基于模糊PID的永磁同步电机矢量控制研究及伺服系统优化

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伺服系统是驱动现代制造业发展的重要因素之一,随着永磁同步电机逐渐取代直流电机和步进电机,高性能的永磁同步电机伺服系统成为现代机床普遍所采用的伺服系统,代表了伺服驱动的发展方向。由于永磁同步电机具有非线性、强耦合、高阶、多变量等特性,在实际复杂的工况中存在负载扰动、噪声干扰等因素的影响,诸多电机参数都会随着环境因素的变化而改变,其动态过程难以用精确的数学模型描述,传统的PID控制方法在实际中难以达到预期的高性能。针对这一问题,本文结合传统 PID控制和智能控制,提出了具有参数自整定功能的自适应模糊控制器对永磁同步电机的矢量控制系统进行改进,并在MATLAB/Simulink环境下建立仿真模型,验证这种控制策略的有效性。  本文首先研究了永磁同步电机伺服驱动系统的控制策略和方法,从永磁同步电机的物理结构和数学模型出发,并通过坐标变换进一步建立了永磁同步电机在三种坐标系下的数学模型。介绍了转子磁场定向矢量控制原理和空间矢量脉宽调制技术(SVPWM),对永磁同步电机转矩和磁链进行解耦控制。根据面装式永磁同步电机的特点,对其调速系统的双闭环调节器进行设计,选用id=0的矢量控制策略结合SVPWM技术构建永磁同步电机矢量控制仿真系统。  其次,由于常规的PI调节器不具有在线调节参数的功能,无法满足控制器参数在线自整定的要求。本文将模糊控制理论与常规PI控制器相结合,在此基础上设计了可在线调整比例因子的自适应模糊 PID控制器,并将其应用到永磁同步电机伺服系统进行仿真研究和对比。结果表明,自适应模糊控制器具有良好的性能,在一定程度上能满足永磁同步电机实时、高精度的控制的要求。  最后,在国内大部分数控系统、伺服产品依靠进口,对其缺乏直接的改进权限的背景下,本文在前面研究的基础上分析总结了提高数控机床进给伺服系统性能的伺服驱动优化方法。立足于某卧式加工中心,针对西门子840D数控系统采用的611D驱动系统,利用西门子伺服系统参数优化软件StartUp-Tool测量电流环、速度环、位置环重要伺服参数调整后机床的性能变化,最后进行圆度测试对前面单轴优化后伺服联动效果加以检验和调试,分析总结出部分伺服参数优化的一般方法,对提高高档数控机床的动态特性提供了可行的依据。
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