一种提高无刷直流电机抗扰能力的复合控制方法技术

本发明专利技术公开了一种提高无刷直流电机抗扰能力的复合控制方法，其步骤包括：步骤S1：构建无刷直流电机状态方程，将参数摄动和外负载干扰归纳为总扰动，并建立无刷直流电机伺服系统状态空间模型；步骤S2：将所述总扰动作为扩展状态变量，通过分离系统可测状态与不可测状态，重建系统等价状态空间模型；步骤S3：构造降阶扩张状态观测器，在线估计总扰动和系统不可测状态；步骤S4：利用上述降阶扩张状态观测器的估计值和系统可测状态，设计基于扰动动态补偿的反步控制器，抑制扰动对系统输出的影响，提高系统的动态性能和鲁棒性，并保证系统输出对参考输入的准确跟踪。本发明专利技术具有实现简单、控制实时性强、跟踪精度高等优点。跟踪精度高等优点。跟踪精度高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种提高无刷直流电机抗扰能力的复合控制方法


[0001]本专利技术主要涉及到电机控制
，特指一种提高无刷直流电机抗扰能力的复合控制方法。

技术介绍

[0002]无刷直流电机不仅具有交流电机运行可靠、结构简单的优点，还具备直流电机运行效率高、调速性能好的特性，因此被广泛应用于航空航天、汽车电子、机器人等领域。在多数应用场合中，传统PID控制能够满足系统的性能要求，但是考虑到无刷直流电机本身是一个多变量、强耦合、非线性系统，当电机运行过程中受参数摄动和外部负载等较大不确定性干扰的影响时，传统控制方法的控制精度难以达到要求，严重时甚至损害系统的稳定性。因此，研究一种提高无刷直流电机抗扰能力的复合控制方法及系统具有重要的理论意义和应用价值。
[0003]为提高无刷直流电机伺服系统的扰动抑制性能和控制精度，近年来国内外学者进行了大量研究。
[0004]例如，文献(无刷直流电机转速伺服系统反步高阶滑模控制[J]，控制与决策，2016，31(6)：961
‑
968)提出一种新型的多滑模反步高阶滑模非线性控制方法，通过在控制律设计的每一步都引入二阶滑模Super
‑
Twisting算法，消除滑模抖振，抑制各级子系统的外部扰动及内部参数摄动对系统的不利影响，提高系统鲁棒性。
[0005]又例如，文献(无刷直流电机的分数阶滑模控制器设计[J]，火力与指挥控制，2018，43(6)：81
‑
85)提出一种无刷直流电机调速系统分数阶滑模控制策略，分别从滑模面和趋近律两方面进行分数阶滑模控制器的设计，有效地削弱了滑模变结构控制带来的系统抖振并提高了系统鲁棒性和控制精度。
[0006]又例如，文献(Gain
‑
adaptive robust backstepping position control of a BLDC motor system[J]，IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2018，23(5)：2470
‑
2481)提出一种增益自适应鲁棒反步控制器，用于无刷直流电机的位置跟踪与干扰抑制，其中增益学习机制能够实现在不同工作状态下所有控制器增益的自动调节，具有较强的灵活性。
[0007]值得注意的是，上述几种控制方法都使用全状态反馈控制，需要保证系统所有状态都能准确测量。而对于实际无刷直流电机伺服系统，通常只有电机转速方便直接测量，若要准确测量其他状态无疑增加了控制成本和电机的机械结构复杂性。此外，大量的测量噪声也可能会降低全状态反馈控制实现的可能性。
[0008]又例如，文献(基于改进广义预测控制算法的无刷直流电机控制仿真[J]，信息与控制，2017，46(3)：350
‑
357)针对无刷直流电机负载运行时稳态跟踪误差大、电机性能受负载不确定性影响的问题，提出了一种基于改进广义预测控制算法的调速方法。对于外部负载不为零引起的模型失配现象，采用负载反馈补偿来改善系统性能，但是这种补偿需要假设外部负载是完全可测的，而在实际控制系统中这样的假设通常难以实现。

