试谈以太网基于工业以太网总线型交流伺服系统关键技术查抄袭率

摘要：交流永磁同步伺服系统在现代数控加工和机器人等运动制约领域具有无可替代的地位,然而由于国内伺服行业起步晚、经验少、技术水平低等理由,高端伺服驱动系统仍然被国外所垄断。为推动我国产业升级,提升民族制造业水平,本论文对总线型交流伺服驱动系统的关键技术进行了深入探讨。通过对伺服系统总线接口技术的探讨,将工业以太网技术运用于交流伺服驱动系统,立足实现伺服驱动系统网络化制约；通过浅析和探讨模型参考自适应系统(Model Reference Adaptive System, MRAS)和卡尔曼滤波器(Kalman Filter, KF)等相关论述,实现了伺服系统制约参数在线自整定以及超低速下的平稳制约。首先,探讨了实时工业以太网在伺服驱动系统中的运用。对课题组自主研发的以太网总线技术EtherMAC (Ethernet for Manufacturing Automation Control)进行了改善和改善,针对伺服驱动装置对总线制约接口的特殊要求,设计了EtherMAC伺服驱动以站的物理层、数据链路层和运用层。规划了用于伺服驱动系统的以太网数据帧协议标准,其中包括通讯制约指令、伺服制约指令及运转状态反馈数据。实验结果表明,在不利用强实时操作系统和专用网卡条件下,本论文所设计的总线型伺服驱动以站可以满足伺服系统对实时性和同步性的要求。其次,依据现约论述浅析了伺服驱动系统各环节的传递函数,为实现被控对象参数辨识、闭环制约参数自整定以及超低速平稳制约等探讨提供良好的论述依据,并依此建立了电流环、速度环和位置环三环串级制约结构中各环路的数学模型。为提升内埋式永磁同步电机(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPM)的驱动效率,改善调速性能,本论文针对其特殊的磁路结构,探讨了最大转矩电流比(Maximum Torque Per Ampere, MTPA)的电流矢量制约对策,提出了一种适于工程运用的近似实现策略。然后,对伺服驱动系统制约参数自整定对策进行了探讨。通过对伺服系统中的被控对象进行特点浅析,提出了基于模型参考自适应论述的被控对象特点参量的在线辨识策略。建立了永磁同步电动机(Permanent MagnetSynchronous Motor, PM)电枢绕组电阻、等效同步电感、永磁体磁链和系统转动惯量在线辨识的可调参数模型,并依据Popov超稳定论述设计了自适应规则。通过浅析各制约环节的数学模型,依据二阶最佳系统、三阶最佳系统等系统矫正论述,推导出伺服驱动系统电流环、速度环和位置环中制约参数的整定规则,并利用在线辨识出的特点参数实现制约参数的在线自整定。仿真和实验表明,本论文提出的参数在线辨识策略收敛速度快、辨识精度高且具有良好的适应性,可在需要更新被控对象特点参数时随时执行；制约参数经自整定后有效地改善了伺服系统的动态性能,增强了伺服驱动系统的鲁棒性。此外,探讨了交流永磁同步伺服系统超低速制约对策。针对伺服驱动系统中低速和超低速平稳制约这一难点不足,提出了一种基于(扩展)卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filter, EKF)最优估计论述,适用于宽转速、高噪声环境下的电机瞬时转速、角位移和等效负载转矩的在线估计策略。并利用MRAS在线辨识出的系统转动惯量对估计器的状态矩阵进行实时更新,实现转动惯量自适应状态估计。依据估计出的等效负载转矩设计了转矩前馈环节,用以提升伺服驱动系统的转矩响应速度,降低负载变化率。同时,对常规M/T速度检测策略进行改善,以消除非完整编码器脉冲周期造成的测速误差。根据伺服驱动系统在不同速度区间的运转特性,提出了一种伺服驱动系统变结构优化制约案例。该案例根据当前电机转速的不同,动态调整电流环和速度环的制约周期,并配置最优的制约和参量反馈对策。实验结果表明,该优化配置对策可以提升伺服系统中、高速区域的动态响应,且保证电机在低速和超低速区域的平稳运转,使得伺服驱动系统在较宽的速度范围内均可获得良好的制约性能。最后,研发了基于实时工业以太网的总线型交流伺服驱动系统。设计了总线型伺服驱动硬件平台,开发了基于STM32F4系列ARM (Advanced RISC Machines)制约器的PM矢量制约算法库和以太网运用层程序,并设计了上位机图形化用户运用程序用于伺服制约和调试。实验结果表明,所设计的总线型伺服驱动系统具有良好的电流环、速度环和位置环动、静态性能。本探讨的成功实施为工业以太网总线在伺服驱动领域的广泛运用提供了一条有效的途径,为解决伺服驱动系统中制约参数在线自整定、超低速平稳制约等难点不足提供了一套可行的案例。关键词：伺服论文以太网总线论文自整定论文超低速论文

