一种直流电机的驱动-调速一体式约束预测控制方法技术

本发明专利技术公开了一种直流电机的驱动‑调速一体式约束预测控制方法，本发明专利技术将这种驱动‑调速一体式的控制技术应用于直流电机，首先利用广义比例积分观测器技术在串级电路和转速的光电编码器采集的转速信息的基础上对系统的集总干扰进行估计，得到重构后的集总干扰信息，结合模型预测控制相关技术设计出针对直流电机的带输入约束的输出反馈控制器，在保证系统动态响应性能的基础上，因为不需要使用电流、电压以及转矩传感器，降低了系统的成本，提高了系统容错能力，同时可以明显地抑制参数摄动和负载转矩突变等因素引起的干扰，从而大大提高直流电机系统的输出转速的控制精度和干扰抑制能力。

A DC motor drive speed control integrated constrained predictive control method

The invention discloses a DC motor drive speed control integrated constrained predictive control method, the invention will drive the application of control technology control integrated in DC motor, firstly the system aggregate interference based on photoelectric encoding speed information acquisition device of cascade circuit and the speed of estimation by using the generalized proportional integral observer technique, total interference set information reconstruction after the combination of model predictive control technology designed for DC motor with input constrained output feedback controller based on dynamic response performance guarantee system, because it does not require the use of current, voltage and torque sensor, reducing system cost and improving system fault tolerance, and can inhibit the parameter disturbance and load torque caused by mutation and other factors, thus greatly improving The control precision and interference suppression ability of the output speed of the DC motor system.

【技术实现步骤摘要】
一种直流电机的驱动-调速一体式约束预测控制方法
本专利技术涉及电力电子变换器和直流电机控制
，特别是一种直流电机的驱动-调速一体式约束预测控制方法。
技术介绍
直流电机的启动转矩大且具有较好的调速性能，因而在速度控制和位置控制中一直占据着统治地位，广泛应用于飞行器、移动机器人、汽车电子、光电伺服系统以及其它很多工业领域。直流电机驱动器最早是由以串联或并联方式连接的电阻网格组成的。变阻器控制的优点是其结构简单，成本低，但变阻器控制效率差，因为大量的能量随着电阻中的热量而消散。另外，这种控制方式是不能提供平稳的转速调节，易导致突变和急动。随着电力电子技术的发展，直流电机控制中主要采用的是控制器对直流电机的供电电压进行脉宽调制(PWM)。例如，直流斩波器,FET驱动器等。专利技术专利CN101917153A智能电机控制系统中驱动电路就主要采用了MOSFET进行PWM调制。如专利技术专利CN105450109直流电机控制装置所说，如果要对直流电机进行双向即正反转控制，只需在驱动器与直流电机之间加入一个H桥电路。众所周知，相比于交流电机，直流电机的调速策略更简单、实现的成本更低。直流电机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流电机的驱动‑调速一体式约束预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、分别以直流降压变换器的电容电压、电感电流为状态量，采用时间平均技术，建立直流降压变换器的状态空间平均模型；步骤2、在永磁有刷直流电动机中，根据电机转速变化的机械过程和电量变化的电磁过程这两个过程，从电枢电压的平衡方程和转矩平衡方程出发，与步骤1得到的状态空间平均模型结合，消去中间变量，同时考虑未知的负载转矩的干扰，建立Buck变换器直流电机串级系统的受扰状态空间模型；步骤3、针对步骤2得到的受扰状态空间模型，设计广义比例积分观测器，估计由参数摄动和负载转矩突变引起的集总干扰；步骤4、在步骤3设计的广义比例积分观测...

【技术特征摘要】
1.一种直流电机的驱动-调速一体式约束预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、分别以直流降压变换器的电容电压、电感电流为状态量，采用时间平均技术，建立直流降压变换器的状态空间平均模型；步骤2、在永磁有刷直流电动机中，根据电机转速变化的机械过程和电量变化的电磁过程这两个过程，从电枢电压的平衡方程和转矩平衡方程出发，与步骤1得到的状态空间平均模型结合，消去中间变量，同时考虑未知的负载转矩的干扰，建立Buck变换器直流电机串级系统的受扰状态空间模型；步骤3、针对步骤2得到的受扰状态空间模型，设计广义比例积分观测器，估计由参数摄动和负载转矩突变引起的集总干扰；步骤4、在步骤3设计的广义比例积分观测器基础上，考虑输出反馈和集总干扰的情况，基于带约束的离散模型预测控制理论，设计带输入约束的离散模型预测控制器，最终得到作用在Buck变换器直流电机串级系统的最优控制律；步骤5、将步骤4得到的带输入约束的离散模型预测控制器得到的最优控制律经dSPACE实时控制器的PWM模块输出，产生PWM驱动信号，通过实时改变PWM驱动信号占空比，控制永磁有刷直流电动机的输出转速。2.根据权利要求1所述的一种直流电机的驱动-调速一体式约束预测控制方法，其特征在于，步骤1所述的直流降压变换器的状态空间平均模型为：其中，vo为Buck变换器的输出电压，同时也是永磁有刷直流电动机的电枢电压，iL0为电感电流，C0、R0、L0和E分别为直流降压变换器中电容、电阻、电感和输入电压的标称值，u为控制量占空比信号，t为时间。3.根据权利要求2所述的一种直流电机的驱动-调速一体式约束预测控制方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为：在步骤1建立的直流降压变换器的状态空间平均模型基础上，对Buck变换器直流电机串级系统后半部分的永磁有刷直流电动机进行建模；根据电枢电压的平衡方程和转矩平衡方程，建立Buck变换器直流电机串级系统的状态方程；最后，消去一些中间量，得出Buck变换器直流电机串级系统的受扰状态空间模型：其中ia是直流电机电枢电流，ke是反电动势常数，km是转矩常数，La是电枢回路的电感，Ra是电枢回路的电阻，J0是转动惯量，τL是负载转矩，b是电机的摩擦系数，ω是电机轴的转动角速度；令x＝(x1,x2,x3,x4)T＝(iL0,vo,ia,ω)T，上标T为转置，将未知的负载转矩看作Buck变换器直流电机串级系统的外部未知负载转矩的干扰，记为d，则Buck变换器直流电机串级系统的状态空间方程为如下形式：其中是x的一阶导数，y是Buck变换器直流电机串级系统的输出即永磁有刷直流电动机的转动角速度，对y连续多次求导，再通过坐标变换，得到：y(4)＝f+mu(4)其中f为Buck变换器直流电机串级系统受到的集总扰动且是的函数，分别为y和外部未知负载转矩的干扰d的各阶导数，m＝CA3Bu，令将式(4)写成状态空间方程的形式，得到最终的Buck变换器直流电机串级系统的受扰状态空间模型其中是z的一阶导数，4.根据权利要求3所述的一种直流电机的驱动-调速一体式约束预测控制方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：将步骤2得到的Buck变换器直流电机串级系统的受扰状态空间模型扩张ρ阶，f及f的1至ρ-1阶导数分别记为z4，z4+1，…，z4+ρ-1；扩张后的系统用公式描述为：其中，利用前向差分对增广后的Buck变换器直流电机串级系统即公式(6)进行离散化，再基于第k个采样周期测量出的永磁有刷直流电动机的输出转速y(k)以及第k个采样周期作用在Buck变换器的输入占空比u(k)，设计的离散广义比例积分观测器由下式给出：其...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨俊，张璐，吴晗，李世华，王翔宇，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32