基于多电机同步联动消除齿隙的大功率伺服系统动力学建模与控制研究

随着现代工业与国防技术的飞速发展，对电机驱动功率和控制精度的要求越来越高。由于多电机同步联动可提供（超）大功率驱动，并能完全消除传动齿隙的影响，提高系统控制精度和可靠性，在工业、航空航天和国防等领域具有广泛的应用前景。但目前多电机同步联动控制的理论研究远不能满足其应用需求，许多问题亟待深入研究。本项目根据大功率、大负载惯量电机驱动系统特点，建立了包含系统刚性、碰撞弹性与传动柔性及相互耦合关系的系统动力学模型，深入分析电机、负载惯量等关键参数对动力学模型的影响，为大功率电机系统惯量匹配问题提供理论依据；进一步建立包含传动齿隙、偏置力矩的多电机同步联动控制系统数学模型；深入分析齿隙对偏置力矩的影响，并设计多目标优化方法对偏置力矩进行优化；最后，利用切换控制等理论对多电机同步联动控制系统进行深入分析和设计。研究成果通过实验系统进行分析验证，为工业系统、武器装备的研制提供重要的理论依据和技术支撑。

随着现代工业与国防科技的飞速发展，大负载惯量电机驱动系统的应用越来越广泛，控制精度和性能要求也越来越高。但大负载惯量驱动控制系统所表现出的传动柔性效应严重影响了控制系统性能，同时传动齿隙的存在进一步限制了系统性能的提高。. 本项目根据大负载惯量电机驱动系统特点，建立了包含结构刚性和传动柔性的刚柔耦合动力学模型，在此基础上，针对存在传动齿隙的永磁同步电机伺服系统，建立了具有偏置电压的多电机同步联动消除齿隙（消隙）系统模型，分析了电机和负载惯量、传动结构和参数等关键参数对动力学模型的影响；为了更好地进行控制器设计，将数学建模与控制器设计相结合，分别建立了双电机、四电机同步联动系统特征模型，降低了系统模型阶次，便于控制器的设计。. 为有效克服传动齿隙影响，针对存在传动齿隙的单电机驱动系统，设计了基于反步法的自适应模糊鲁棒控制，有效克服了齿隙的影响；为克服齿隙非线性、参数不确定性和未建模动态，设计了自适应鲁棒控制；进一步，将自适应鲁棒控制器和反步法相结合，设计了反步自适应鲁棒控制，通过仿真验证了算法的有效性。. 为了从物理上消除齿隙影响，同时提高系统的驱动功率、可靠性和冗余，本课题针对施加偏置电压的多电机同步联动消隙系统，深入开展了控制策略研究，分别研究了含传动齿隙双电机联动系统的反步自适应鲁棒控制器、反步自适应鲁棒控制算法的改进、双电机同步驱动伺服系统鲁棒动态面控制、双电机消隙同步驱动伺服系统高性能调速策略、复合抗扰动双电机调速方法、基于特征模型的双电机驱动系统的前馈+全系数自适应控制、基于特征模型的四电机驱动系统的前馈+全系数自适应控制和双电机同步驱动伺服系统执行器故障容错控制等研究，仿真结果和分析验证了所提控制算法的有效性。. 为验证多电机同步联动消隙控制策略的有效性，本课题建立了惯量可调的多电机同步驱动控制试验系统和相关软硬件，并将研究成果在实验系统上进行了调试，进行分析验证，实际系统调试结果进一步验证了本课题所研究算法的有效性，也为工业系统、武器装备的研制提供重要的理论依据和技术支撑。. 本课题在国内外重要学术刊物与会议上发表论文30篇，其中SCI收录3篇，EI 收录19 篇，申请发明专利4项，培养博士研究生4人、硕士研究生5人。