【摘 要】
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交流伺服系统作为传统工业及高新科技领域中最为重要的控制和执行机构之一,在数控机床、机器人、航天军工等场合都得到了广泛应用。近年来,随着智能制造技术的飞速发展,对伺服系统的控制性能提出了更高的需求,如传动装置为弹性连接时,易出现机械谐振问题。针对上述问题,为了获得更高的动态性能和稳定性,本文将对交流伺服系统的模型辨识和振动抑制算法展开研究。本文从永磁同步电机的矢量控制结构出发,通过机理分析法建立双惯
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交流伺服系统作为传统工业及高新科技领域中最为重要的控制和执行机构之一,在数控机床、机器人、航天军工等场合都得到了广泛应用。近年来,随着智能制造技术的飞速发展,对伺服系统的控制性能提出了更高的需求,如传动装置为弹性连接时,易出现机械谐振问题。针对上述问题,为了获得更高的动态性能和稳定性,本文将对交流伺服系统的模型辨识和振动抑制算法展开研究。本文从永磁同步电机的矢量控制结构出发,通过机理分析法建立双惯量弹性伺服系统的数学模型,再结合理论推导和仿真结果对伺服系统的机械谐振现象进行了归纳,最终以谐振特性对系统带宽的制约关系为依据做出分类。若反谐振峰是制约系统带宽提升的主要因素则定义为第I类机械谐振问题;反之,若为谐振峰则定义为第II类谐振问题,从而为抑振策略的设计奠定基础。为了更有效的实施谐振抑制策略,本文以伪随机序列作为伺服系统辨识的激励信号,设计了基于ARMA参数模型的辨识算法,并采用最小二乘法计算出系统的高阶拟合模型;再者,本文还提出了基于平衡理论的模型降阶方法,通过比较Hankel奇异值的大小,提取出系统的主导模态;然后依据时域和频域的拟合残差建立评价函数,进而运用平衡残差法得到了更为精准的低阶模型。针对伺服系统的第I类机械谐振问题,本文提出了一种基于内模原理的LQR控制策略;首先利用主导极点理论实现模型的二次降阶,然后以该模型为控制对象设计LQ评价函数,同时引入内模控制律,最终通过求解Riccati方程得到伺服系统的最优控制器,从而提高了系统的动态性能和稳定性。对于第II类机械谐振现象,本文提出了基于PI+陷波滤波器的抑振策略;针对其中开闭环谐振频率一致的特殊情况,本文结合改进型二阶广义积分器锁频环的在线频率辨识算法和参数整定率设计了自适应陷波器,保证了谐振抑制的有效性,并提高了抑振策略的效率。综合全文的理论分析和仿真结果,本文完整地建立了交流伺服系统机械谐振的抑制策略。设计并搭建了基于DSP+FPGA的交流伺服系统的软硬件平台,在三种不同类型的机械谐振平台上分别进行了对比实验,实验结果证明了本文模型辨识算法和谐振抑制策略的有效性。
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