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南航学者提出新型降阶观测器以抑制永磁直驱伺服电机补偿谐振

Scholars of China Southern Airlines proposed a new reduced order observer to suppress the compensated resonance of permanent magnet direct drive servo motor

作者:本站  来源:转载  浏览:811  发布时间:2023-02-28

        永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)具有功率密度大、功率因数高、起动转矩大、过载能力强、响应快、效率高等优点,在伺服驱动等众多领域得到了广泛应用。传统伺服系统中的执行机构包含大量如齿轮、皮带等传动机构,这些机构的存在,使得伺服系统效率降低,中间传动环节的弹性形变,传动机构间隙会造成伺服系统控制精度下降。

        为解决上述问题,直接驱动技术应运而生,通过将负载和电机轴直接相连,取消伺服系统中的传动机构,避免了减速机弹性形变、传动误差和组件摩擦的影响,使伺服系统能够拥有更高的定位精度、效率和响应能力,降低了振动噪声和维护成本。

        但由于直驱伺服电动机轴和负载直接相连,外部扰动直接传递到电机本身导致电机对扰动更加敏感,使伺服系统精度和性能降低。电机本身的齿槽转矩、高次电流谐波、磁阻效应等造成的输出扰动会直接作用在负载上,影响系统性能。在低速工况下,齿槽转矩、摩擦转矩等扰动会表现出更低的频率,由于电机本身具有低通滤波器特性,对低频扰动抑制能力差,所以上述问题带来的影响更加明显。

        南京航空航天大学自动化学院、中国船舶重工集团公司第七二四研究所的卜飞飞、郭子韬、顾毅君、轩富强、秦海鸿,在《电工技术学报》上撰文分析传统比例积分速度控制方法无法兼顾跟踪性能和抗扰性能的缺点。引入传统降阶状态观测器,对转矩扰动进行估计和前馈补偿;分析系统扰动转矩到真实转矩之间传递函数的伯德图及锯齿波响应,根据零极点对消原则对传递函数进行期望设计,引入微分环节对传统降阶观测器进行改进,给出改进观测器的锯齿波响应并证明其补偿响应速度的提升,提出基于引入微分模块的降阶观测器前馈补偿方法。


图1 改进型降阶状态观测器框图

        他们搭建永磁直驱伺服电动机扰动抑制实验平台,通过仿真和实验验证改进的降阶观测器对补偿谐振的抑制具有良好性能,且抗扰动能力更强,能实现较大扰动低速下的稳定运行。


图2 实验平台整体硬件实物

        研究人员指出,将微分环节引入降阶观测器中,能够提高观测器的补偿响应速度。改进的观测器对扰动转矩的观测无理论滞后,有效地解决了传统观测器中的补偿谐振问题。另外,基于降阶观测器的扰动抑制方法较其他方法相比,无需提前预知扰动信息,适合应对在实际应用中可能出现的各种无法预测的扰动转矩,在低速下观测性能较好,且实现简单,无需改变传统PI控制结构,可调参数较少,易于工程实现。

        他们表示,改进的降阶观测器虽然加入了微分环节,但其微分系数可调,不会使电机在低速工况下的位置信号测量误差被放大。据介绍,该扰动抑制方法,可以与不同的控制算法相结合,从而形成复合控制算法,普适性较强。

        研究人员进一步指出,本次课题是在传统PI控制的基础上进行了补偿,但PI控制存在其局限性,若将其他控制方法与观测器进行结合可能会带来更好的扰动抑制效果。此外,对于不同的扰动类型,改进的观测器效果及谐振点出现的规律,他们将开展深入的研究工作。