[發明專利]基于干擾觀測器的直流電機自適應反演滑模控制方法

有效

• 申請號: 201810048153.1
• 申請日: 2018-01-18
• 公開（公告）號: CN108233781B
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發明（設計）人: 莊浩;張登峰;王聰;李軍
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H02P6/00
• 分類號: H02P6/00;H02P6/34;H02P23/00;H02P23/12;H02P25/02
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 張祥

1.一種基于非線性干擾觀測器的直流無刷電機自適應反演滑模控制方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1、建立直流無刷電機的數學模型，具體包括：

建立直流無刷電機的數學模型，

直流無刷電機的機械運動方程為：

式中：T_e為電磁轉矩，T_e＝k_tI(t)，k_t為轉矩系數，T_L為負載轉矩，J為電機轉動慣量，B為電機阻尼系數，w(t)為電機角速度，I(t)為母線電流，

直流無刷電機的電壓平衡方程：

式中：R′為電樞繞組電阻，R′＝2r，r為相電阻，L′為電樞繞組電感，L′＝2(L-M)，L為每相繞組自感，M為每兩相繞組間互感，k_e為電機反電勢系數，

由式(1)和式(2)得直流無刷電機的動力學系統方程為：

選取狀態變量x₁＝θ(t)，x₂＝w(t)，則直流無刷電機的狀態方程可表示為：

式中：

步驟2、在考慮直流無刷電機的未建模動態和外部負載干擾的情況下，采用反演滑模控制方法進行控制器的設計，首先采用運用反演法，將直流無刷電機位置控制系統分解為三個子系統，簡化控制器的設計；接著將反演控制方法和滑模控制相結合，運用滑模控制解決傳統反演控制需要電機精確建模信息和無法克服擾動的缺點，具體包括：

在考慮直流無刷電機未建模動態和外部負載干擾的情況下，采用反演滑模控制方法進行控制器的設計，

1)考慮直流無刷電機未建模動態和外部負載干擾的情況下，電機的狀態方程為：

令總干擾為F(t)＝Δa₁*x₃(t)+Δa₂*x₂(t)+Δb*u+d(t)，則狀態方程為：

其中為總干擾的上界，Δa₁*x₃(t)+Δa₂*x₂(t)+Δb*u為未建模動態，d(t)為外部負載干擾，

2)反演滑模控制器的設計

定義系統的誤差：

其中：δ₁與δ₂為設計的虛擬控制量，x_d為給定位置信號，

Step1:第一個誤差子系統：e₁＝x₁(t)-x_d

定義第一個Lyapunov函數:

設計第一個虛擬控制量δ₁：

由式(11)與式(10)得：

若e₂＝0，則v₁漸近穩定，因此需要進行下一步設計，引入虛擬控制量δ₂，使e₂趨于零，

Step2:第二個誤差子系統：e₂＝x₂(t)-δ₁

定義第二個Lyapunov函數:

設計第二個虛擬控制量δ₂：

由式(13)和式(16)得：

由式(15)和式(17)得：

若e₃＝0，則v₂漸近穩定，因此需要進行下一步設計，使e₃趨于零，

Step3:第三個誤差子系統：e₃＝x₃(t)-δ₂

定義滑模切換面：

s＝ce₂+e₃，(c＞0) (20)

則

定義第三個Lyapunov函數:

設計控制律為：

反演滑模控制器穩定性分析：

將控制律(23)代入表達式(22)中:

因此整個電機系統漸近收斂穩定；

步驟3、配置非線性干擾觀測器對直流無刷電機未建模動態和外部負載干擾進行觀測，并進行補償，降低干擾的影響，由較小的切換增益即干擾觀測誤差的上界代替保守切換增益，減小傳統反演滑模控制的切換增益，

步驟4、對引入非線性干擾觀測器的直流無刷電機系統，設計干擾觀測誤差上界的自適應律，對干擾觀測誤差的上界進行估計，由干擾觀測誤差上界的估計值作為反演滑模控制的切換增益，保證整個直流無刷電機系統穩定。