● 摘要
大转动惯量负载对高精度无刷直流力矩电动机位置伺服系统所带来的问题在于：转速变化会产生较大的惯性转矩，影响系统的动态性能，特别是在系统启动、停止的情况下，表现尤为明显；另外，当电动机拖动不同负载时，若负载的转动惯量差异较大，也会使系统的控制性能产生较大的变化。本文选择了滑模变结构控制方法较为有效的解决了这一问题。本文完成了基于滑模变结构控制方法的高精度位置伺服控制系统的总体方案设计。以数字信号处理器DSP为核心构建控制器、采用双通道旋转变压器和轴角数字转换器构成测角系统、三相桥驱动器IR2136和功率MOSFET构成逆变器、无刷直流力矩电动机作为执行元件。系统设计为位置、速度和电流三环控制方式。建立了无刷直流力矩电动机系统的数学模型，并进行了解耦和降阶处理。在此基础上，对适用于无刷直流力矩电动机高精度位置伺服控制的滑模变结构控制方法进行了深入的理论研究，提出了利用滑模变结构控制进行定位力矩补偿和0°控制频率调节的方法，给出了适于工程实现的滑模变结构控制算法。同时，为了比较分析，还设计了位置环和速度环的PI控制算法。对测角系统各个组成环节所引入的测角误差进行了详细的分析，给出了测角系统误差的定量值，并分析了测角系统误差对系统性能的影响。建立了无刷直流力矩电动机系统的仿真模型。该系统仿真模型包括：电机模型、功率桥模型、传感器模型、负载模型和控制算法模型等。利用此系统仿真模型对比分析了所设计的滑模变结构控制算法和PI控制算法对大转动惯量负载的控制效果以及对转动惯量变化的适应性；分析了测角系统误差、摩擦和位置分辨率死区对系统性能的影响；验证了所提出的定位力矩补偿方法和0°控制频率调节方法的有效性。构建了无刷直流力矩电动机位置伺服控制试验系统。试验系统由控制板、功率驱动板、无刷直流力矩电动机、双通道旋转变压器、电流传感器及相应的控制软件构成。