一种无刷直流电机伺服系统跟踪控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种无刷直流电机伺服系统跟踪控制方法，包括以下步骤：步骤S1：建立无刷直流电机伺服系统状态空间模型；步骤S2：利用加性状态分解方法，将原跟踪控制问题分解为线性时不变主系统的重复控制问题和非线性辅系统的鲁棒镇定控制问题；步骤S3：针对线性周期主系统，建立重复控制律；步骤S4：构造扩张状态观测器，对辅系统的不可测状态和等价输入干扰进行实时估计，建立基于等价输入干扰补偿的指令滤波反步控制规律；步骤S5：整合主系统和辅系统的控制规律，构造集成控制器，以实现系统对多源干扰的同时抑制和周期性参考输入信号的高精度跟踪。本发明专利技术的控制方法，对周期性参考转速信号跟踪精度高，控制简单、同时鲁棒性能好。能好。能好。

【技术实现步骤摘要】
一种无刷直流电机伺服系统跟踪控制方法


[0001]本专利技术涉及电机控制
，具体涉及一种无刷直流电机伺服系统跟踪控制方法。

技术介绍

[0002]无刷直流电机结构简单、功率密度高、调速性能好易于维护等一系列优点，已经在电动汽车、家用电器、航空航天等领域得到广泛应用。控制工程实践中，存在许多执行周期控制任务的系统，比如汽车生产中以无刷直流电机为驱动装置的机械臂系统，通常需要执行周期动作，如零件取放，产品喷漆，焊接等。由于这类任务具有预定路线和恒定周期，因此需要对机械臂系统的周期参考输入信号进行跟踪。又如机载光电稳定平台的伺服系统不仅受外界周期性信号干扰，还往往受控制系统内部周期性干扰，例如有瑕疵的伺服轴承产生与转速相关的噪声，旋转轴质量不平衡导致周期性振动力矩等。这些扰动将直接影响到平台的稳定精度，造成光电载荷的视轴抖动，降低图像捕获清晰度，削弱了光电稳定平台的稳定性和精度。重复控制为解决这些周期信号跟踪/抑制问题提供了有效的方法，其理论基础是内模原理，通过将周期信号的内部模型植入到稳定的闭环系统中，实现对目标信号无偏差的稳态跟踪/抑制。重复控制由于结构简单，控制精度高，得到广泛应用。
[0003]然而，在无刷直流电机的控制系统实际应用中存在着多种多样的不确定性，如内部参数摄动、外部扰动、噪声等因素，导致重复控制系统的控制精度有时难以达到要求。例如在方波电流驱动时，受绕组电感和非理想反电势影响下，不可避免地存在较大的转动脉动，从而引起机械振动与噪声，进而影响无刷直流电机伺服系统周期信号的控制精度。此外，在电机运行过程中受系统内、外部负载扰动等不确定性影响，传统的控制方法往往无法满足高精度控制要求，严重时甚至造成系统不稳定。因此，研究设计先进控制算法对重复控制系统中的非周期因素和不确定性进行抑制或补偿，保证控制系统的高精度控制是亟需解决的问题。
[0004]为解决上述控制问题，研究者们提出了基于各种基于观测器的二自由度主动扰动抑制控制方法，用于保证系统标称性能的同时，提高控制系统的鲁棒性。当扰动可测时，干扰的前馈补偿策略可以减弱或消除扰动对系统的影响。然而，当外部干扰无法直接测量或者测量成本过于昂贵，有学者提出从可测量的变量中实现干扰估计(或干扰的影响)，然后采取合适的控制作用消除干扰的影响。正如相关文献所述，这种二自由度主动扰动抑制方法能够很好地解决单自由度反馈控制系统中存在一些固有的性能约束，其中较为突出的是标称性能与鲁棒性、跟踪控制与扰动抑制性能之间的折衷问题。

