[發(fā)明專利]一種有刷直流電機(jī)強(qiáng)化學(xué)習(xí)自適應(yīng)控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810253881.6
• 申請日: 2018-03-26
• 公開（公告）號(hào): CN108448978B
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡云峰;李娜;張森;陳虹;史少云
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): H02P21/00
• 分類號(hào): H02P21/00;H02P21/18
• 代理公司: 吉林長春新紀(jì)元專利代理有限責(zé)任公司 22100
• 代理人: 白冬冬

一種有刷直流電機(jī)強(qiáng)化學(xué)習(xí)自適應(yīng)控制方法，屬于電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的目的是通過參數(shù)魯棒自適應(yīng)律在線辨識(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩、非線性摩擦力模型參數(shù)以及基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的未知擾動(dòng)估計(jì)補(bǔ)償策略，解決了有刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制過程中死區(qū)、爬行及低速不平穩(wěn)問題的有刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速非線性控制方法。本發(fā)明步驟是：建立有刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型；有刷直流電機(jī)魯棒自適應(yīng)控制方法。本發(fā)明基于微分平坦設(shè)計(jì)前饋加反饋的二自由度控制結(jié)構(gòu)。相對于傳統(tǒng)的雙環(huán)PI控制方法，該方法引入的前饋控制能夠在參考輸入作用瞬間而不是出現(xiàn)偏差后作用于被控對象，且在前饋中引入了非線性補(bǔ)償信號(hào)，能夠抑制擾動(dòng)對電機(jī)低速控制的影響，提升轉(zhuǎn)速跟蹤精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

有刷直流電機(jī)是一種重要的工業(yè)基礎(chǔ)零部件，具有力矩系數(shù)大、過載能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、機(jī)器人、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是電力電子、數(shù)字控制技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的巨大進(jìn)步，為有刷直流電機(jī)的高精度轉(zhuǎn)速控制發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，有刷直流電機(jī)高精度轉(zhuǎn)速控制受到了越來越多的關(guān)注。眾多領(lǐng)域?qū)τ兴⒅绷麟姍C(jī)控制性能的要求在不斷地提升，高精度電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法的開發(fā)難度也因此變高。

摩擦力矩和齒槽轉(zhuǎn)矩是影響電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤精度提升的兩個(gè)關(guān)鍵因素。電機(jī)摩擦力矩是由電樞與電刷以及殼體等部件相互接觸產(chǎn)生的，因此摩擦力矩是無法避免的。摩擦力矩的存在使電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤過程中產(chǎn)生了低速爬行現(xiàn)象。電機(jī)永磁體與電樞齒槽之間相互作用產(chǎn)生了周期性擾動(dòng)力矩，即齒槽轉(zhuǎn)矩，這種力矩也是無法避免的。齒槽轉(zhuǎn)矩的存在影響了電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟蹤平穩(wěn)度。

在傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制領(lǐng)域，主要存在以下的問題：

(1)在有刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)中，控制器設(shè)計(jì)往往需要精確的電機(jī)參數(shù)值。但是隨著溫度等外界環(huán)境的變化，有刷直流電機(jī)的摩擦力模型參數(shù)和齒槽轉(zhuǎn)矩參數(shù)都會(huì)隨之而變化。當(dāng)常溫下設(shè)定的控制器參數(shù)值相對于電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行實(shí)際參數(shù)值發(fā)生較大變化時(shí)，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的控制性能會(huì)降低，甚至無法正常工作。

(2)電機(jī)負(fù)載變化、模型不確定性等未知擾動(dòng)的存在對電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)性能有較大的影響。這種影響主要表現(xiàn)在電機(jī)跟蹤期望轉(zhuǎn)速或者精確定位時(shí)產(chǎn)生的波動(dòng)現(xiàn)象，它影響了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制性能。

目前為了解決有刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤控制器開發(fā)過程中所遇到的問題，許多專家學(xué)者在算法方面進(jìn)行了努力，針對有刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制問題已經(jīng)提出了許多成型的方法：中國專利公開號(hào)106647254A，公開日2017年5月10日，專利申請?zhí)枮?01610867744.2，專利申請名稱為“一種基于膜算法的永磁直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在線控制方法”。專利申請中描述了一種基于膜算法的永磁直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法，能夠在參數(shù)靈敏性低，涉及參數(shù)較少的情況下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。該方法首先收集不同工況下轉(zhuǎn)速與控制電壓的數(shù)據(jù)，分別構(gòu)造高斯過程模型和二階多項(xiàng)式模型。然后，根據(jù)所構(gòu)造的多項(xiàng)式響應(yīng)模型和高斯過程預(yù)測模型構(gòu)造三層膜的膜算法框架。最后根據(jù)膜算法框架中輸入下一周期期望轉(zhuǎn)速，得到預(yù)測控制電壓，將輸出層預(yù)測控制電壓輸出并作用到電機(jī)。該方法在一定程度上實(shí)現(xiàn)了有刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，但是算法需要在線求解優(yōu)化問題，算法過于復(fù)雜并且計(jì)算周期長，不易于工業(yè)實(shí)現(xiàn)。

中國專利公開號(hào)106602945A，公開日2017年4月26日，專利申請?zhí)枮?0161169775.7，專利申請名稱為“一種直流有刷電機(jī)轉(zhuǎn)速離散控制和顯式預(yù)測控制方法”。專利申請中描述了一種基于顯示預(yù)測控制有刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法，該方法簡歷有刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)子采樣周期離散狀態(tài)空間模型，能夠反映直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)本質(zhì)的混雜特性，克服了傳統(tǒng)方案開關(guān)周期內(nèi)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為無法描述的缺點(diǎn)。但是該方法基于線性模型，沒有考慮電機(jī)在低速運(yùn)行過程中擾動(dòng)對轉(zhuǎn)速跟蹤效果的影響，使該方法在低速情況下無法以較高精度控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

工業(yè)中常用的直流電機(jī)調(diào)速方法主要是單環(huán)或雙環(huán)的PID控制方法。該方法雖然具有調(diào)試簡單、工程易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但是在電機(jī)運(yùn)行過程中對擾動(dòng)的抑制能力不夠，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速跟蹤誤差變大，在低轉(zhuǎn)速工況下這種現(xiàn)象尤為明顯。

發(fā)明內(nèi)容