摘 要:应用MATLAB仿真设计滑模变结构控制器,通过在低速伺服系统中的仿真试验及与经典PID控制器比较,验证了滑模变结构控制器可以较好地解决零速度爬行问题。
关键词:交流伺服系统; PID控制;滑模变结构控制(SMC)
随着微电子、计算机、电力半导体和电机制造技术的巨大进步,交流伺服运动控制系统日益成熟,应用更加广泛,特别是永磁同步电动机伺服系统[2]。众所周知,交流伺服系统中的电机是一个非线性、强耦合及时变性的控制对象,加之系统运动时易受到不同程度的干扰,其特点为滑模变结构控制所提供了用武之地。变结构控制是一种非线性控制,具有响应速度快、对系统参数和外部干扰呈不变性,利用滑模控制方式,强迫系统状态变量沿着人为设计的相轨迹滑到期望点,从而使得系统在滑模面上运动时具有比鲁棒性更加优越的不变性,可保证系统是渐进稳定的,其算法简单,易于工程实现,但它存在抖振[6]。目前,国内外学者利用变结构技术提出了一些交流伺服系统控制策略,如在文献[3]提出的是积分变结构控制方法,文献[4]研究了基于极点配置的滑模变结构控制,文献[5]利用了模糊与滑模控制相结合的策略等。本文针对交流伺服系统在低速时的位置控制提出了一种指数趋近率的滑模变结构控制方法,只要参数选择合适,不仅能保证系统滑动模运动的快速性及良好鲁棒性能,又可以减弱系统抖振对实时控制带来的不利影响。最后给出的仿真实验验证了其可行性与有效性。
摩擦是影响系统低速性能的重要因素,它不但造成系统的稳态误差,还使系统产生爬行、振荡,出现严重的非线性现象。从控制的角度来说,提出滑模变结构控制是为了克服机械伺服系统中摩擦环节引起的不良影响。对于机械伺服系统,摩擦环节会产生以下影响:
(1)零速度时存在的静态摩擦将使系统响应表现出死区特性,系统稳态响应具有多个平衡点,为一条线段,使系统存在很大的静态误差。
(2)当输入位置为斜坡信号时,系统会出现静、动、静、动的跳跃运动,即低速爬行的现象。
(3)在零速度时,由于静态摩擦不是连续的,并且多值,使系统在速度过零时的运动不平稳,出现平顶现象。可用比较著名的摩擦模型Stribeck曲线来描述伺服系统中摩擦环节的影响。
在建立永磁同步电动机伺服系统数学模型的基础上进行了数次的仿真试验,验证了基于指数趋近率的滑模变结构控制方法的可行性;上述参数是在这些仿真试验后得到比较理想的一组。
(1)起动电流的抑制是无刷直流电动机起动过程研究的重要内容,本文对斜坡电压控制的电动机起动过程电流进行了分析,得到了影响起动电流的
参数,同时得到了电流峰值与斜坡有效控制时间之间的关系。
(2)斜坡电压控制方法有效地抑制了起动电流,实现了电动机快速起动。
(3)斜坡电压可以通过软件的编制调节PWM占空比实现,从而可以实现电动机的软起动,不需要对系统的硬件进行改动。
(4)电动机的起动效率对应于起动过程的发热,因此对于频繁起动的电机可以根据实际选择起动时间。
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