技术实现思路

[0009]本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种实现简单、控制实时性强、跟踪精度高，同时鲁棒性能好的无刷直流电机伺服系统扰动抑制与转速跟踪控制方法。
[0010]为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0011]一种提高无刷直流电机抗扰能力的复合控制方法，其步骤包括：
[0012]步骤S1：构建无刷直流电机状态方程，将参数摄动和外负载干扰归纳为总扰动，并建立无刷直流电机伺服系统状态空间模型；
[0013]步骤S2：将所述总扰动作为扩展状态变量，通过分离系统可测状态与不可测状态，重建系统等价状态空间模型；
[0014]步骤S3：构造降阶扩张状态观测器，在线估计总扰动和系统不可测状态；
[0015]步骤S4：利用上述降阶扩张状态观测器的估计值和系统可测状态，设计基于扰动动态补偿的反步控制器，抑制扰动对系统输出的影响，提高系统的动态性能和鲁棒性，并保证系统输出对参考输入的准确跟踪。
[0016]作为本专利技术方法的进一步改进：所述步骤S1中，由电压平衡方程和转矩平衡方程推导出无刷直流电机状态空间模型。
[0017]作为本专利技术方法的进一步改进：所述步骤S4中，根据Lyapunov稳定性理论设计基于扰动动态补偿的反步控制器。
[0018]作为本专利技术方法的进一步改进：所述步骤S1中，所述无刷直流电机伺服系统状态空间模型的建立步骤如下：
[0019]步骤S101：假设反电动势波形为平顶宽度为120电角度的梯形波，驱动电路的功率器件为理想开关，三相绕组完全对称，则无刷直流电机三相绕组的电压平衡方程为：
[0020][0021]其中，u
a
(t)、u
b
(t)、u
c
(t)为定子绕组相电压，i
a
(t)、i
b
(t)、i
c
(t)为定子绕组相电流，R为各相绕组电阻，Ls为各相绕组电感，e
a
(t)、e
b
(t)、e
c
(t)为各相绕组反电动势。
[0022]电磁转矩方程为：
[0023][0024]式中，T
e
(t)为电磁转矩，ω(t)为电机转子的角速度。
[0025]转矩平衡方程为：
[0026][0027]式中，M
c
(t)为外负载转矩，J为电机转子和负载的总转动惯量。
[0028]步骤S102：电压平衡方程进一步表示为：
[0029][0030]式中，u(t)为加在两相导通绕组上的电压，i(t)为电枢电流，ε(t)为导通相绕组的
反电动势。
[0031]电磁转矩方程进一步表示为：
[0032][0033]当反电动势为梯形波时，导通相绕组的反电动势计算公式为：
[0034]ε(t)＝k
e
pω(t)
[0035]式中，k
e
是反电动势系数，p是电机极对数。
[0036]由电压平衡方程和转矩平衡方程建立无刷直流电机伺服系统状态方程：
[0037][0038]步骤S103：对转速子系统和电流子系统的微分方程表达式分别进行Laplace变换和Laplace反变换得到：
[0039][0040]电机在实际运行过程中受摩擦、涡流影响，其内部温度会发生变化，由此导致电枢绕组的电阻R和电感L
s
产生参数摄动现象。另一方面，外部负载的变化会引起转动惯量J的摄动。假设上式存在如下参数不确定性：
[0041][0042]其中，R0、L0和J0分别表示相电阻、相电感和转动惯量的标称值，R0ΔR、L0Δ上和J0ΔJ分别表示相电阻、相电感本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高无刷直流电机抗扰能力的复合控制方法，其特征在于，步骤包括：步骤S1：构建无刷直流电机状态方程，将参数摄动和外负载干扰归纳为总扰动，并建立无刷直流电机伺服系统状态空间模型；步骤S2：将所述总扰动作为扩展状态变量，通过分离系统可测状态与不可测状态，重建系统等价状态空间模型；步骤S3：构造降阶扩张状态观测器，在线估计总扰动和系统不可测状态；步骤S4：利用上述降阶扩张状态观测器的估计值和系统可测状态，设计基于扰动动态补偿的反步控制器，抑制扰动对系统输出的影响。2.根据权利要求1所述的提高无刷直流电机抗扰能力的复合控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，由电压平衡方程和转矩平衡方程推导出无刷直流电机伺服系统状态空间模型。3.根据权利要求1所述的提高无刷直流电机抗扰能力的复合控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，根据Lyapunov稳定性理论设计基于扰动动态补偿的反步控制器。4.根据权利要求1
‑
3中任意一项所述的提高无刷直流电机抗扰能力的复合控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述无刷直流电机伺服系统状态空间模型的建立步骤如下：步骤S101：假设反电动势波形为平顶宽度为120电角度的梯形波，驱动电路的功率器件为理想开关，三相绕组完全对称，则无刷直流电机三相绕组的电压平衡方程为：其中，u
a
(t)、u
b
(t)、u
c
(t)为定子绕组相电压，i
a
(t)、i
b
(t)、i
c
(t)为定子绕组相电流，R为各相绕组电阻，L
s
为各相绕组电感，e
a
(t)、e
b
(t)、e
c
(t)为各相绕组反电动势；电磁转矩方程为：式中，T
e
(t)为电磁转矩，ω(t)为电机转子的角速度；转矩平衡方程为：式中，M
c
(t)为外负载转矩，J为电机转子和负载的总转动惯量；步骤S102：电压平衡方程进一步表示为：式中，u(t)为加在两相导通绕组上的电压，i(t)为电枢电流，ε(t)为导通相绕组的反电动势；电磁转矩方程进一步表示为：
当反电动势为梯形波时，导通相绕组的反电动势计算公式为：ε(t)＝k
e
pω(t)式中，k
e
是反电动势系数，p是电机极对数；由电压平衡方程和转矩平衡方程建立无刷直流电机伺服系统状态方程：步骤S103：对转速子系统和电流子系统的微分方程表达式分别进行Laplace变换和Laplace反变换得到：假设上式存在如下参数不确定性：其中，R0、L0和J0分别表示相电阻、相电感和转动惯量的标称值，R0ΔR、L0ΔL和J0ΔJ分别表示相电阻、相电感和转动惯量的摄动量；在考虑参数摄动后，将进一步表示为：式中，控制输入增益f
total
(t)为包含参数不确定性和外负载干扰的“总扰动”，其具体表达式为：步骤S104：首先取x1(t)＝ω(t)，然后定义状态变量x
p
(t)＝[x1(t) x2(t)]
T
，控制输入为u(t)，系统输出为y
p
(t)＝ω(t)，建立无刷直流电机伺服系统状态空间模型：其中系数矩阵：显然，(A
p
，B
u
)能控。
5.根据权利要求4所述的提高无刷直流电机抗...

【专利技术属性】
技术研发人员：周兰，姜福喜，张铸，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：