减小高速高精度机电伺服系统跟踪误差的若干关键技术研究

High speed and high accuracy are the seeking objectives of mechanical and electronic servo systems, but there are always contradictions between these two objectives. How to decrease the tracking error as much as possible when the system has a high speed is always a difficult question for many years. And this question is still open now.This question will be investigated deeply when the controlled process is AC permanent magnet synchronous motor in this project. Firstly,the reason of producing tracking error in servo systems and its compensation approaches will be studied.Secondly,the simplified model of the process in position loop in servo systems and the approaches to decrease its order will be investigated to get a new model with a rational order.Thirdly,the optimal design of the motion profile with a high order in servo systems will be researched. Forthly,the restain,the compesation and the numerical simulation of resonances model in servo systems will be investigated.Based on this simulation model,the coupling relationship between the bandwith of closed-loop system and the resonance mode will be explored. Finally,the two degree of freedom delay robust tracking controllers of servo systems will be investigated to increase the bandwidth of positon loop in servo systems.This new controller will increase the immunity,the robustness and the tracking accuracy of servo systems.The research results in this project will provide some new theory instructions and techenique supports for servo systems with high speed and high accuracy.

高速和高精度是机电伺服系统追求的目标，但这两者之间一直存在矛盾，在保持伺服系统有较快的运行速度的前提下，如何尽可能减小伺服系统的跟踪误差是伺服控制界多年来一直面临的一个难题，至今没有很好地解决。本项目拟以交流永磁同步电机伺服系统为对象对该问题进行深入的研究。 首先，研究伺服系统的踪误差的形成机理和补偿方法；其次，研究伺服系统位置环对象的高阶模型及降阶方法，探索伺服系统位置环对象的合理阶次的简化模型；再次，研究伺服系统的运动轨迹的高阶优化设计方法；再次，研究伺服系统中共振模态的抑制、补偿及其数值仿真方法，探索系统的闭环带宽和共振模态的关联问题；最后，研究伺服系统两自由度时延鲁棒跟踪控制器，拟扩展伺服系统位置环的带宽，期望在提高伺服系统抗扰性和鲁棒性的同时，也提高系统的跟踪精度。本项目的研究成果将为高速高精度伺服系统的设计提供理论支持和技术支撑。

高速和高精度是机电伺服系统追求的目标。在本项目的支持下，我们主要得到以下研究结果：（1）探索并得到了伺服系统跟踪误差的形成机理问题和误差估计方法；（2）建立了伺服系统位置环对象的高阶简化数学模型；（3）提出了伺服系统中加加速度为正弦平方的新型Motion Profile；（4）设计了伺服系的3阶和4阶S型Motion Profile的优化算法；（5）提出了伺服系统中单个和多个共振模态的仿真方法；（6）提出了一种用于检测伺服系统中共振频率的优化分裂基FFT算法；（7）研究并得到了伺服系统共振模态的共振频率与系统的闭环带宽的大致的定量关系；（8）提出了伺服系统中一种新的带通滤波器的设计方法；（9）提出了基于极点配置的PMSM位置伺服系统高阶对象的控制器设计方法；（10）设计了无传感器的PMSM伺服系统的电流控制器和观测器；（11）针对具有时延的PMSM驱动系统，提出了一种具有Smith预估器的新的鲁棒速度控制器；（12）提出了一种新的鲁棒内模控制器并将其应用于PMSM伺服系统的控制；（13）提出了一种基于新型趋近律的积分模糊滑模控制器并将其应用于PMSM伺服系统的控制；（14）设计了基于新型滑模观测器的无速度传感器的永磁同步电机的控制器；（15）提出了一种交流永磁同步电机转子位置开环辨识的新方法；（16）提出了一种应用于伺服驱动器的组合型中点SPWM采样方法；（17）提出了一种应用于伺服驱动器的产生多路SPWM波的组合式线性外推采样方法；（18）提出了一种应用于伺服驱动器的产生多路SPWM波的组合式局部倍频SPWM算法；（19）研究了伺服系统中基于FPGA的双通道多对极旋转变压器的新型测角系统设计；（20）提出了线性离散Riccati方程的一种新形式并研究了其在线性离散系统指数稳定性分析中的应用。共发表学术论文42篇，9篇论文被SCI 收录，19篇论文被EI 收录, 北大中文核心期刊论文9篇。申请专利45项，其中已授权12项发明专利和18项实用新型专利,登记软件著作权14件。培养并已毕业硕士研究生11名。获得江苏省科技进步三等奖1项。本项目的研究成果将为高速高精度伺服系统的设计提供理论支持和技术支撑。