永磁交流伺服系统先进控制策略研究

随着国家重大专项“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整定对系统的性能影响极大,如何实现参数的自整定是这一领域的研究热点问题。在多数应用系统中惯量会经常发生变化,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,本文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,且方法结构简单,易于实现,已在已研发的产业化项目中得到应用。用于伺服系统的永磁同步电机,电机的机械时间常数常小于电磁时间常数,电流环在动态过程中不能抑制速度环的扰动。对此本文加入一个反电动势补偿环节,以消除转速在动态过程中对电流环的影响。理论分析和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,电流环环宽对整个系统(速度环/位置环)的环宽具有制约作用。在不提高功率开关速度下如何提高电流内环的宽度也是该领域的研究热点。本文提出了新的改进型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,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。     

一种航天器直流供电并网系统控制方法

直流并网供电系统可实现组合体航天器能源的统一调配和使用,确保各舱段在复杂飞行工况下的能量平衡,解决不同舱段间发电能力与用电需求不匹配的问题。在航天器直流供电并网系统的工作原理进行分析的基础上,提出了一种基于工作点区域选择的直流并网系统控制方法,分析了并网系统工作模式与工作点选取区域的关系,给出了不同并网需求下的并网模式及并网工作点选取方法。选取典型案例对并网系统进行了建模和仿真,结果表明所提出的并网控制方法适用于航天器直流供电并网系统的设计,对并网系统原理及控制方法的分析正确,该方法可用于指导航天器直流供电并网系统的设计。     

一种采用无源辅助网络的零电压三电平变换器

针对典型的ZVS复合式全桥三电平变换器存在滞后桥臂实现零电压负载范围窄、变压器二次电压过冲大的缺点,提出了一种采用无源辅助网络的改进型拓扑.该拓扑在电路中加入电流增强网络及电压钳位网络,有效地拓宽了滞后桥臂实现零电压开关范围及抑制了变压器二次电压过冲.详细地分析了该拓扑的基本工作原理,零电压实现的条件以及辅助网络参数的计算,并制作了一台12V/10A的实验样机.实验结果证明了理论分析的正确性及改进拓扑的可行性.     

一种采用无源钳位电路的新型零电压零电流开关变换器

针对传统的全桥移相PWM零电压零电流(ZVZCS)DC-DC变换器存在的缺点,提出了一种在副边采用无源钳位电路的新型全桥移相PWMZVZCSDC-DC变换器。这种变换器可以有效实现超前桥臂开关管的零电压开关,以及滞后桥臂开关管的零电流开关。这里详细分析了此变换器的工作原理以及变换器各个阶段的工作模态,并且分析了此变换器实现软开关的条件。理论分析表明这种变换器具有副边电压应力低,实现软开关负载范围大,辅助电路损耗小等优点。通过一台0.8kW,60kHz的样机进行了实验,验证了理论分析的正确性。实验结果证明该变换器能够在较宽的负载范围内实现滞后桥臂的零电流关断,适用于大功率应用IGBT的场合。     

改进型具有电压钳位的全桥ZVZCS PWM DC/DC变换器

提出了一种改进型的具有有源钳位的全桥零电压零电流开关PWM DC/DC变换器.该变换器可以较好地实现超前桥臂开关管的零电压开关,以及滞后桥臂开关管的零电流开关.相对于传统的全桥零电压零电流DC/DC变换器,这种具有有源电压钳位的变换器可以减小由于谐振电路引起的变压器二次侧的振荡问题.它具有辅助电路简单、开关损耗低、导通损耗低和实现能量缓冲吸收等优点.详细分析了变换器的工作原理和特点,并通过一台1kW,100kHz的样机进行了验证.     

仿人机器人关节驱动微型伺服系统

用于仿人机器人关节驱动的微型伺服系统目前完全依赖进口.基于分析微型伺服系统各部件的发展现状与技术特点,研制了一款适用于仿人机器人关节驱动的国产伺服系统,包括永磁无刷伺服电机、巨磁阻编码器、高功率密度驱动模块以及通讯单元.通过与国内仿人机器人研究单位常用的几款进口伺服系统进行对比,验证所研制的微型伺服系统满足仿人机器人关...     

永磁同步电机改进无差拍电流预测控制

永磁同步电机数字控制系统的电流预测控制,具有动态响应快、开关频率恒定、适于数字实现等特点。基于拉格朗日插值的无差拍预测控制算法,对电机电感参数失配比较敏感。为此,提出一种改进无差拍预测控制算法,修改了电流偏差约束条件和输出电压预测方法。利用根轨迹法分析了算法鲁棒性与电感参数失配的关系。在电机电感参数发生失配情况下,能够维持系统稳定,实现电机电流的闭环控制,使实际电流跟随给定,提高了算法的鲁棒性。仿真和实验结果验证了分析设计的可行性和有效性。     

PMSM矢量控制系统的精确仿真研究

根据矢量控制原理,用Id=0的控制方式,在Matlab/Simulink环境下建立永磁同步伺服系统的仿真模型.为了精确的模拟实际系统,在仿真模型中加入了死区效应并且实现了离散控制.仿真中的电机模型参数全部按照实际电机手册的参数,控制器根据工程设计法分别计算出了电流环和速度环PI调节器的参数.但在模型的建立和对仿真结果的分析中,发现了2个仿真系统的问题:1)Simulink自带的坐标变换模块与理论公式的不同,包括选取系数和参考角度的不同;2)由于仿真步长的问题,离散控制系统的输出响应出现了一定的震荡.对以上问题都进行了详细的分析研究,最终得到了十分接近实际系统的仿真波形.     

一种采用无源辅助网络的ZVZCS三电平DC-DC变换器

提出一种采用无源辅助网络的零电压零电流开关(ZVZCS)三电平DC-DC;变换器拓扑,其中各开关管电压应力为输入电压的一半,并且能够在宽负载范围内实现各开关管的软开关.副边的无源辅助网络不仅能为滞后管创造零电流关断条件,而且还可抑制变压器副边整流后电压的过冲.本文详细分析了此变换器的工作原理及开关管实现软开关的条件,并通过实验样机验证了理论分析的正确性及此拓扑的可行性.     

永磁交流伺服系统速度控制器优化设计方法

针对永磁同步电机数字控制系统中,电机转速动态过程中出现的由于通常采用PI控制器串联校正来设计速度环而导致的超调和振荡问题,提出了一种速度控制器优化设计方法.在分析了永磁交流伺服系统速度环数学模型的基础上,调整了速度控制器中比例增益的作用位置,构成IP控制器局部反馈校正来设计速度环.根据稳定性和跟随性要求,选取转速偏差指标函数,优化控制器参数设计,同时在控制器设计中增加了anti - windup策略.所设计的控制器,可以获得电机转速的无超调、无振荡快速响应,并具有较强的抗扰动能力.仿真和实验结果验证了设计方法的有效性和可行性.