[發明專利]基于摩擦和擾動補償的PMSM伺服系統控制方法

有效

• 申請號: 201010548657.3
• 申請日: 2010-11-18
• 公開（公告）號: CN102208891A
• 公開（公告）日: 2011-10-05
• 發明（設計）人: 李世華;周旋;吳波;吳蔚;廖富全
• 申請（專利權）人: 東南大學;南京埃斯頓自動控制技術有限公司
• 主分類號: H02P6/08
• 分類號: H02P6/08;H02P21/14
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 彭英

技術領域

本發明涉及一種基于摩擦和擾動補償的永磁同步電機(PMSM)伺服系統控制方法，屬于高精度伺服控制系統的技術領域。

背景技術

隨著對伺服系統控制精度要求的提高，摩擦已成為一個不可忽略的重要問題。非線性摩擦對系統的動態及靜態性能的影響很大，主要表現為低速時的爬行現象、速度過零時的波形畸變現象、穩態時有較大的靜差，甚至出現不期望的極限環振蕩。影響伺服控制系統精度的另一個重要因素是外部擾動。擾動往往來源于建模過程中忽略的不確定因素、系統運行過程中負載突變以及參數變化等。這些因素的存在使得閉環系統性能變差甚至不穩定。因此，為提高伺服系統的位置控制精度和改善系統的低速性能，其控制器既要實現對摩擦的補償，又要克服外部擾動對系統的影響。

在PMSM位置伺服系統中，PMSM作為一個多變量、非線性和強耦合的被控對象，具有非線性和不確定性等特征。欲實現高精度伺服控制，必須克服非線性摩擦、PMSM及負載在內的廣義被控對象不確定性因素和外部擾動對系統性能造成的影響。傳統的反饋控制策略，如高增益PID控制方法，具有結構簡單、易實現等優點，通常在參數匹配的情況下可獲得較好的性能，但在實際工程中過高的增益會導致系統振蕩，失穩。

為了消除摩擦和擾動帶來的影響，提高系統的控制性能，國內外學者進行了大量的研究。文獻(高揚，楊明，于泳，等.基于擾動觀測器的PMSM交流伺服系統[J].中國電機工程學報，2005，25(22)：125-128.)設計了擾動觀測器，觀測和補償系統在運行過程中存在的擾動。Craig?TJ等在文獻(Experimental?identification?of?friction?and?its?compensation?in?precise，positioncontrolled?mechanisms[J].IEEE?Transactions?on?Industry?Applications，1992，28(6)：1392-1398.)中設計了基于摩擦模型的前饋補償控制器，以提高伺服系統的低速動態性能。然而，該方法需要知道摩擦的精確模型，其控制效果很大程度上取決于所建立的數學模型能否準確地反映摩擦特性。現有的伺服系統控制器的摩擦模型一般采用簡化的非線性摩擦模型，如：庫侖模型、庫侖加滑動摩擦模型或Stribeck模型等，但實際的摩擦具有更復雜的非線性特性，采用簡化的摩擦模型難以描述真實的摩擦特性。此外，雖然摩擦模型的辨識方法已經較成熟，但實際工程中，低速時摩擦模型的辨識精度有限。文獻(史永麗，侯朝禎.基于自抗擾控制的伺服系?統摩擦補償研究[J].計算機工程與應用，2007，43(29)：201-203.)利用自抗擾控制(ADRC)中的擴張狀態觀測器(Extended?State?Observer，ESO)對摩擦進行估計并補償。該補償控制方法既不依賴對象模型又不依賴摩擦模型，算法簡單，魯棒性強，易于工程應用。然而，該方法把摩擦作為一個外界干擾加以抑制，通常沒考慮摩擦非線性的具體模型及對整個系統動態性能和穩定性造成的影響，尤其對速度過零時摩擦非線性的補償能力有限。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，提供一種基于摩擦和擾動補償的PMSM伺服系統控制方法。該方法將基于摩擦模型前饋補償方法和自抗擾技術有機結合，兩者互補。先基于摩擦模型前饋補償，再利用二階自抗擾控制器的擴張狀態觀測器(ESO)實時觀測并補償系統中過補償或欠補償的摩擦，不僅降低了對摩擦模型精度的要求，且減輕了ESO的估計負擔，同時，基于摩擦模型的前饋補償控制方法彌補了ESO對速度過零時摩擦非線性補償能力有限的缺陷。此外，ESO還可觀測出系統建模誤差帶來的不確定性和外界擾動，提高了系統抗擾動能力。

為實現以上的技術目的，本發明將采取以下的技術方案：

一種基于摩擦和擾動補償的PMSM伺服系統控制方法，首先采集PMSM伺服系統的轉子位置信號、電機電流信號和轉速信號，然后，根據電機電流信號和轉速信號，利用Stribeck摩擦模型對PMSM伺服系統摩擦進行建模，以獲取摩擦力矩等效電流，并將該摩擦力矩等效電流作為系統的摩擦前饋補償量，同時，將轉子位置信號作為二階自抗擾控制器的反饋信號，結合該二階自抗擾控制器的擾動補償前饋控制以及帶有跟蹤微分器的非線性反饋控制，實現永磁同步電機伺服系統在摩擦和擾動影響下的控制。

所述Stribeck摩擦模型中，各摩擦參數采用遺傳算法進行離線辨識，所述摩擦前饋補償量為前述所得離線辨識模型的摩擦力矩等效電流估計值?