性控制中的作用可以和线性控制系统的根轨迹法和NYQUIST方法相比较“。由于BACKSTEPPING控制在处理系统的非线性环节以及在一些不可反馈线性化的非线性系统的控制中具有很强的灵活性，BACKSTEPPING控制在过去的十几年中在非线性控制领域超到了非常重要的作用“1。BACKSTEPPING控制通过一步一步的反推设计，能够有效的克服系统参数的一般变化，也可以克服系统参数的未建模动态。JIANG。1采用鲁棒自适应BACKSTEPPING控制用来克服非完整系统的未建模动态和系统的非线性不确定性系统设计得到了良好的动态和稳态性能。TAN。3采用自适应BACKSTEPPING控制方法来补偿交流伺服系统的转动惯量和电机摩擦的变化，控制器设计针对三阶线性模型设计，自适应控制器能够有效抑制系统干扰和参数的变化。BACKSTEPPING控制设计的步骤如下1选取系统部分状态，构成子系统，构造子系统的LYAPUNOV函数，设计虚拟控制函数，使子系统稳定；2基于1的虚拟控制，设计虚拟误差变量，由虚拟误差变量和前面的予系统组成新的子系统，构造新的子系统的LYAPUNOV函数，设计虚拟控制，使新的子系统稳定；3如果还没有得到系统的实际控制，则返回1继续设计，如果得到系统的实3如果还没有得到系统的实际控制则返回1继续设计，如果得到系统的实一皇坌耋坠笪坠高墨_蕾田宣啦掣毫掌一际控制，则向下设计；4设计系统的实际控制，保证整个系统稳定。下面给出BACKSTEPPING控制的一个典型例子。毫矗X1X2岛一，X24也。1J。FAXI，X2，置XTLI。Z，毪，XN“Y矗2其中Z_，工2，石，LS为相应项的非线性函数。第一步选择X。状态变量构成一个子系统，假设屯为南工XXZ子系统的虚拟控制量，设计如下LYAPUNOV函数巧；妻薪3设计如下虚拟控制函数AX。一_。一一，O4选择新的状态变量乇T一口五，并且令毛X；，则巧的导数为砖以X卜X。XAX15当Z2寸0，则可实现砖2QX。对2求导可得铲铲象胁批M碱卜等删“，钒孙Z卜B拍其中五。，Z五X；，Z一O出AQ，X，X。第二步选择X，Z为状态变量构成新的子系统，新的子系统如下J毫一_Z27口2LX】，Z2玛假设乩为新的子系统的虚拟控制量，选择设计如下LYAPUNOV函数O。，2K去Z；8对致求导可得堑鋈态堂基圭星塑錾塑重唬一XX1二2Z2元工L，Z2工39设计如下虚拟控制函数口2一，Z2AXL，Z2一X1一五Z2，如010选择新的状态变量毛黾02XL，2，则可得吱一X；一九ZZ22311当毛0，则可实现吃X；一如Z；。对毛求导可得扣妒鲁”鲁动F3XL,X2,X3一玺毫鲁动T五XL，Z2，白X412第F步选择_，Z，毛，Z。为状态变量构成新的子系统，新的子系统如下南一五墨Z2J2。一孔一如22Z313、主ZXL，2，一，ZFX其蝴Z，矗州“南，H警”等钳等铂。假设X。为新的予系统的虚拟控制量，选择设计如下LYAPUNOV函数K_，Z，一，毛一_，Z2，T，Z。去Z对矿求导可得EX一以Z缸。毛而ZX。，ZZ，蜀XII其中丑0,2KSI1。设计如下虚拟控制函数口。X122，Z。一，而，Z2，Z。一Z“一T,Z，选择新的状态变量ZFLX一X1，Z2，Z，则可得矿一矗X；一TZ；即M当Z。哼0，则可实现矽一X；一以Z；AXCZ。求导可得614151617气。毫，罄毫挈妒孚铂刁“叶“一譬气云乇扣一蠢叫，Z2，器量等砂善铂M靠T韶，出，Z1XL，22，3，X，218第，L步选择X；，2，毛，2。为状态变量构成新的系统，新的系统如下毫一而三222一XJ一如224Z3L。ZXL，2，Z。4“其中五一，2，瓦六X，Z，一粤毫旦警二L嘉笺毡三。OXL出LDZ一其中“为原系统的控制量，选择设计如下LYAPUNOV函数对圪求导可得设计如下控制19K，Z2，Z。KLXL，Z2，二州1二201月一L吃一X一露毛一，气乙五而，Z，K2“一五XL，Z2，一，Z。