基于电流预测控制的永磁交流伺服系统在线参数自整定控制策略

通过对永磁交流伺服系统电流环带宽和控制器参数自整定技术的研究，突破现有技术瓶颈，提升国产伺服技术水平。制约电流环频响的主要原因是层叠控制结构中的各种延时因素，例如采样、滤波和运算时间等，综合考虑电流采样技术和PWM调制技术，提出减少延时时间的措施。同时，考虑矢量控制电机交直轴电压耦合、电压限幅和电压输出畸变等非线性因素，建立完备的离散化电流环模型，实现电流预测控制与各种非线性因素补偿算法的统一设计，明确电流环设计带宽，并进行仿真和实验验证。设计一种真正意义上的在线转动惯量辨识策略，使控制器在实际运行中提取相关信息，获得负载转动惯量。结合规则法和模型法的优点，给出控制器在线参数自整定控制策略，获得位置环和速度环的控制参数，使系统始终保持最佳性能响应，同时，突破现有伺服系统对智能性的要求，使伺服控制器具有在线学习、在线提高的能力。

目前，国产交流伺服系统同欧美和日本等发达国家的产品在关键技术上还存在较大的差距，主要体现在伺服系统的动态响应性能和控制的智能性上。为拓宽电流环带宽而进行电流环控制策略研究，可从根本上提高PMSM伺服系统的动态品质，为实现高性能数字化伺服系统奠定重要基础。此外，实现伺服系统在线参数自整定是实际应用的迫切需要，对于提高伺服系统随动性、抗扰性、控制精度及鲁棒性，具有十分重要的意义，也是伺服系统向智能化发展的必然趋势。.申请人已对电流环带宽拓展、电流预测控制，在线惯量辨识以及参数自整定等技术进行深入研究，并取得预期的理论及实际应用成果。采用双采样双更新PWM调制技术，在开关频率不变的条件下实现电流环带宽扩展，提高系统的动态响应，电流环频响的提高直接改善了速度控制的响应能力。在此研究的基础上，提出采用电流预测控制策略，可到达电流环带宽的理论极限，即1/6的PWM调制频率。PWM更新维持单采样单更新方式，通过预测下一步电压参考值达到电压动态解耦，实现高性能电流环动静态响应，重点解决其模型鲁棒性差以及由此产生的静差问题。速度环和位置环的控制器参数设置取决于系统负载惯量，因此快速准确的负载惯量辨识技术是参数自整定控制策略的重要基础。研究了多种离/在线惯量辨识技术，提出一种真正意义上的在线惯量辨识技术，自动捕获系统动态信息并不受负载转矩的影响，惯量辨识精度可保证在5%以内，通过大量的实验验证了其有效性与实用性。提出了一种新颖的PMSM伺服系统控制参数自整定及优化方法，利用频域法设计获取控制参数的初始值，然后以ITAE为阶跃响应的评价函数，通过2DOF整定法在初始值附近搜索使系统工作于最佳控制性能的PI参数值。该方法的优点在于整定后系统具有明确的频域指标，而且参数的小范围优化可提高整定过程的鲁棒性。最后，针对PI控制器积分饱和问题，对比分析多种anti-windup控制策略，提出一种最优的anti-windup控制策略，系统实现快速且零超调地阶跃响应，并且不受指令或负载等因素影响。