[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

本發明請求保護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，其中復合位置控制器模塊是基于指數趨近律的滑模反饋控制部分和基于擴張狀態觀測器的干擾估計與補償部分組成的復合控制器，與傳統線性控制方法相比，該方法在保證收斂速度的同時，既可以有效降低系統抖振，又可以提高系統抗干擾性能，滿足了永磁無刷直流電機位置伺服系統在高性能領域的應用需求。

技術領域

本發明屬于永磁無刷直流電機的控制方法，尤其是一種基于擴張狀態觀測器和滑模控制的永磁無刷直流電機位置伺服系統控制方法。

背景技術

永磁無刷直流電機是隨著電力電子技術、制造業和新型材料的迅速發展而發展起來的一種新型直流電機，因其具有結構簡單、運行可靠、維護方便、效率高、無勵磁損耗以及調速性能好等一系列優點，從而被廣泛應用于航空航天、家用電器、儀器儀表、化工、醫療器械等工業領域。

目前，永磁無刷直流電機一般采用PID控制與矢量控制結構相結合的控制方式，但是由于電機在運行過程中會遭受各種干擾如外界電磁干擾、負載變化、摩擦等因素的影響，傳統的線性控制如PID控制無法有效應對這些干擾，進而影響系統穩定性。因此，需要設計一些非線性控制算法來提高系統性能，如魯棒控制，預測控制，有限時間控制，滑模控制，自適應控制和智能控制等。在上述提到的這些方法中，滑模變結構控制因具有強魯棒性和容易實現等優勢而受到更多關注。然而，由于滑模控制律的不連續控制作用會引起抖振現象，從而限制了滑模控制在實際系統中的應用。

為了削弱抖振現象，提出了另一種有效的方法，即設計基于指數趨近律的滑模控制反饋部分和基于擴張狀態觀測器的干擾估計與補償部分組成的復合控制器，使其具有結構簡單，抗干擾性能強，跟蹤能力好等優點，因而可以顯著提高位置伺服系統的控制性能。

發明內容

本發明旨在解決以上現有技術的問題。提出了一種可以達到良好動態和穩態性能，同時可以有效提高系統跟蹤能力的基于指數趨近律的基于復合位置控制器的永磁無刷直流電機位置伺服系統及方法。本發明的技術方案如下：

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。

進一步的，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：