技术实现思路

[0005]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无刷直流电机伺服系统跟踪控制方法，对周期性参考转速信号跟踪精度高，控制简单、同时鲁棒性能好。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
[0007]一种无刷直流电机伺服系统跟踪控制方法，包括以下步骤：
[0008]步骤S1：根据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空间模型；
[0009]步骤S2：利用加性状态分解方法，将非线性无刷直流电机伺服系统的原跟踪控制问题分解为线性时不变主系统的重复控制问题和非线性辅系统的鲁棒镇定控制问题；
[0010]步骤S3：针对线性周期主系统，建立重复控制律；
[0011]步骤S4：构造扩张状态观测器，对辅系统的不可测状态和等价输入干扰进行实时估计，建立基于等价输入干扰补偿的指令滤波反步控制规律；
[0012]步骤S5：整合主系统和辅系统的控制规律，构造集成控制器，以实现系统对多源干扰的同时抑制和周期性参考输入信号的高精度跟踪。
[0013]作为上述技术方案的改进为：
[0014]优选地，所述步骤S1中，由电压平衡方程和转矩平衡方程，先建立无刷直流电机模型，根据无刷直流电机模型建立无刷直流电机状态空间模型：
[0015][0016]其中系数矩阵：
[0017][0018]其中，u(t)为加在两相导通绕组上的电压，M(t)为外负载转矩，k
e
是反电动势系数，p是电机极对数，R＝R0+
△
R为各相绕组电阻，L＝L0+
△
L为各相绕组电感，J＝J0+
△
J为电机转子和负载的总转动惯量，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，
△
R、
△
L和
△
J分别表示相电阻、相电感和转动惯量的摄动量，表示系统参数摄动导致的非线性动态f(x(t),u(t),M(t))和输出可测非线性g(y(t))组成的多源扰动。
[0019]优选地，所述步骤S2中，利用加性状态分解方法，构造主系统和辅系统，所述主系统为具有周期信号g(r
p
(t))的LTI周期系统，其中，LTI周期主系统中的周期部分g(r
p
(t))是从原系统中的非线性g(y(t))中提取出来的，y(t)周期与r
p
(t)相同；所述辅系统为非线性，所述辅系统设有一个控制输入参数用于抑制扰动。
[0020]优选地，构建扩张状态观测器对所述辅系统内部的不可测状态和等价输入干扰进行在线估计，结合指令滤波反步控制，设计基于等价输入干扰补偿的控制律。
[0021]优选地，所述辅系统为
[0022][0023]其中，x
s1
(t)和x
s2
(t)分别是辅系统第一个状态变量和第二个状态变量，为辅系统所受总扰动，1/bd
total
(t)是多重扰动f(x(t),u(t),M(t))和剩余非线性g(y(t))
‑
g(r
p
(t))的等价输入干扰，u
s
(t)为辅系统的控制输入。
[0024]优选地，所述步骤S3中，县构建改进型重复控制器，所述改进型重复控制器设有低通滤波器，将改进型重复控制器嵌入到主系统中，进行相位校正后得到基于相位补偿的改进型重复控制器。
[0025]优选地，所述步骤S4中，先建立增广辅系统状态空间模型，再构建线性扩张状态观测器；基于线性扩张状态观测器的状态估计误差，对非线性辅系统设计基于等价输入干扰补偿的反步控制律。
[0026]优选地，所述步骤S5中，结合主系统重复控制律和辅系统干扰补偿反馈控制律，得到基于等价输入干扰补偿的复合控制规律为：
[0027][0028]其中，V(s)为改进型重复控制器的输出v(t)的Laplace变换，L
‑1表示Laplace变换，K(s)用于增强系统动态响应特性，一般选为PID控制器或超前
‑
滞后补偿器；和分别是辅系统第一个状态变量x
s1
(t)估计值和第二个状态变量x
s2
(t)估计值，为总扰动d
total
(t)的估计。为第二个期望状态变量的导数(虚拟控制输入α1(t)估计值的导数)，...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无刷直流电机伺服系统跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：根据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空间模型；步骤S2：利用加性状态分解方法，将非线性无刷直流电机伺服系统的原跟踪控制问题分解为线性时不变主系统的重复控制问题和非线性辅系统的鲁棒镇定控制问题；步骤S3：针对线性周期主系统，建立重复控制律；步骤S4：构造扩张状态观测器，对辅系统的不可测状态和等价输入干扰进行实时估计，建立基于等价输入干扰补偿的指令滤波反步控制规律；步骤S5：整合主系统和辅系统的控制规律，构造集成控制器，以实现系统对多源干扰的同时抑制和周期性参考输入信号的高精度跟踪。2.根据权利要求1所述的无刷直流电机伺服系统跟踪控制方法，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，先建立无刷直流电机模型，根据无刷直流电机模型建立无刷直流电机状态空间模型：其中系数矩阵：其中，u(t)为加在两相导通绕组上的电压，M(t)为外负载转矩，k
e
是反电动势系数，p是电机极对数，R＝R0+
△
R为各相绕组电阻，L＝L0+
△
L为各相绕组电感，J＝J0+
△
J为电机转子和负载的总转动惯量，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，
△
R、
△
L和
△
J分别表示相电阻、相电感和转动惯量的摄动量，表示系统参数摄动导致的非线性动态f(x(t),u(t),M(t))和输出可测非线性g(y(t))组成的多源扰动。3.根据权利要求2所述的无刷直流电机伺服系统跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，利用加性状态分解方法，构造主系统和辅系统，所述主系统为具有周期信号g(r
p
(t))的LTI周期系统，其中，LTI周期主系统中的周期部分g(r
p
(t))是从原系统中的非线性g(y(t))中提取出来的，y(t)周期与r
p
(t)相同；所述辅系统为非线性，所述辅系统设有一个控制输入...

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