一种电机直驱的机械臂滑模自抗扰控制方法技术

本发明专利技术涉及机械臂控制技术领域，具体为一种电机直驱的机械臂滑模自抗扰控制方法，立PMSM的数学模型；设计SM

【技术实现步骤摘要】
一种电机直驱的机械臂滑模自抗扰控制方法


[0001]本专利技术涉及机械臂控制
，具体为一种电机直驱的机械臂滑模自抗扰控制方法。

技术介绍

[0002]PMSM以其自身性能优势，已经在工业自动化领域取得广泛应用。面对我国工业发展的需要，对于PMSM控制性能的要求愈来愈高。
[0003]现有技术中，随着非线性控制策略的发展，很多基于PMSM矢量控制的先进控制策略已经得到实现。自抗扰控制是不依靠精确数学模型的非线性鲁棒控制方法，在实现良好控制性能的同时，同样存在着局限性。
[0004]但是，国内部分学者研究了一种PMSM无参数整定的自抗扰控制策略，在调速过程中自抗扰控制器参数无需整定，但该方法鲁棒性不强，难以满足控制精度的要求。因此，解决自抗扰控制器的参数整定的问题，得到研究学者的广泛关注。

技术实现思路

[0005]本专利技术利用滑模控制方法(SMC)对自抗扰控制(ADRC)结构进行改进，设计了PMSM控制系统的滑模自抗扰速度控制器和电流控制器。将滑模控制方法引入自抗扰控制结构中，将自抗扰控制中的扩张状态观测器和非线性误差反馈控制律进行优化，在保留自抗扰原有抗扰性能的基础上，简化了参数整定，提高了系统的响应速度和鲁棒性，利用李雅普诺夫理论证明了控制器的稳定性。仿真结果验证了该方法的有效性。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种电机直驱的机械臂滑模自抗扰控制方法，所述电机直驱的机械臂滑模自抗扰控制方法包括：
[0007]建立PMSM的数学模型；<br/>[0008]设计SM
‑
ADRC速度控制器，包括确定传统自抗扰的数学模型以及设计滑模自抗扰控制器；
[0009]设计SM
‑
ADRC电流控制器，包括d轴SM
‑
ADRC电流控制器的设计以及q轴SM
‑
ADRC电流控制器的设计；
[0010]在Matlab/Simulink环境下对设计的SM
‑
ADRC控制方法在PMSM调速系统的性能进行仿真研究。
[0011]优选的，所述建立PMSM的数学模型时，以表面式永磁同步电机为被控对象，假设永磁体无阻尼作用且空间磁场为正弦分布，忽略涡流与磁滞的损耗，采用id＝0解耦方式进行控制，在同步旋转d
‑
q坐标系下的动态数学模型为
[0012][0013]式中：i
d
、i
q
、u
d
、u
q
分别为电机的定子电流、电压的dq轴分量；L为定子电感；r
s
为定子电阻；ω
r
为转子电角速度；J为转动惯量；p
n
为极对数；ψ
f
为转子永磁磁链；T
L
为负载转矩。
[0014]优选的，所述确定传统自抗扰的数学模型时，传统ADRC是一种不依赖于系统模型的非线性鲁棒控制，其主要由跟踪
‑
微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)、非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)组成；
[0015]由式(1)可知，PMSM的转速数学模型为
[0016][0017]令参数项b＝p
n2
ψ
f
/J，综合扰动项a
ω
(t)＝
‑
p
n
T
L
/J，故根据式(2)可得：
[0018][0019]因此，依据ADRC的设计原理，一阶自抗扰速度控制器可设计为
[0020]跟踪微分器(TD)为
[0021][0022]式中：r
t1
为的跟踪信号；R1为速度跟踪因子；
[0023]扩张状态观测器(ESO)为
[0024][0025]式中，z1为转速ω
r
的跟踪信号；z2为综合扰动项a
ω
(t)的观测值；β1、β2为输出误差校正因子；
[0026]非线性误差反馈控制律(NLSEF)为
[0027][0028]式中：i
q0
为交轴电流控制量；为交轴电流给定值；
[0029]fal(ε,α,δ)函数的表达式为
[0030][0031]式中，ε为输入误差变量；α为非线性因子且0&lt;α&lt;1；δ为滤波因子。
[0032]优选的，设计滑模自抗扰控制器时，考虑PMSM调速过程作为一种单输入单输出系统，SMC设计如下：
[0033]1)系统滑动模态的稳定性决定于开关切换函数s(x)选择。设计滑模切换函数为
[0034][0035]这里x
i
＝x
(i
‑
1)
(i＝1,2,
…
,n)是系统的状态变量及其各阶导数，选择对应的常数
c
i
建立稳定的滑模面。
[0036]2)设计合适的控制律，确保趋近运动在有限的时间移动到s(x)＝0。
[0037]5.根据权利要求4所述的一种电机直驱的机械臂滑模自抗扰控制方法，其特征在于：所述设计滑模自抗扰控制器包括SM
‑
ESO的设计以及SM
‑
NLSEF的设计。
[0038]6.根据权利要求5所述的一种电机直驱的机械臂滑模自抗扰控制方法，其特征在于：SM
‑
ESO的设计时，结合自抗扰中ESO和滑模控制的特性，将式(5)改写为
