[發明專利]基于動態摩擦補償的永磁球形電機轉子自適應控制系統

有效

• 申請號: 201410035175.6
• 申請日: 2014-01-23
• 公開（公告）號: CN103780188A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 過希文;王群京;文彥;錢喆;周睿;趙雙雙;趙元;尹雅芹
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: H02P21/13
• 分類號: H02P21/13
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 何梅生

1.一種基于動態摩擦補償的永磁球形電機轉子自適應控制系統，其特征是：以永磁球形電機轉子為被控對象，檢測獲得電機轉子的實際位置測量值q，令q_d為電機轉子的期望位置，位置跟蹤誤差e為：e=q-q_d；設置所述控制系統包括參數自適應調整模塊、動態摩擦狀態觀測模塊、動態摩擦前饋補償模塊和計算力矩模塊；

所述參數自適應調整模塊是以位置跟蹤誤差e、電機轉子的實際轉速測量值以及動態摩擦前饋補償模塊輸出的摩擦補償力矩τ_fc為輸入變量，結合永磁球形電機轉子數學模型和LuGre動態摩擦模型的結構信息分別構造線性回歸矩陣Y_qr、和根據所述線性回歸矩陣Y_qr、和以及位置跟蹤誤差e計算自適應律，利用所述自適應律在線計算獲得計算力矩模塊和動態摩擦前饋補償模塊的調整參數和并將所述調整參數和分別輸出給計算力矩模塊和動態摩擦前饋補償模塊；

所述計算力矩模塊根據位置跟蹤誤差e和參數自適應調整模塊輸出的調整參數實時計算獲得主控制力矩τ_c；

所述動態摩擦狀態觀測模塊根據位置跟蹤誤差e和電機轉子的實際轉速測量值實時計算電機轉子動態摩擦模型中的狀態量估計值和并將所述狀態量估計值和輸出至動態摩擦前饋補償模塊；

所述動態摩擦前饋補償模塊根據參數自適應調整模塊輸出的調整參數和以及動態摩擦狀態觀測模塊輸出的狀態量估計值和實時計算獲得摩擦補償力矩τ_fc；

設置所述永磁球形電機轉子的總控制力矩τ為：τ=τ_fc+τ_c。

2.根據權利要求1所述的基于動態摩擦補償的永磁球形電機轉子自適應控制系統，其特征是：所述動態摩擦狀態觀測模塊由兩個動態項不同的狀態觀測器構成；所述兩個動態項不同的狀態觀測器按如下方法構造：

a、采用LuGre動態摩擦模型描述永磁球形電機定子與轉子接觸面間的摩擦力矩τ_f，如式（1）：

dzdt=q·-Ψzτf=Q0z+Q1dzdt+Q2q·---(1)]]>

式（1）中，z為狀態量，表示永磁球形電機定子與轉子接觸面之間彈性鬢毛的平均形變，Q₀、Q₁和Q₂為動態摩擦參數矩陣，分別為彈性鬢毛偏移強度、滑動阻尼系數和粘滯摩擦系數，非線性函數矩陣Ψ為Stribeck效應方程矩陣；

結合拉格朗日第二方程以及坐標變換，則基于LuGre動態摩擦模型的永磁球形電機轉子數學模型如式（2）所示：

M(q)q··+C(q,q·)+Q3q·+Q0z-Q1Ψz=τi---(2)]]>

式（2）中，為電機轉子的實際加速度測量值，M(q)為電機轉子數學模型的慣性矩陣，為哥式力和向心力矩陣，τ_i為電機轉子數學模型中的輸入力矩，整合后的動態摩擦參數矩陣Q₃為：Q₃=Q₁+Q₂；

b、引入參考變量為電機轉子的期望速度，Λ為正定的反饋增益對角矩陣，設置參考誤差e_r為：

c、構造兩個動態項不同的狀態觀測器：

采用參考誤差e_r作為其中一個狀態觀測器的動態項，以Ψe_r作為另一個狀態觀測器的動態項；分別以所述狀態量估計值和作為兩個狀態觀測器的觀測值，根據LuGre動態摩擦模型的結構信息和動態項e_r、Ψe_r分別設計狀態觀測器的更新律如式（3）和式（4）所示：

dz^0dt=q·-Ψz^0-er---(3)]]>

dz^1dt=q·-Ψz^1+Ψer---(4)]]>

利用所述狀態觀測器的更新律分別構造兩個動態項不同的狀態觀測器。

3.根據權利要求1所述的基于動態摩擦補償的永磁球形電機轉子自適應控制系統，其特征是：所述參數自適應調整模塊是采用自適應算法，并利用不同的自適應律實時計算獲得調整參數和所述調整參數和的自適應律按如下方法確定：

a、定義線性回歸矩陣是將電機轉子數學模型線性化，得到式（5）：

M(q)q··r+C(q,q·)q·r=Y(q,q·,q·r,q··r)ξ---(5)]]>

式（5）中，ξ為電機轉子數學模型的動力學參數；

將電機轉子的轉動慣量I_d、I_q和I_p等效為ξ=[I_dqI_p]^T，其中：I_d=I_q=I_dq。在式（5）中，用估計矩陣和分別代替M(q)和得到式（6）：

M^(q)q··r+C^(q,q·)q·r=Y(q,q·,q·r,q··r)ξ^---(6)]]>

式（6）中，為電機轉子數學模型的調整參數；

b、定義線性回歸矩陣Y_qr、和是將LuGre動態摩擦模型線性化，并用動態摩擦狀態觀測模塊輸出的狀態量估計值和代替LuGre動態摩擦模型中兩種不同位置上的狀態量z，得到式（7）：

τfc=Yqrθ^3+Z^0θ^0-ΨZ^1θ^1---(7)]]>

式（7）中，Y_qr、和分別為LuGre動態摩擦模型的線性回歸矩陣，和分別為LuGre動態摩擦模型的調整參數；

c、根據Lyapunov穩定性原理，確定調整參數和的自適應律分別如式（8）、式（9）、式（10）和式（11）所示：

ξ^·=-ΓTY(q,q·,q·r,q··r)Ter---(8)]]>

θ^·0=-Γ0TZ^0Ter---(9)]]>

θ^·1=Γ1TZ^1TΨer---(10)]]>

θ^·3=-Γ3TYqrTer---(11)]]>

Γ、Γ₀、Γ₁和Γ₃均為正定的增益對角矩陣。