[發明專利]一種無刷直流電機伺服系統跟蹤控制方法

在審

• 申請號: 202210842106.0
• 申請日: 2022-07-18
• 公開（公告）號: CN115051600A
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發明（設計）人: 周蘭;廖常超;孫永波
• 申請（專利權）人: 湖南科技大學
• 主分類號: H02P6/08
• 分類號: H02P6/08;H02P23/12;H02P23/14;G06F17/11;G06F17/16;G06F17/18
• 代理公司: 湖南喬熹知識產權代理事務所(普通合伙) 43262
• 代理人: 周瓊

本發明公開了一種無刷直流電機伺服系統跟蹤控制方法，包括以下步驟：步驟S1：建立無刷直流電機伺服系統狀態空間模型；步驟S2：利用加性狀態分解方法，將原跟蹤控制問題分解為線性時不變主系統的重復控制問題和非線性輔系統的魯棒鎮定控制問題；步驟S3：針對線性周期主系統，建立重復控制律；步驟S4：構造擴張狀態觀測器，對輔系統的不可測狀態和等價輸入干擾進行實時估計，建立基于等價輸入干擾補償的指令濾波反步控制規律；步驟S5：整合主系統和輔系統的控制規律，構造集成控制器，以實現系統對多源干擾的同時抑制和周期性參考輸入信號的高精度跟蹤。本發明的控制方法，對周期性參考轉速信號跟蹤精度高，控制簡單、同時魯棒性能好。

技術領域

本發明涉及電機控制技術領域，具體涉及一種無刷直流電機伺服系統跟蹤控制方法。

背景技術

無刷直流電機結構簡單、功率密度高、調速性能好易于維護等一系列優點，已經在電動汽車、家用電器、航空航天等領域得到廣泛應用。控制工程實踐中，存在許多執行周期控制任務的系統，比如汽車生產中以無刷直流電機為驅動裝置的機械臂系統，通常需要執行周期動作，如零件取放，產品噴漆，焊接等。由于這類任務具有預定路線和恒定周期，因此需要對機械臂系統的周期參考輸入信號進行跟蹤。又如機載光電穩定平臺的伺服系統不僅受外界周期性信號干擾，還往往受控制系統內部周期性干擾，例如有瑕疵的伺服軸承產生與轉速相關的噪聲，旋轉軸質量不平衡導致周期性振動力矩等。這些擾動將直接影響到平臺的穩定精度，造成光電載荷的視軸抖動，降低圖像捕獲清晰度，削弱了光電穩定平臺的穩定性和精度。重復控制為解決這些周期信號跟蹤/抑制問題提供了有效的方法，其理論基礎是內模原理，通過將周期信號的內部模型植入到穩定的閉環系統中，實現對目標信號無偏差的穩態跟蹤/抑制。重復控制由于結構簡單，控制精度高，得到廣泛應用。

然而，在無刷直流電機的控制系統實際應用中存在著多種多樣的不確定性，如內部參數攝動、外部擾動、噪聲等因素，導致重復控制系統的控制精度有時難以達到要求。例如在方波電流驅動時，受繞組電感和非理想反電勢影響下，不可避免地存在較大的轉動脈動，從而引起機械振動與噪聲，進而影響無刷直流電機伺服系統周期信號的控制精度。此外，在電機運行過程中受系統內、外部負載擾動等不確定性影響，傳統的控制方法往往無法滿足高精度控制要求，嚴重時甚至造成系統不穩定。因此，研究設計先進控制算法對重復控制系統中的非周期因素和不確定性進行抑制或補償，保證控制系統的高精度控制是亟需解決的問題。

為解決上述控制問題，研究者們提出了基于各種基于觀測器的二自由度主動擾動抑制控制方法，用于保證系統標稱性能的同時，提高控制系統的魯棒性。當擾動可測時，干擾的前饋補償策略可以減弱或消除擾動對系統的影響。然而，當外部干擾無法直接測量或者測量成本過于昂貴，有學者提出從可測量的變量中實現干擾估計(或干擾的影響)，然后采取合適的控制作用消除干擾的影響。正如相關文獻所述，這種二自由度主動擾動抑制方法能夠很好地解決單自由度反饋控制系統中存在一些固有的性能約束，其中較為突出的是標稱性能與魯棒性、跟蹤控制與擾動抑制性能之間的折衷問題。

發明內容

本發明要解決的技術問題就在于：針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種無刷直流電機伺服系統跟蹤控制方法，對周期性參考轉速信號跟蹤精度高，控制簡單、同時魯棒性能好。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：

一種無刷直流電機伺服系統跟蹤控制方法，包括以下步驟：

步驟S1：根據電壓平衡方程和轉矩平衡方程，建立無刷直流電機伺服系統狀態空間模型；

步驟S2：利用加性狀態分解方法，將非線性無刷直流電機伺服系統的原跟蹤控制問題分解為線性時不變主系統的重復控制問題和非線性輔系統的魯棒鎮定控制問題；

步驟S3：針對線性周期主系統，建立重復控制律；

步驟S4：構造擴張狀態觀測器，對輔系統的不可測狀態和等價輸入干擾進行實時估計，建立基于等價輸入干擾補償的指令濾波反步控制規律；