[發明專利]基于復合位置控制器的永磁無刷直流電機位置伺服系統

在審

• 申請號: 202011395474.2
• 申請日: 2020-12-03
• 公開（公告）號: CN112600474A
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發明（設計）人: 王會明;萬謙;王雪闖;陳曉雷;唐賢倫;李銳
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: H02P21/00
• 分類號: H02P21/00;H02P21/13;H02P21/18;H02P21/05
• 代理公司: 重慶市恒信知識產權代理有限公司 50102
• 代理人: 陳棟梁

1.一種基于復合位置控制器的永磁無刷直流電機位置伺服系統，其特征在于，包括：復合位置控制器模塊、PI控制模塊、驅動電路模塊、電流采樣模塊、永磁無刷直流電機及位置檢測與計算模塊，所述復合位置控制器模塊與PI控制模塊相連接，所述PI控制模塊與驅動電路模塊相連接，所述電流采樣模塊并聯設置在PI控制模塊與驅動電路模塊的兩端，驅動電路模塊還與永磁無刷直流電機相連接，所述永磁無刷直流電機與位置檢測與計算模塊的一端相連接，位置檢測與計算模塊的另一端與復合位置控制器模塊相連接；

其中，所述復合位置控制器模塊是由基于指數趨近律的滑模反饋控制和基于擴張狀態觀測器的前饋控制復合而成，所述位置檢測與計算模塊用于檢測安裝于永磁無刷直流電機上的位置傳感器信號θ；電流采樣模塊得到PI控制模塊所需的實際電流i；復合位置控制器模塊的輸入端為位置參考值θ_r，與經過位置檢測與計算模塊后得到的位置傳感器信號θ的差值，經過復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與得到的實際電流i的差值，輸入PI控制模塊后，得到驅動電路模塊的輸入電壓u；電壓u在驅動電路控制下，驅動永磁無刷直流電機運行。

2.根據權利要求1所述的一種基于復合位置控制器的永磁無刷直流電機位置伺服系統，其特征在于，所述復合位置控制器由基于指數趨近律的滑模反饋控制和基于擴張狀態觀測器的前饋控制復合而成，復合位置控制器的設計步驟如下所述：

定義位置誤差e為：

e＝θ_r-θ

其中θ_r為參考位置；

對e求導可得：

滑模面設計為：

s表示滑模面的符號，c為大于0的系數；

對s求導后可得：

復合位置控制器設計為：

其中a＝k_t/J；c＞0,k＞0,q＞0,sgn(*)為標準符號函數；為參考位置θ_r的二階導數；i_r為復合位置控制器的輸出；m表示系統總的擾動，a＝k_t/J，為轉矩系數，J為轉動慣量，z₃為對集總擾動m的估計；

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

把復合位置控制器表達式代入可得：

取李雅普諾夫函數為：則

由此可知當增益滿足k＞k_ed時，系統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.根據權利要求2所述的一種基于復合位置控制器的永磁無刷直流電機位置伺服系統，其特征在于，所述擴張狀態觀測器的表達式為：

其中p₁＞0,p₂＞0,p₃＞0為觀測器的參數,z₁為對位置θ的估計，z₂是對速度w的估計，z₃為對集總擾動m的估計。表示z₃的導數。

4.根據權利要求1或2或3所述的一種基于復合位置控制器的永磁無刷直流電機位置伺服系統，其特征在于，所述永磁無刷直流電機的數學模型為：

其中θ,w,i,u分別為位置信號，轉速信號，電機定子電流和電壓；J為轉動慣量；B為粘滯摩擦系數；L為定子電感；R為定子電阻；為轉矩系數；n_p為磁極對數；ψ_f為轉子磁鏈；T_L為負載轉矩；K_e＝n_pψ_f也為轉矩系數。

通常，為了便于對永磁無刷直流電機設計復合位置控制器，可將其表述為如下形式：

其中，a＝k_t/J，b＝1/L，

5.根據權利要求1-4之一所述的系統，其特征在于，其控制包括以下步驟：

1)位置檢測與計算模塊得到電機轉子位置θ；

2)檢測母線電流得到PI控制模塊所需的實際電流i；

3)復合位置控制器模塊的輸入端為位置參考值θ_r與位置檢測與計算模塊得到的實際位置θ的差值，經過復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)得到的實際電流i的差值，經過PI控制模塊后，得到驅動電路模塊的輸入電壓u；

5)電壓u在驅動電路控制下，驅動永磁無刷直流電機運行。