一Z。一1一以矗把控制量U代入式21，则可以得到丑02223最终控制量吖，可以使得系统状态指数收敛到零点。通过以上的步骤可以看出，BACKSTEPPING控制的最大优点是最终得到的控制可以保证整个系统的稳定。BAEKSTEPPING控制一般要求系统为正三角级联形式，虚拟控制量对于其前面的所有状态可微。13本文的立题依据当前BACKSTEPPING控1在交流伺服系统的应用。近几年来也有几位国外学者在这方面做了一定的探讨“。YUJF65铡用自适应BACKSTEPPING控制提高系统参。M一一堑堡荃堂堡圭垦鹜錾望墼数的估计性能，但是系统增益需要实时根据系统系统矩阵进行计算，这样增加了系统运算的负担。1IANY661采用积分BACKSTEPPING控制来提高系统的抗予扰和动静态性能，然而系统设计仅仅从误差的角度来提高系统的跟踪性能，没有充分考虑系统参数对于系统性能的影响。ALRIFAIM【6把BACL【STEPPIG控制应用于开关磁阻电动机来来提高系统的动静性能。WAIR168把BACL【SEPPIG控制与小波神经网络相结合来控制异步电动机，系统具有良好位鬣跟踪性能，然而系统调节参数太多，计算量太大。ZHOUJ【叫结合反馈线性化和模型参考自适应，并利羽BACKSTEPPING控制进行控制器的设计，实现了速度的快速跟踪，但是设计过程中参考模型的给定需要一定的经验。BAEKSTEPPING控TL在交流伺服系统的应用具有如下几个显著的优点1调节参数少在控制系统中，调节参数的多少将直接影响系统的控制性能和使用范围。减少控制器的调节参数，提高系统的控制性能对于交流伺服系统具有重要的意义。在交流伺服系统存在速度环和电流环的情况下，假如速度环采用PI调节器和电流环采用PID调节器，则控制器的调节参数为5个，而BAEKSTEPPING控制的调节参数只需要3个参数。另外PID参数的调节困难，各个参数之间的耦合大，各个参数应当协调控制，而BACKSTEPPING控1各个参数之间的耦合很小，调节容易。2系统稳定性铑好控制系统的稳定性是系统能够运行的保证，BACKSTEPPING控制以LYAPUNOV稳定为设计原则，能够保证系统的全局稳定性能，并且系统调节参数的选择范围宽，降低了系统稳定性和参数选择之间的矛盾。3系统的鲁棒性能强BACKSTEPPING控制在反推的设计过程中，能够有效的降低不确定非线性项对系统的影响，特别是在抑制不匹配干扰方面具有其独到之处”“。系统设计每一步反推都有相应的LYAPUNOV函数，易于实现参数的自适应功能，保证系统具有强的鲁棒性能。4便于计算机实现BACKSTEPPLNG控1J算法简单，系统容易实现，便于计算机实时控制。综合上述分析，充分发挥BACKSTEPPING控制优点，简化系统设计，提高系统控制的鲁棒性和稳定性，优化交流伺服系统的速度或位置跟踪性能。对于当前交流伺服系统的研究具有重要理论意义和应用价值。14本文的主要研究内容本文的主要研究内容主要有如下几个方面1简化BACKSTEPPING控制的设计过程，提高永磁同步电动机伺服系统的速度跟踪性能。分析调节参数对于系统性能的影响，并和PID控制进行详细的对比分析。充分发挥BACKSTEPPING控制在参数调节方面的独特优点。2针对永磁同步电动机伺服系统部分参数时变的特点，设计参数自适应BACKSTEPPING控制器，提高系统的鲁棒性能，并分析参数时变特性对系统的速度跟踪的影响。3把BACKSTEPPING控制应用于永磁同步电动机系统的位置跟踪控制，提高系统的跟踪精度，并分析系统对于负载干扰的抑制情况。4电机负载转矩的变化对电机的位置跟踪有很大的影响，为了有效降低转矩变化对位置跟踪性能的影响。系统设计需要能够实时估计负载转矩变化，因此结合BACPPMG控制设计的特点，对于永磁同步电动机系统进行负载的自适应估计，使得系统的位置跟踪不受转矩变化的影响。