[發(fā)明專利]一種變約束系數(shù)的伺服系統(tǒng)約束反步控制算法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911012804.2
• 申請(qǐng)日: 2019-10-23
• 公開（公告）號(hào): CN110829918B
• 公開（公告）日: 2021-08-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 尹忠剛;王保寧;張延慶;杜超
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H02P21/00
• 分類號(hào): H02P21/00
• 代理公司: 西安弘理專利事務(wù)所 61214
• 代理人: 燕肇琪

本發(fā)明公開了一種變約束系數(shù)的伺服系統(tǒng)約束反步控制算法，永磁同步電機(jī)采用矢量控制系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩相電壓經(jīng)過反Park變換后轉(zhuǎn)換為靜止坐標(biāo)系下的兩相電壓，經(jīng)過PWM發(fā)生模塊的調(diào)節(jié)，產(chǎn)生PWM波，再經(jīng)過三相逆變器之后，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)工作，通過霍爾傳感器測(cè)量得到的電機(jī)a、b、c三相電流經(jīng)過Clark變換和Park變換后轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩相電流i_q、i_d，以及編碼器測(cè)量的位置信號(hào)，反饋到各控制環(huán)路中形成閉環(huán)控制，控制器采用三個(gè)子控制器的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，位置子系統(tǒng)中的約束因子通過免疫算法在線調(diào)節(jié)，本發(fā)明用于解決伺服控制過程中存在的約束量超出約束條件，影響系統(tǒng)性能的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于伺服系統(tǒng)控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種變約束系數(shù)的伺服系統(tǒng)約束反步控制算法。

背景技術(shù)

伺服電機(jī)因其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、慣量小、響應(yīng)速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而在機(jī)械制造、電動(dòng)汽車、印刷、包裝、紡織、工業(yè)機(jī)器人、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

伺服系統(tǒng)是應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛的一類系統(tǒng)，它是一種跟蹤輸入指令信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，獲得精確的位置、速度及動(dòng)力輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。其作用在于使被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)跟隨輸入量的變化規(guī)律，被控對(duì)象在輸入信號(hào)作用下的運(yùn)動(dòng)特性可以通過系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度以及響應(yīng)的快速性來(lái)表示，這也是伺服系統(tǒng)性能的一般要求。此外，出于安全或者實(shí)際物理器件等因素的限制，伺服系統(tǒng)的某些關(guān)鍵性指標(biāo)無(wú)論在暫態(tài)或者穩(wěn)態(tài)時(shí)都只能運(yùn)行在某個(gè)特定范圍之內(nèi)。比如，在人與機(jī)器人物理交互領(lǐng)域中，無(wú)論是機(jī)器人末端執(zhí)行器與人的軀干直接物理接觸或是人體直接穿戴，在交互運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)器人末端執(zhí)行器位置或者關(guān)節(jié)角都必須被限制在一定范圍內(nèi)以保證人體的安全。這些約束條件無(wú)疑對(duì)伺服系統(tǒng)的控制性能提出了更為嚴(yán)格的要求。另外，這些約束條件本質(zhì)上也是一種系統(tǒng)非線性，在原有系統(tǒng)非線性的基礎(chǔ)上也進(jìn)一步加大了控制的難度。

近年來(lái)，約束李亞普諾夫函數(shù)及其多樣性的變體(如非對(duì)稱性約束李亞普諾夫函數(shù)，對(duì)稱性李雅普諾夫函數(shù)等)與反步控制方法的結(jié)合被廣泛用在非線性系統(tǒng)的控制領(lǐng)域并取得了不錯(cuò)的控制效果。與之前的李亞普諾夫函數(shù)相比，當(dāng)被控系統(tǒng)中的一些限制被超越時(shí)，函數(shù)會(huì)趨于無(wú)窮大，只要設(shè)計(jì)出使得函數(shù)的導(dǎo)數(shù)滿足負(fù)定性的控制器，就避免了系統(tǒng)的約束被侵犯的可能性。在具有嚴(yán)格反饋形式的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)中運(yùn)用約束李亞普諾夫函數(shù)解決約束問題，就是通過設(shè)計(jì)控制器使得能量函數(shù)的各階微分為負(fù)定，來(lái)保證函數(shù)的有界性和約束不被侵犯。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種變約束系數(shù)的伺服系統(tǒng)約束反步控制算法，用于解決伺服控制過程中存在的約束量超出約束條件，影響系統(tǒng)性能的問題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種變約束系數(shù)的伺服系統(tǒng)約束反步控制算法，永磁同步電機(jī)采用矢量控制系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩相電壓經(jīng)過反Park變換后轉(zhuǎn)換為靜止坐標(biāo)系下的兩相電壓，經(jīng)過PWM發(fā)生模塊的調(diào)節(jié)，產(chǎn)生PWM波，再經(jīng)過三相逆變器之后，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)工作，通過霍爾傳感器測(cè)量得到的電機(jī)a、b、c三相電流經(jīng)過Clark變換和Park變換后轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩相電流i_q、i_d，以及編碼器測(cè)量的位置信號(hào)，反饋到各控制環(huán)路中形成閉環(huán)控制，控制器采用三個(gè)子控制器的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，位置子系統(tǒng)中的約束系數(shù)通過免疫算法在線調(diào)節(jié)，具體按以下步驟實(shí)施：

步驟1，建立永磁同步電機(jī)PMSM伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，得到d軸電流方程、q軸電流方程、位置方程、轉(zhuǎn)速方程和電壓方程；

步驟2，根據(jù)步驟1中的d軸電流方程，設(shè)計(jì)d軸電流控制器；

步驟3，根據(jù)步驟1中的位置方程推導(dǎo)速度給定公式，設(shè)計(jì)位置控制器；

步驟4，根據(jù)步驟1中的轉(zhuǎn)速方程和步驟3中得到的速度給定公式，利用反步法推導(dǎo)電流給定公式，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)控制器；

步驟5，根據(jù)步驟1中的電壓方程和步驟4中推導(dǎo)出的電流給定公式，利用反步法推導(dǎo)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下q軸給定電壓，設(shè)計(jì)q軸電流環(huán)控制器；