电机驱动与运动控制——考试论述题

0. 要求

1. 简短的问题描述
2. 解决方案以及必要的解释与论述（优缺点、可行性分析）
3. 该方法的不足以及自己的改进想法（重点，如算法效率，有别的扰动未考虑）

1. 传动机构和直流电机与机器人

1.1 问题描述

• 无刷直流电机既有优良的转矩特性以及宽阔而平滑的调速性能，又克服了机械换向装置的固有缺点，因此无刷直流电机的应用和研究收到了广泛的重视。
• PI 控制具有原理简单，使用方便，适应性强，鲁棒性强的优点，但是在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不稳定的复杂过程时，无论怎么调参，效果总是不够理想。
• 本文在无刷电机调速系统中，将传统 PI 控制与新型预测控制相结合，可以使系统的抗干扰能力有很好的提高。

1.2 解决方案

1.2.1 调速系统的建立

• 无刷直流电机的系统模型：
  • 由于无刷直流电机的气隙磁场、反电动势以及电流是非正弦的，利用电机本身的相变量来建立其数学模型，相比于采用传统的直、交轴坐标变换，简单且准确度高。
  • 采用调压调速的方式可以实现无极调速，使系统相对稳定。
• 采用预测控制的无刷直流电机调速系统
  • 由于无刷直流电机的电磁转矩直接正比于转子电流，将电动机所带负载的转矩信号进行反馈，有利于提高电机的带负载能力。
  • 采用双闭环结构，其中，外环为转速环，采用转速预测与 PI 控制相结合的控制方式，内环为转矩反馈控制，根据负载转矩的大小来控制绕组电流，以达到系统有更强的稳定性。
  • 根据给定转速，并通过电机当前时刻的实际转速与电机前一时刻的转速做出推断，由预测装置预测出下一时刻电机的转速大小，进而更好地知道控制装置对电机转速进行控制。

1.2.2 对调速系统控制方式的改进

• 预测控制的基本原理
  • 一种利用预测变化的趋势进行调节的控制算法。
  • 三个基本特征：预测模型、滚动优化、误差校正。
  • 采用多阶增量预测的方式，以较少的运算量，达到最佳的控制效果。
• 预测控制方式的改进
  • 转速的二阶增量预测方法：
    • 一阶增量预测仅在转速随时间近线性变化的情况下，误差才比较小，对于非线性转速随时间变化的情况，这种预测方式误差较大。
    • 使用转速的二阶增量对未来的转速进行预测，更接近于电机未来的实际转速。
  • 转速预测推广到 n 阶：
    • 应在满足误差需要的前提下，尽量使用较小的阶数来实现预测的目的，以减小计算量。
    • 随着未来时刻的延长，电机预测的下一时刻距离当前越来越久远，电机转速的预测值的误差也随着时间持续增加，可信度下降。
• 预测与PI控制的结合
  • 通过滚动优化，不算校正预测转速的数值。
  • 由于下一刻距离当前时刻越远，所预测转速的准确度越低，预测时更注重于距离当前时刻较近的预测值。

1.2.3 仿真分析

• 在这里 采用PI 调参无法兼顾在减小调节时间和提高抗扰动性的同时减小超调量及扰动后振动次数。
• 采用改进的预测 PI 控制，系统的快速性和稳定性有了明显改善，扰动后调速误差明显降低。
• 但是启动后转速上升末尾预测的准确性存在波动。

1.3 自己改进想法

• 增加了数个变量，使控制变得复杂，增加了不稳定因素，结果会受到表达式阶数选取的影响。
• 可采用基于遗传算法，优化 BP 神经网络的多个初始条件，通过模型训练学习快速得到 PID 的三个参数，利用遗传算法的全局性的优点对 BP 神经网络的结构和权值同时进行寻优，解决 BP 神经网络的局部极小值和收敛速度等问题，使得无刷直流电机的调速控制有更好的全局性和鲁棒性。

1.4 参考文献

[1] 付光杰,赵子明.改进转速预测控制的无刷直流电机调速研究[J].组合机床与自动化加工技术,2014(08):67-71+74.
[2] 李红亮,王加祥,曹闹昌,杜少远.无刷直流电机调速智能优化控制[J].计算机仿真,2015,32(10):426-429+438.

2. 交流/步进电机与机器人

2.1 问题描述

• 采用附加的编码器检测电机轴位置形成闭环，并采用模糊逻辑等控制策略，其系统实现成本和复杂度较高。
• 由于驱动技术的发展，电机艮宫输入脉冲的能力不断提高，再通过合理的加减速曲线设计，可以有效地避免丢步现象。
• 本文以步进以步进电机回转运动系统为对象，考虑了转轴刚度不同的前提下，设计具有高阶平滑的电机运行曲线。

2.2 解决方案

• 根据振动理论，系统的残余振动幅度值主要取决于作用力频谱在系统谐振频率处的幅值。因此，采用平滑的加速度曲线可以较好地抑制输入力矩的高频分量，有效放置谐振激发，同时使得加加速度函数连续，减弱对系统的冲击。
• 由于三角函数具有高阶平滑的特性，本文设计了基于三角函数的步进电机运行曲线。
• 将加速过程分为三个阶段，即加加速度、恒加速度、减加速度。加加速度和减加速度阶段分别采用正矢函数的上升段和下降段实现平滑过渡。
• 相比于指数型加速，基于正矢函数的运行曲线加速度过渡更加平滑，有效地抑制了高频分量，减小了对系统的冲击及残余振动。

2.2.2 缺点

• 当转轴刚度降低时，为了给负载提供足够的驱动力矩，负载与电机轴的相对运动增大，使负载无法完全跟踪电机转轴而产生波动。
• 同时，由于负载转动惯量较大，它与转轴之间的相对运动导致的力矩波形将引起电机输出力矩的波动，在步进电机回转系统中应尽量避免采用柔性连轴机构。

2.3 自己改进想法

• 正矢型加减速曲线，能较好地抑制运动过程中的冲击及残余振动，但并不适合对动态响应有快速要求的场合。
• 建立两相混合式步进电机开环控制系统仿真模型，设计一种与电机矩频特性更为复合且可用于实时在线计算的抛物线型加减速曲线算法。可以在相同的控制周期内，显著提高最大无矢步转动角度，中间过程的位置跟踪误差和平衡位置处的残余振荡误差也较小，具有更快速的动态响应能力。

2.4 参考文献

[1] 周黎,杨世洪,高晓东.步进电机控制系统建模及运行曲线仿真[J].电机与控制学报,2011,15(01):20-25.
[2] 王邦继,刘庆想,周磊,卜朗,李相强,张健穹.步进电机控制系统建模及加减速曲线优化[J].电机与控制学报,2018,22(01):37-42+52.

3. 考试技巧与考试内容

把复习课PPT一字不落的背诵即可考满分，全部是默写定义概念，分析题无需自己分析，都是PPT上的结论，直接默写，最后一题是提前告知准备，考前背诵，考场默写即可。