5基于全阶观测器估计永磁同步电动机的速度，利用BACKSTEPPING控制设计系统控制器，实现永磁同步电动机伺服系统的无速度传感器控制。6利用永磁同步电动机定子交轴电流和转速方程构造降维线性LUENBERGER观测器来获得电动机的转速，观测器简单易行，通过特征值的配置可以获得快速的收敛速度。采用BACKSTEPPING控制来设计速度跟踪和电流控制器，保证系统具有快速的速度跟踪和转矩响应。7针对感应电动机交流伺服系统，把感应电动机模型被分为机械和电气部分。对于机械部分，电机的转速通过一个虚拟转矩来控制，虚拟转矩由一个虚拟转矩电压来控制。对于电气部分，电机的磁链通过一个虚拟磁链电压来控制。利用BACKSTEPPING控制设计，实现系统的快速速度、转矩和磁链的渐近跟踪。8在实验部分，论文给出了交流伺服系统的驱动设计电路，并且给出了部分的实验波形。最后，对该报告进行了总结，总结了该报告的研究内容以及不足之处，给出了将来需要研究的几个主要方面，并对于BACKSTEPPING控制在交流伺服系统的应用进行了展望。9第二章永磁同步电动伺服系统的速度跟踪控制本章把BACKSTEPPING控制应用于永磁同步电动机伺服系统的速度跟踪控制中，简化了一般系统设计过程减少了系统控制中调节参数数目，同时保证系统具有良好速度跟踪性能。给出了系统稳定性证明，并通过MATLAB仿真和一般PID控制对比。验证了系统设计的有效性和可行性。21引言随着永磁磁性材料、半导体功率器件和控制理论的发展，永磁同步电动机PMSM在当前的中、小功率运动控制中起着越来越重要的作用。永磁同步电动机具有如下的优点结构紧凑、高功率密度、赢气隙磁通和高转矩惯性比等。为了达到快速启动、加速和四象限运行，当前广泛应用于永磁同步电动机控制的方法是磁场定向控制F“7明或矢量控制，FOC和直接转矩控制DTC78鼬J。由于永磁同步电动机包含速度和电流的非线性耦合，因此一般的线性控制方法对其显得无能为力。永磁同步电动机的速度跟踪控制包括速度环和电流环，如果速度环采用PI控制器，电流环采用PID控制器，则系统包含5个可调参数。一般情况下，当控制器系统的参数超过3个，则控制器参数的调节将显的非常困难。在不降低系统性能的情况下，减少控制系统的调节参数对于系统的应用具有重要的意义。下面采用BACKSTEPPING控铝4对于永磁同步电动机伺服系统的速度跟踪控制进行设计，控制设计步骤简单，并且能够在调节3个控制器参数的前提下，保证系统具有良好的动静态性能。22永磁同步电动机模型基于永磁同步电动机同步旋转转子坐标的DQ模型如下假定交直轴电LO薹三塞塞蹩垦垄皇蛰垫堡壁垂墓箜薹廛墨壁嫠型感相等，即L。L。L警一R三I哦一警一兰IQP妒等气1百DO3P考JIQ一号号百一一了一了V其中，“。为D，Q轴定子电压；IDI。为D，Q轴定予电流；R为定子电阻；工为定子电感疋为负载转矩；J为转动惯量；B为粘滞摩擦系数；P为极对数国为转子机械角速度；办为永磁磁通。为了实现电流和速度的解耦，达到和直流电动机一样的控制性能，即使得转矩不受磁通电流影响，必须使得励磁电流分量0。由永磁同步电动机的模型可以得鲁Z1旷戤一M功4“DLPCOI口5疋；半6EG、其中为电磁转矩。23BAEKSTEPPING控制器的设计对于永磁同步电动机系统，假定系统的控制目标是速度跟踪，跟踪误差为E一CO7选择8为状态变量，构成子系统，系统方程为妾B瓦一堕I。82DLJ、为了使得速度跟踪误差趋于零，假定F。为虚拟控制函数，对于子系统8构造如下LYAPUNOV函数誊錾盔主基主重甄塞堡堂一碍丢E29对式9求导数可得盟EDEE肋瓦一堕F。10DTDTJ、。21为了使得式10满足掣0。则可以使得式10为亟地Z12因此实现控制11，即可达到速度全局渐近跟踪的目的。