[發(fā)明專利]基于復(fù)合位置控制器的永磁無刷直流電機(jī)位置伺服系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011395474.2
• 申請(qǐng)日: 2020-12-03
• 公開（公告）號(hào): CN112600474A
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王會(huì)明;萬謙;王雪闖;陳曉雷;唐賢倫;李銳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶郵電大學(xué)
• 主分類號(hào): H02P21/00
• 分類號(hào): H02P21/00;H02P21/13;H02P21/18;H02P21/05
• 代理公司: 重慶市恒信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 50102
• 代理人: 陳棟梁

1.一種基于復(fù)合位置控制器的永磁無刷直流電機(jī)位置伺服系統(tǒng)，其特征在于，包括：復(fù)合位置控制器模塊、PI控制模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、電流采樣模塊、永磁無刷直流電機(jī)及位置檢測與計(jì)算模塊，所述復(fù)合位置控制器模塊與PI控制模塊相連接，所述PI控制模塊與驅(qū)動(dòng)電路模塊相連接，所述電流采樣模塊并聯(lián)設(shè)置在PI控制模塊與驅(qū)動(dòng)電路模塊的兩端，驅(qū)動(dòng)電路模塊還與永磁無刷直流電機(jī)相連接，所述永磁無刷直流電機(jī)與位置檢測與計(jì)算模塊的一端相連接，位置檢測與計(jì)算模塊的另一端與復(fù)合位置控制器模塊相連接；

其中，所述復(fù)合位置控制器模塊是由基于指數(shù)趨近律的滑模反饋控制和基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的前饋控制復(fù)合而成，所述位置檢測與計(jì)算模塊用于檢測安裝于永磁無刷直流電機(jī)上的位置傳感器信號(hào)θ；電流采樣模塊得到PI控制模塊所需的實(shí)際電流i；復(fù)合位置控制器模塊的輸入端為位置參考值θ_r，與經(jīng)過位置檢測與計(jì)算模塊后得到的位置傳感器信號(hào)θ的差值，經(jīng)過復(fù)合位置控制器模塊后，得到PI控制模塊輸入端的參考電流i_r；將得到的參考電流i_r與得到的實(shí)際電流i的差值，輸入PI控制模塊后，得到驅(qū)動(dòng)電路模塊的輸入電壓u；電壓u在驅(qū)動(dòng)電路控制下，驅(qū)動(dòng)永磁無刷直流電機(jī)運(yùn)行。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于復(fù)合位置控制器的永磁無刷直流電機(jī)位置伺服系統(tǒng)，其特征在于，所述復(fù)合位置控制器由基于指數(shù)趨近律的滑模反饋控制和基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的前饋控制復(fù)合而成，復(fù)合位置控制器的設(shè)計(jì)步驟如下所述：

定義位置誤差e為：

e＝θ_r-θ

其中θ_r為參考位置；

對(duì)e求導(dǎo)可得：

滑模面設(shè)計(jì)為：

s表示滑模面的符號(hào)，c為大于0的系數(shù)；

對(duì)s求導(dǎo)后可得：

復(fù)合位置控制器設(shè)計(jì)為：

其中a＝k_t/J；c＞0,k＞0,q＞0,sgn(*)為標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)函數(shù)；為參考位置θ_r的二階導(dǎo)數(shù)；i_r為復(fù)合位置控制器的輸出；m表示系統(tǒng)總的擾動(dòng)，a＝k_t/J，為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，z₃為對(duì)集總擾動(dòng)m的估計(jì)；

令e_d(t)＝m-z₃為擾動(dòng)誤差估計(jì)，假設(shè)e_d(t)是有界的，并且存在常數(shù)k_ed0,使得：|e_d(t)|≤k_ed，

把復(fù)合位置控制器表達(dá)式代入可得：

取李雅普諾夫函數(shù)為：則

由此可知當(dāng)增益滿足k＞k_ed時(shí)，系統(tǒng)的位置誤差能夠快速收斂至滑模面然后沿著滑模面s＝0漸近趨近于零。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于復(fù)合位置控制器的永磁無刷直流電機(jī)位置伺服系統(tǒng)，其特征在于，所述擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的表達(dá)式為：

其中p₁＞0,p₂＞0,p₃＞0為觀測器的參數(shù),z₁為對(duì)位置θ的估計(jì)，z₂是對(duì)速度w的估計(jì)，z₃為對(duì)集總擾動(dòng)m的估計(jì)。表示z₃的導(dǎo)數(shù)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種基于復(fù)合位置控制器的永磁無刷直流電機(jī)位置伺服系統(tǒng)，其特征在于，所述永磁無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為：

其中θ,w,i,u分別為位置信號(hào)，轉(zhuǎn)速信號(hào)，電機(jī)定子電流和電壓；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；B為粘滯摩擦系數(shù)；L為定子電感；R為定子電阻；為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；n_p為磁極對(duì)數(shù)；ψ_f為轉(zhuǎn)子磁鏈；T_L為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；K_e＝n_pψ_f也為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

通常，為了便于對(duì)永磁無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)復(fù)合位置控制器，可將其表述為如下形式：

其中，a＝k_t/J，b＝1/L，

5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，其控制包括以下步驟：

1)位置檢測與計(jì)算模塊得到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置θ；

2)檢測母線電流得到PI控制模塊所需的實(shí)際電流i；

3)復(fù)合位置控制器模塊的輸入端為位置參考值θ_r與位置檢測與計(jì)算模塊得到的實(shí)際位置θ的差值，經(jīng)過復(fù)合位置控制器模塊后，得到PI控制模塊輸入端的參考電流i_r；

4)步驟3)得到的參考電流i_r與步驟2)得到的實(shí)際電流i的差值，經(jīng)過PI控制模塊后，得到驅(qū)動(dòng)電路模塊的輸入電壓u；

5)電壓u在驅(qū)動(dòng)電路控制下，驅(qū)動(dòng)永磁無刷直流電機(jī)運(yùn)行。