基于滑模变结构控制的高性伺服控制算法研究

论文摘要

近年来，随着电力电子技术、自动控制技术、微电子技术的不断发展，伺服系统在工业控制以及家用电气等领域得到越来越广泛的应用，人们对伺服系统的性能要求也是越来越高。以高性能数字信号处理芯片为核心，永磁同步电机为执行电机，采用先进控制策略的全数字交流伺服系统已成为伺服控制系统发展的主流趋势。在绝大多数伺服系统闭环控制中，都采用PID控制作为系统调节器，然而传统的PID控制技术，由于本身具有的局限性，也许能在特定的条件下取得不错的控制效果，但当负载或是外界环境发生变化时，系统跟随误差增大，调节时间延长，性能会受到很大的影响。因此，需要寻找一种更加有效的控制技术来应对PID控制所遇到的难题。本文首先分析了永磁同步电机的数学模型以及矢量控制的基本原理，确立了以空间矢量脉宽调制技术为基础的三闭环伺服控制系统。采用MATLAB软件建立了全套系统仿真模型，应用工程设计法对传统PID调节器进行设计并仿真验证其正确性。之后针对PID控制存在的不足，提出了基于滑模变结构控制的伺服系统位置环与速度环调节器一体化设计。由于滑模变结构控制存在抖振的问题，本文还对常规滑模变结构控制器进行了改进，同时用MATLAB软件对改进后的滑模变结构控制器进行仿真实验，结果表明与传统PID控制器相比，改进后的滑模变结构控制器具有更强的抗负载扰动能力以及更精确的位置跟踪能力。最后构建了采用TMS320F2808为主控制芯片的数字伺服系统的实验平台。介绍了包括系统硬件各主要模块的具体设计、以及软件流程设计与实现和通讯协议的制定等等。在前述的理论基础上设计出一套实验样机，搭建起系统实验平台并对其展开一系列的性能测试实验，包括电流环、速度环的阶跃响应实验，以及位置环电机快速启停实验、空载及带大负载周期位置信号跟踪实验等等。实际机台实验结果证明了传统PID控制在系统带大负载情况下很难满足高性能指标要求的缺点，需要引进滑模变结构控制以提高系统性能。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 永磁同步电机交流伺服系统发展概况
• 1.3 永磁同步电动机交流伺服系统的发展趋势
• 1.4 交流伺服系统智能控制策略
• 1.5 本文研究的主要内容
• 1.6 本章小结
• 第二章 伺服系统数学模型的研究与仿真
• 2.1 引言
• 2.2 永磁同步电机的数学模型
• 2.3 永磁同步电动机矢量控制
• 2.3.1 矢量控制原理简介
• 2.3.2 矢量控制中的坐标变换
• 2.3.3 永磁同步电机在 dq 轴下的数学模型
• 2.3.4 矢量控制系统结构
• 2.4 伺服系统调节器工程设计法
• 2.4.1 电流环调节器的设计
• 2.4.2 转速环调节器的设计
• 2.4.3 位置环调节器的设计
• 2.5 PMSM 伺服系统仿真研究
• 2.5.1 Matlab/Simulink 仿真软件简介
• 2.5.2 矢量控制算法模块的建立
• 2.5.3 带死区的 PWM 模块
• 2.5.4 PI 控制器模块
• 2.5.5 电流闭环仿真与分析
• 2.5.6 速度闭环仿真与分析
• 2.5.7 位置闭环仿真与分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 滑模变结构控制在伺服系统中的应用
• 3.1 引言
• 3.2 滑模变结构控制基本原理
• 3.3 滑模变结构控制器的设计方法
• 3.4 滑模控制中存在的抖振问题
• 3.5 基于滑模控制的伺服系统速度环设计
• 3.5.1 伺服系统的状态方程
• 3.5.2 切换函数与控制律的设计
• 3.6 基于滑模控制的伺服系统位置环与速度环一体化设计
• 3.6.1 切换函数与控制律的设计
• 3.6.2 系统可行性仿真分析与研究
• 3.7 分段型切换增益自适应滑模控制器的设计
• 3.7.1 切换函数设计
• 3.7.2 系统可行性仿真分析与研究
• 3.7.3 系统抗负载扰动仿真分析与研究
• 3.7.4 不同的电机参数对系统的影响
• 3.7.5 系统对周期性信号的跟踪
• 3.8 本章小结
• 第四章 伺服控制系统的硬件实现
• 4.1 引言
• 4.2 伺服系统硬件总体构架
• 4.3 系统主电路的设计
• 4.4 基于 DSP 的外围电路设计
• 4.4.1 DSP 芯片的选型及其内部结构
• 4.4.2 双供电 DSP 电源设计
• 4.4.3 SCI 通讯接口设计
• 4.4.4 电流检测与采样电路
• 4.4.5 母线电压检测与采样电路
• 4.4.6 系统保护电路的设计
• 4.5 位置检测电路设计
• 4.6 脉冲给定信号输入电路
• 4.7 基于单片机的手持面板设计
• 4.8 本章小结
• 第五章 伺服控制系统的软件实现
• 5.1 引言
• 5.2 CCS3.3 软件简介
• 5.3 系统软件总体构架及标幺值设计
• 5.4 软件设计总流程图
• 5.4.1 电机磁极初始定位与零位偏差校正
• 5.4.2 滑模控制器的软件实现
• 5.4.3 定时器 INT3 产生的程序主中断
• 5.4.4 外部脉冲给定 CAP 中断
• 5.5 DSP 与上位机（MCU）的通讯
• 5.5.1 通讯程序设计
• 5.5.2 通讯协议
• 5.6 本章小结
• 第六章 系统实验结果与分析
• 6.1 引言
• 6.2 系统样机与实验平台
• 6.3 系统实验结果及分析
• 6.3.1 电流闭环实验
• 6.3.2 转速闭环实验
• 6.3.3 位置闭环实验
• 6.3.3.1 位置环电机启停实验
• 6.3.3.2 位置环跟踪周期性信号实验
• 6.4 本章小结
• 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文