为了实现永磁同步电动机的控制完全解耦和速度的快速跟踪，可以选择如下参考电流扣南B国疋胁”I014为了实现电流跟踪，选择电流跟踪误差为虚拟误差变量E，I一I。15I一ID16由E，幻，口。可以组成新的系统。分别对式15、16求导数，可得堕DT堕DT一堕DT去召塑DTU乌DT一生DT3P妒，、。钟学IQBOO聃警一A一等堕LM唧，堕DT堕DT一堕DT墨L一尸峨警”L对于系统构造新的LYAPUNOV函数为I1E2E；。；1819对式19求导数，J得警E去鲁蝎百DEDICE2EQT焉茅学卜艿国一瓦，譬一。一竿小“詈POIQ一20，式20中包含了系统的实际控制，。为了使得式20满足警O，设计实际控制“。，为UQ叫一茄国一器一丝3PFBE丑P扣P鹕剧217T乩一甄万加葫一一卧O弘“锄呐21“DR珏一PLCOI。七2ED22其中KLO，K20。把控制21、22代入式20，可得DV2一KE2一TP。2一T2PD223DT19。控制方程21、22可以使得永磁同步电动机系统不但可以达到速度的渐近跟踪，并且可以达到电流快速跟踪的效果，使得系统具有快速的响应速度。如此设计完毕。24系统稳定性证明定理对于永磁同步电动机系统，控制方程21、22可以使得系统达到速度的全局渐近跟踪，同时系统全局指数稳定。证明1先证明跟踪误差渐近趋于零由式23可知睾一KE2，因此可得EFTO一忙2DT24由于K有界，因此根据BARBALAT推论【8”，可得憋P0252同理，可以得到螬E。O，熄0A25BACKSTEPPING控制和PID控制的对比分析永磁同步电动机系统的BACKSTEPPING控制结构框图如图21所示，永磁同步电动机的参数如表I所示。该系统的调整参数只有三个，即速度调节参数K，转矩电流调节参数与和磁通电流调节参数如。一般的PID控制系统，只需要把图21中的F计算单元换为速度PID控制器，UQ蚴计算单元换为电流PID控制器即可。对于一般PID控制，假如速度控错0器选择PI控制设计，电流控制器选择PID控制设计，则共有5个调节参数。与一般PID控制相比，BACKSTEPPING控制的调节参数明显减少由5个减为3个，对于电机驱动系统的调节和控制是很有使用价值的。图21系统控制框图表1永磁同步电动机参数定子电阻R3Q极对数尸2转动惯量，0001KGM2永磁磁通CF08WB定子电感L0006日粘滞摩擦系数B00001假定系统的参考速度为300RMIN，在025秒突加负载五5NM，在O5秒卸除负载。BACKSTEPPING控制的参数为K100，毛2000，K25选择最优的PID控制参数为速度环KP4，K，2电流环K。20，K，20，KD0002BACKSTEPPING的仿真结果如图22所示，一般PID控制的仿真如图23所示。由仿真结果可以看出，系统的BACKSTEPPING控制能够使的系统达到快速的速度跟踪，同时保证系统具有良好的动态性能。与一般PID控制相比，BACKSTEPPING控制在减少调节参数的情况下加快了系统的跟踪速度，同时系统在突加负载和卸除负载时降低了对速度的影响。L口0O0204060B1A交直轴电流广I卜LD0204B201510505N6N81电机转速I002040,60,81C1电机输出转矩图2,2BACKSTEPPING控错8仿真图；KRB电机转速0020406081C电机输出转矩图2,3PID控制仿真图蝴湖瑚MOOOOO之M锄瑚懈。第三章永磁同步电动伺服系统的自适应速度跟踪控制本章把自适应B8CKSTEPPING应用于具有不确定参数的永磁同步电动机速度跟踪控制中，系统设计实现了定子电阻、粘滞系数和负载的实时估计，能够在系统参数发生变化时保证控制系统的快速速度跟踪。同时证明了系统跟踪误差和参数估计的全局一致收敛性。最后通过MATLAB仿真验证了系统设计的有效性和可行性。31引言第二章采用BAEKSTEPPING控制实现了永磁同步电动机的快速速度跟踪性能，但是系统设计没有考虑系统参数变化对于系统控制性能的影响。