摘要13-16

Abstract16-19

符号说明19-21

第1章 绪论21-39

1.1 探讨背景及作用21-22

1.2 交流伺服系统国内外探讨近况22-30

1.2.1 伺服系统进展概述22-25

1.2.2 交流永磁伺服驱动系统制约对策25-27

1.2.3 制约参数自整定对策27-29

1.2.4 伺服系统低速检测策略29-30

1.3 伺服驱动系统接口技术探讨近况30-35

1.3.1 工业现场总线进展历程与走势31-33

1.3.2 伺服驱动系统接口技术进展近况33-35

1.4 本论文拟解决的不足及主要探讨内容35-39

第2章 伺服驱动系统工业以太网总线接口技术探讨39-63

2.1 总线型伺服驱动系统功能需求浅析39-42

2.2 EtherMAC介绍42-43

2.3 EtherMAC通讯机制43-47

2.3.1 拓扑结构与通信模型43-44

2.3.2 同步制约案例44-47

2.4 通讯协议规划47-52

2.4.1 数据帧结构48-49

2.4.2 通讯指令49-50

2.4.3 伺服制约指令及反馈数据50-52

2.5 伺服驱动以站设计52-58

2.5.1 整体结构规划52-53

2.5.2 EtherMAC物理层设计53

2.5.3 数据链路层功能实现53-56

2.5.4 伺服驱动运用层设计56-58

2.6 实时以太网性能测试58-60

2.7 本章小结60-63

第3章 交流永磁同步电机矢量制约系统设计63-83

3.1 矢量制约系统结构63-64

3.2 伺服驱动系统各环节的传递函数64-70

3.2.1 永磁同步电机传递函数64-68

3.2.2 参量检测环节传递函数68-69

3.2.3 脉宽调制逆变器的传递函数69-70

3.3 电流环、速度环及位置环建模与浅析70-75

3.3.1 电流环数学模型70-71

3.3.2 速度环数学模型71-73

3.3.3 位置环数学模型73-75

3.4 内埋式永磁同步电机最大转矩电流比的电流矢量制约75-80

3.4.1 IPM的磁路特性75-76

3.4.2 最大转矩/电流制约对策设计及实现76-80

3.5 矢量制约系统特性浅析80-82

3.6 本章小结82-83

第4章 交流伺服驱动系统在线参数辨识及自整定探讨83-109

4.1 被控对象特点参数辨识历程浅析83-86

4.1.1 辨识对象特点浅析83-84

4.1.2 辨识历程浅析84-86

4.2 基于模型参考自适应论述的系统参数在线辨识86-94

4.2.1 MRAS参数辨识系统建模86-89

4.2.2 自适应规则设计89-94

4.3 电流环、速度环及位置环制约参数自整定探讨94-100

4.3.1 电流环参数自整定94-96

4.3.2 速度环参数自整定96-98

4.3.3 位置环参数自整定98-100

4.4 仿真和实验浅析100-109

第5章 交流永磁同步伺服系统超低速制约对策探讨109-141

5.1 M/T速度检测策略的探讨与改善109-111

5.2 基于卡尔曼滤波器的伺服状态在线估计111-119

5.2.1 卡尔曼滤波器状态估计建模112-116

5.2.2 速度、角位移及转矩在线估计116-119

5.3 自适应扩展卡尔曼滤波器设计119-125

5.3.1 扩展卡尔曼滤波器状态估计建模119-122

5.3.2 EKF状态估计与鲁棒性浅析122-125

5.4 矢量制约伺服驱动系统变结构优化设计125-128

5.4.1 矢量制约参量反馈对策浅析125-126

5.4.2 变结构伺服驱动系统优化设计126-128

5.5 仿真和实验浅析128-140

5.6 本章小结140-141

第6章 总线型伺服驱动装置设计与实现141-165

6.1 伺服驱动装置硬件设计141-152

6.1.1 功率驱动电路设计142-148

6.1.2 数字制约电路设计148-152

6.2 伺服驱动系统软件开发152-158

6.2.1 PM矢量制约算法库152-156

6.2.2 上位机伺服制约软件156-158

6.3 总线型伺服驱动系统性能测试158-162

6.3.1 电流环响应158-160

6.3.2 速度环响应160-162

6.4 本章小结162-165

第7章 总结与展望165-169

7.1 全文总结165-166

7.2 本论文主要革新点166-167

7.3 探讨展望167-169