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伺服电动缸系统在实际应用中受干扰因素问题的研究

发布日期:2020-04-27

       随着工业自动化和智能制造的发展,电动缸这种机电一体化产品的应用越来越广泛,其作为伺服执行机构往往是决定系统性能的核心关键。而伺服电动缸性能又由其内部的永磁同步电机驱动系统决定,这也是其他伺服设备的普遍特点, 因此,本文的研究成果将具备很好的可推广性。本文针对伺服电动缸系统在实际 应用中复杂工况下存在的多种非期望因素干扰等问题,结合电动缸伺服控制系统所需的高位置精度、高动态响应速度、高抗扰性等性能要求,对用于电动缸的永磁同步电机伺服控制系统进行研究和设计。


       本文基于控制理论与控制工程的发展现状,探讨偏向工程控制算法的自抗扰控制策略在电动缸伺服系统中的应用,设计了一种基于广义误差跟踪的位置、速度环自抗扰控制器。对传统的位置、速度环结合的自抗扰控制器进行结构调整和 优化,解决其速度不可控的问题。着眼于整个系统,利用奇异摄动理论把系统按 照时间尺度分为快、慢时标两个子系统,采用 PI控制器构建快速电流回路系统内环,且用系统准稳态参数替代稳态参数。外环控制器以控制量跟踪误差为直接切 入点,设计一种高增益线性扩张状态观测器用于位置、速度和扰动的精准观测。 同时,借鉴模型参考的思想,建立一个理想目标系统,通过把实际系统与理想目 标系统进行对比得出反馈控制律,从而对系统状态轨迹进行塑造,改进了标准自 抗扰控制器中由于其非线性而导致参数过多、整定困难,难以在实际工程中应用 的问题。


       结合本文电动缸系统实际复杂工况下负载不确定性和时变性的特点,在自抗 扰控制策略这种模型无关的工程控制算法中加入基于模型信息的补偿环节,通过 转动惯量和负载转矩的辨识补偿,降低扩张状态观测器的观测难度,增强其对剩 余非期望因素扰动的观测能力,提高系统抗干扰性能。除此之外,针对实际系统 中死区效应导致电流畸变和转矩脉动降低电机低速性能,进而影响伺服跟踪精度 的问题,本文采用平均误差电压补偿法进行死区补偿,提高伺服跟踪精度。 最后,本文对所提的控制算法进行 MATLAB 仿真测试,以及搭建电机实验平 台进行实物实验,验证了本文伺服系统控制算法的可行性和有效性,并且满足预 期需要的伺服性能指标。


       目前,现代工业和智能制造业飞速发展,工程设备更新迭代,其自动化和智 能化的需求越来越大,电动缸作为一种新颖的机电一体化产品,凭借其结构简单、 响应速度快、定位精度高、可靠性和安全性高、传动效率高等优点在直线传动元件中脱颖而出,被逐步推广使用。

      随着《中国制造 2025》的提出,电动缸的应用领域越来越广泛,市场也越来 越大。但是,由于受到目前国际环境的影响,工业自动化设备的国产化显得越来 越重要。在工业自动化的要求逐步提高的背景下,未来电动缸的发展趋势将主要 集中在:高精度、高负载、高速率、小型化和一体化、数字化、智能化和网络化 等特点上。因此,适用于电动缸的伺服电机驱动控制系统非常值得进行研究和开发。采用交流伺服电机作为传动机构的电动缸,可以利用伺服电机的控制特性, 很方便地实现对推力、速度和位置的精密控制。而在交流伺服系统中,同步电机伺服系统由于其调速性能好、功率因数高等特点比异步电机更为适用。其中,永磁同步电机(PMSM)凭借其紧凑高效、可靠性高等特点,近年来逐渐成为伺服系 统传动机构的主流。因此,永磁同步电机伺服系统控制技术也逐渐成为国内外学者的重要研究方向。


       但是,很多情况下永磁同步电机由于其复杂的非线性,在工业伺服领域中, 受到各方面因素的限制。而且,用于电动缸的永磁同步电机伺服系统中,存在电机实际参数不准确或在运行过程中发生变化、在电动缸运行过程中负载发生突变、以及存在非线性摩擦和各种未知外部干扰等不确定性因素的情况,都会影响电机控制效果,降低伺服系统的性能。因此,在电机伺服系统存在各种非期望不确定因素的干扰的情况下保证较高的动态响应速度和伺服跟踪精度,成为一个值得研究的问题。


       同时,针对类似本文这种实际工程项目,目前市面上的通用伺服驱动器往往功能过多,很多都是项目不需要的,往往在造成浪费的同时也使系统调试过于 复杂;而且其往往体积较大,占用整个电控系统的安装空间较大;最主要的是一 般通用的伺服驱动器往往难以胜任类似本课题项目等所需的性能指标,比如工作 温度范围,抗多种不确定因素干扰性能等。因此,本文旨在设计一种具备抗不 确定因素干扰能力强、动态响应快、位置精度高等优点的伺服系统控制算法,使整个系统满足本文中电动缸的性能指标,并且设计相应的硬件电路用于算法的 实际系统验证和实际项目中的硬件设计储备。在这里先对基于永磁同步电机这个 直接被控对象的伺服系统预设一个位置无超调、速度超调小于 5%、速度响应时间 小于 1.5s、位置跟随误差低于±0.05 rad 的性能指标,以便于在后续控制系统设计过程中作为参考。

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