由于转子转速和定子电流的非线性耦舍使得系统具有很强的非线性，特别在系统存在不确定性时，这种非线性使得系统难于达到快速准确的速度跟踪。在永磁同步电动机运行过程中，电机的定子电阻、粘滞摩擦系数和负载转矩都可能发生很大的变化，这些参数的变化必然影响到系统的伺服精度82埘】。因此增加系统的自适应环节对于提高系统的鲁棒性能是很有必要的。本章把自适应BACKSTEPPING应用于永磁同步电动机的速度跟踪控制中，考虑了定子电阻、粘滞摩擦系数和负载的变化对系统的影响。自适应BACKSTEPPING控制策略不但能够实现永磁同步电动机系统的完全控制解耦，并且能够有效抑制系统参数变化对系统速度跟踪伺服性能的影响，使系统保证强的鲁棒性。32自适应BACKSTEPPING控制的设计本章设计延续使用第二章的永磁同步电动机模型。针对永磁同步电动机系统，假定系统的控制目标是速度跟踪，则跟踪误差为PDM116假定参考斌厦CO；二次司微。选择P为虚拟状态受爨，构成于糸统，糸统力栏为篆专辞肋哥孚2为了使得速度跟踪误差趋于零，假定F。为虚拟控制函数，对于子系统2构造如下LYAPUNOV函数K委P23对式3求导数可得警E石DE号4M瓦一_T314为了使得式4满足璺0。对式16求导数，可得警E面DE嵋鲁鲁詈譬孝譬詈手91011121314151617式17中包含了系统的实际控制“，。为了使式17满足DE0，K0。自适应律为竟7,QEQE一诧呼舞町茄州18192021毫吩哆蔫R丽2B啪22把控制18、19以及自适应律20、21、22代入式17，可得婴砘一。E一口；DT。23控制方程18，19可以使得永磁同步电动机系统不但可以达到速度的渐近跟踪，并且可以有效抑制定子电阻、粘滞摩擦系统和转矩变化对系统性能的影响，使系统保证强的鲁棒性。如此设计完毕。33自适应BACKSTEPPING控制系统稳定性证明定理对于永磁同步电动机系统，控制方程18、19和自适应律20、21、22可以使得系统达到速度的全局渐近跟踪和参数估计的全局一致收敛，同时系统全局指数稳定。证明1先证明跟踪误差渐近趋于零。由式29可知皇0对于PMSM伺服系统的子巴031弋营口带八瓦2，口J得堕一KLQ4DT、选择虚拟误差变量P珊，一缈，则可得D府E_ZZ弗柏一訾争号5选择为虚拟控制函数，选择如下控制。蔫和K啦Z了B甜争P。6IRQ代替IO带入式5，可得堕一7DT选择虚拟误差变量巳I,V一，则可得百DE3最阶铂霹乞号学一了B一争R_IP峨哗功一8对于式8，可以选择实际控制“。为驴工蔫【LJ如”了B3P，OYI，一号一争R工I。碱竽国9其中K30。选参考直轴电流0O，则可选择如下虚拟误差变量Q00。对P。求导，可得鲁里L一P噶。10旃。9三“、。对于式10，可以选择实际控SOU。为”。拿一PCOIQK气，颤O11根据前面的推导过程，可以得出控制方程9、11可以使得PMSM伺服系统的位置跟踪误差渐近收敛到零。控制设计完毕。422系统稳定性证明定理对于永磁同步电动机伺服控制系统的位置跟踪控制，控制方程9、11可以使得系统达到全局一致渐近稳定，同时系统的跟踪误差渐近趋于零。证明1对于前面设计的误差变量Q，E2，E3和E4作为状态变量所组成的系统，构造如下LYAPUNOV函数Y妻砰12对式12求导，可得警Q鲁岛鲁岛鲁怕百DE4。面2QI岛I岛孑N百把式4、5、8、9、10和式11带入式13可以得警“。E；一龋一龋一喇14由式14可知警一毛彳，因此可得YO一矿KE细150所以矿有界，并且矿渐近趋于零，因此可知系统满足全局一致渐近稳定。21由于Y有界，因此根据BARBALAT推论【8I】得LIME。016同理，可以得到，|G堡。L灌亘耋皇垫垫堡壁番彗盛自适鏖堡壁鏊型一IME220,LIME3O，憋P4O17由定理证明可以得出，BACL【STEPPING控制器能够使得永磁同步电动机伺服系统全局一致渐近稳定，并且位置跟踪误差渐近趋于零，达到精确定位的目的。