動力學前饋控制系統(tǒng)研究

陳立坡

(92785部隊 秦皇島 066200)

通過消去中間變量，可以得到以電壓uq(t)為輸入變量，電動機轉速ω(t)為輸出變量的傳遞函數:

1 引言

傳統(tǒng)交流伺服控制系統(tǒng)[1]的框圖如圖1所示。從圖中可以看出，交流伺服控制系統(tǒng)一般由電流控制環(huán)、速度控制環(huán)、位置控制環(huán)構成。其中，位置控制環(huán)在最外面，是主閉環(huán)，電流控制環(huán)和速度控制環(huán)為內環(huán)。

圖1 交流伺服控制系統(tǒng)的框圖

交流伺服控制系統(tǒng)一般由電機、功率變換器、傳感器、各種控制器等組成。其中，交流電機是進行能量轉換的部件，也是整個控制系統(tǒng)的被控對象，功率變換器是把提供電能轉換成所需要電能的裝置，是把通常使用的直流電或者交流電轉變成交流電控制所需要形式的裝置;傳感器是對伺服電機的繞組電流、轉子速度以及轉子位置進行檢測的裝置;控制器從傳感器獲得信號，并根據信號指令的控制要求，產生功率變換器所需要信號的裝置。

交流伺服電機在運動過程中，難免會受到外界干擾力的影響，尤其是在高速運轉的情況下，這些干擾力的存在會大大影響電機的控制精度。鑒于此，本文著重分析了一種基于動力學前饋的控制系統(tǒng)，目的是消除外界影響，從而大幅度提高高速運動的電機的控制精度。

2 交流伺服電動機的數學模型

參照文獻[2]，交流電機電壓平衡和轉矩平衡方程:

其中L為電機電樞電感;R為電機電樞電阻;Ke為電機反電動勢系數;Kt為電機電磁轉矩系數;J為電機轉子和絲杠的轉動慣量;Tem為電機電磁轉矩;Td為作用于電動機軸上的阻轉矩;ω為電機的轉速。

對式(1)進行拉氏變換后，可得下列代數方程組

通過消去中間變量，可以得到以電壓uq(t)為輸入變量，電動機轉速ω(t)為輸出變量的傳遞函數:

通過以上分析，可得交流伺服電動機數學模型，如圖2所示。

圖2 交流伺服電動機數學模型

3 交流伺服控制系統(tǒng)

在交流伺服控制系統(tǒng)中，交流伺服電機運行狀態(tài)的優(yōu)劣取決于位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三環(huán)控制器[3]設計的好壞。交流伺服控制系統(tǒng)有兩種，一種是位置伺服控制系統(tǒng)，包括電流控制器、速度控制器和位置控制器;另一種是速度伺服控制系統(tǒng)，只包括電流控制器和速度控制器。因此選取合適的參數，能夠在一定程度上提高系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性、準確性[4]。

在電流控制器、速度控制器和位置控制器中，電流控制器是最關鍵、重要的環(huán)節(jié)，因為不管是速度還是位置控制，最后都要轉化成對交流電機電流的控制。

速度環(huán)的作用是保證速度指令與交流電機的實際轉速相同，從而消除負載轉矩擾動等因素對交流電機的影響，通過交流電機的實際轉速和輸入的速度指令相比較，速度控制器利用其差值直接產生指令控制電流，并與電流指令共同作用，控制交流電機勻速、加速、減速旋轉，從而達到交流電機實際轉速與控制指令保持一致。

位置環(huán)的作用是生成交流電機的速度指令，并能夠使交流電機準確的跟蹤、定位。交流電機的實際位置與設定的目標位置相比較，位置控制器利用其偏差生成交流電機的速度指令。當交流電機啟動后，在距離目標位置較大的區(qū)域，位置控制器產生最大速度指令，從而使交流電機加速運動后以最大速度恒速運行，在距離較小的區(qū)域，位置控制器生成逐次減小的速度控制指令，從而使交流電機減速運動，直至到目標位置后靜止。

在沒有外界干擾的情況下，當輸入正弦信號時，交流伺服控制系統(tǒng)的輸出如圖3所示。

圖3 交流伺服控制系統(tǒng)正弦信號輸出

4 動力學前饋交流伺服控制系統(tǒng)

圖6 外界干擾交流伺服控制系統(tǒng)正弦信號輸出

從圖6中明顯看出，存在外界干擾力的影響，交流伺服控制系統(tǒng)很難保證其精度，動力學前饋控制系統(tǒng)能夠很好消除外界影響，提高精度。

交流伺服控制系統(tǒng)在使用交流伺服電機作為驅動部件時，工作中難免受到外界干擾力的影響，比如加工零件時的切削力等等，并且干擾力呈現(xiàn)不規(guī)則狀態(tài)，因此給系統(tǒng)引入白噪聲來代替外界干擾力，其控制流程圖如圖5所示。

存在外界干擾的情況下，當輸入正弦信號時，交流伺服控制系統(tǒng)的輸出如圖6所示。

存在外界干擾的情況下，動力學前饋控制系統(tǒng)正弦信號輸出如圖7所示。

圖7 外界干擾動力學前饋交流伺服控制系統(tǒng)正弦信號輸出

動力學前饋交流伺服控制系統(tǒng)控制框圖如圖8所示。

圖8 動力學前饋交流伺服控制系統(tǒng)控制框圖

5 結論

通過比較圖6、7，可以明顯看出，基于動力學前饋的控制系統(tǒng)可以很好地消除外界干擾力的影響，提高控制系統(tǒng)的精度，其仿真結果圖3和圖7保持一致。

[1]李珍國.交流電機控制基礎[M].北京:化學工業(yè)出版社，2009.

[2]徐金墀.高速高精度PCB數控鉆床進給伺服控制系統(tǒng)的控制探究[D].北京交通大學控制工程碩士學位論文.2009:20－56.

[3]寇寶全，程樹康.交流伺服電機及其控制[M].北京:機械工業(yè)出版社，2008:15－80.

[4]施麗婷.數控交流伺服系統(tǒng)三環(huán)整定及應用[J].南京工業(yè)大學學報 2006，28(4):36－40.