[0039][0040]选择恰当的函数h(e)取代非线性综合控制函数fal(ε,α,δ)，对电机系统的扰动进行估计，令并保证a1(t)≤θ。即因为在电机系统中扰动值是有限的，故能保证a1(t)为有界函数；
[0041]令误差方程为
[0042][0043]结合式(3)、式(9)及式(10)可得
[0044][0045]由式(8)构造滑动模式面为
[0046]s＝c1e
o1
+e
o2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0047]其中c1为滑模面参数且c1&gt;0。设计最优控制函数H(e)，从而保证滑模系统能够快速趋于稳定，这里H(e)的表达式为
[0048]H(e)＝
‑
c1e
o2
‑
ε1sgn(s)
‑
q1s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0049]式中，ε1、q1为可调增益参数且ε1、q1&gt;0，
[0050]稳定性证明：选取李雅普诺夫函数为由李雅普诺夫稳定性理论可知，滑模控制系统的稳定性需满足以下条件：
[0051][0052]综合式(11)、式(12)、式(13)可得
[0053][0054]只要选取适当的ε1&gt;θ即可保本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电机直驱的机械臂滑模自抗扰控制方法，其特征在于：所述电机直驱的机械臂滑模自抗扰控制方法包括：建立PMSM的数学模型；设计SM
‑
ADRC速度控制器，包括确定传统自抗扰的数学模型以及设计滑模自抗扰控制器；设计SM
‑
ADRC电流控制器，包括d轴SM
‑
ADRC电流控制器的设计以及q轴SM
‑
ADRC电流控制器的设计；在Matlab/Simulink环境下对设计的SM
‑
ADRC控制方法在PMSM调速系统的性能进行仿真研究。2.根据权利要求1所述的一种电机直驱的机械臂滑模自抗扰控制方法，其特征在于：所述建立PMSM的数学模型时，以表面式永磁同步电机为被控对象，假设永磁体无阻尼作用且空间磁场为正弦分布，忽略涡流与磁滞的损耗，采用id＝0解耦方式进行控制，在同步旋转d
‑
q坐标系下的动态数学模型为式中：i
d
、i
q
、u
d
、u
q
分别为电机的定子电流、电压的dq轴分量；L为定子电感；r
s
为定子电阻；ω
r
为转子电角速度；J为转动惯量；p
n
为极对数；ψ
f
为转子永磁磁链；T
L
为负载转矩。3.根据权利要求2所述的一种电机直驱的机械臂滑模自抗扰控制方法，其特征在于：确定传统自抗扰的数学模型时，传统ADRC是一种不依赖于系统模型的非线性鲁棒控制，其主要由跟踪
‑
微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)、非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)组成；由式(1)可知，PMSM的转速数学模型为令参数项b＝p
n2
ψ
f
/J，综合扰动项a
ω
(t)＝
‑
p
n
T
L
/J，故根据式(2)可得：因此，依据ADRC的设计原理，一阶自抗扰速度控制器可设计为跟踪微分器(TD)为式中：r
t1
为的跟踪信号；R1为速度跟踪因子；扩张状态观测器(ESO)为
式中，z1为转速ω
r
的跟踪信号；z2为综合扰动项a
ω
(t)的观测值；β1、β2为输出误差校正因子；非线性误差反馈控制律(NLSEF)为式中：i
q0
为交轴电流控制量；为交轴电流给定值；fal(ε,α,δ)函数的表达式为式中，ε为输入误差变量；α为非线性因子且0&lt;α&lt;1；δ为滤波因子。4.根据权利要求3所述的一种电机直驱的机械臂滑模自抗扰控制方法，其特征在于：设计滑模自抗扰控制器时，考虑PMSM调速过程作为一种单输入单输出系统，SMC设计如下：1)系统滑动模态的稳定性决定于开关切换函数s(x)选择。设计滑模切换函数为这里x
i
＝x
(i
‑
1)
(i＝1,2,
…
,n)是系统的状态变量及其各阶导数，选择对应的常数c
i
建立稳定的滑模面。2)设计合适的控制律，确保趋近运动在有限的时间移动到s(x)＝0。5.根据权利要求4所述的一种电机直驱的机械臂滑模自抗扰控制方法，其特征在于：设计滑模自抗扰控制器包括SM
‑
ESO的设计以及SM
‑
NLSEF的设计。6.根据权利要求5所述的一种电机直驱的机械臂滑模自抗扰控制方法，其特征在于：SM
‑
ESO的设计时，结合自抗扰中ESO和滑模控制的特性，将式(5)改写为选择恰当的函数h(e)取代非线性综合控制函数fal(ε,α,δ)，对电机系统的扰动进行估计，令并保证a1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王怀震，李洪生，谭雯，孙志正，刘润晨，高明，
申请(专利权)人：山东新一代信息产业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：