423系统控制性能分析永磁同步电动机伺服系统的位置跟踪BACL【STEPPING控制结构框图如图41所示，永磁同步电动机的参数如第二章表1所示。I7II7_互121R“G“弹I32街竹二一计舅斟卜育SL图4I系统控制框图假定位置跟踪系统的跟踪目标函数为啡10SINLOTE。1”RADF181仿真参数为KI160，K22000，34500，K44000仿真结果如图42，43，44，45所示。由图42电机速度波形、图43转矩波形图、44位置跟踪误差和图45位置信号可以看出，系统的位置信号能够快速而精确的跟踪给定位置信号。系统的初始负载为2NM，在02秒突加2NM，在03秒把所有的负载卸除。由仿真图看出，系统的位景跟踪误差受恒转矩负载的影响很小，能够快速达到稳定状态。I，图42电机转速V图43电机输出转矩04030201O01敝F及图44参考位置和实际位置波形图45位置蹋踪误差波形当在O3秒，加上幅值小于O25NM的随机负载扰动时，仿真位置跟踪误差和位置信号波形图如图46，47所示。由43波形图可以看出，系统对于不确定负载扰动的抑制能力比较弱，因此有必要增加负载估计环节。P、一V叫0_VHH，蚺R图4,5位置跟踪误差波形06040200243自适应BACKSTEPPING控制设计431控制器设计够队001N20304O5圈47参考位置和实际位置波形对于永磁同步电动机伺服系统的位置跟踪，首先设计跟踪误差为PL目0假定0为三阶可微函数。对E。求导，可得鲁彩一M假设CO为虚拟控制函数，选择如下控制Q彰KSEL，KJ0把M，代替。带入式19，可得1920鲁一21选择虚拟误差变量P国，一，则可得鲁彬娟一百3PJP号等22选择为虚拟控制函数，选择如下控制妒蔫E，K2E2争争23其中K0。由于负载转矩瓦未知，并且是实时随负载变化，因此式23无法实现。假定元为负载转矩的估计量，丘友一瓦。更为转矩估计误差，则堕DT鲁24一2百U“式23中用友代替瓦，可得铲两2J啡,一KETKZE2争争25把F。代替F，带入式22，可得堕D一P2_冬26TJ、7选择虚拟误差变量岛F。一I。，则可得鱼DT赫防坤。母粤亨学一争争专扣RIP嘞竿一睾，对于式27，可以选择实际控制”。为驴喏簖蝻嘞粤BJ、3PDL弓国一争争主跳等毗岛，其中K，0。转矩估计值定的自适应律为友一鲁H铷O293P4，、J选参考直轴电流K0，则可选择如下虚拟误差变量P。I。一I。对G。求导，可得鲁兰毗一Z130言2IO一，鲫9一Z【JW对于式30，可以选择实际控SOU。为“J；LRIDPTOIQ女4E4，K4031根据前面的推导过程，可以得出控制方程28、31可以使得永磁同步电动机伺服系统的位置跟踪误差渐近收敛到零。432系统稳定性证明定理对于PMSM伺服控铆系统的位置跟踪控制，控铷方程28、0。则可以使得式5满足丝一妇7DT为实现永磁同步电动机的完全解耦和速度跟踪，可以选择如下参考电流T去娩蜥。厨一半毛B西8I09为窭瑚。电流跟踪，选择电流跟踪误差星要茎垒螫垦垄垦黧L堡基蚕丝墼蚕鋈枣堡墅堡篓墅I；10EDF一011分别对式10、11求导数，可得堕；去_K2愚堕毛一一B2铲BTRC2睨七细面鲨号KQD亏】T2JJ23P由F、J、“4、3。Q。兰己哦竽铲莎PIG面竽西P玩。12等拿毛一P峨叫。一争PIQ茄一P亏亩一Z113羽丁系现倒殖LYAPUNOV幽裂矿圭E；E；14对式14求导数，可得警E鲁场誓蝴百DEDKE2EQT熹2如警乇一等面一等2BKMK2聊T3PER。了BKQ亏L墨LQ喊竿州铲争亏尸。面芋面尸峨一圭【兰屯一尸峨一BZR。一尸。面一瞩面一Z1】15式15中包含了系统的实际控制“。，。为使式15满足警0，K20。把控制16、17代入式15，可得婴KE2一膏IE；一2E；18出9“则控