[发明专利]一种直流电机的驱动-调速一体式约束预测控制方法

权利要求书

1.一种直流电机的驱动-调速一体式约束预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、分别以直流降压变换器的电容电压、电感电流为状态量，采用时间平均技术，建立直流降压变换器的状态空间平均模型；

步骤2、在永磁有刷直流电动机中，根据电机转速变化的机械过程和电量变化的电磁过程这两个过程，从电枢电压的平衡方程和转矩平衡方程出发，与步骤1得到的状态空间平均模型结合，消去中间变量，同时考虑未知的负载转矩的干扰，建立Buck变换器直流电机串级系统的受扰状态空间模型；

步骤3、针对步骤2得到的受扰状态空间模型，设计广义比例积分观测器，估计由参数摄动和负载转矩突变引起的集总干扰；

步骤4、在步骤3设计的广义比例积分观测器基础上，考虑输出反馈和集总干扰的情况，基于带约束的离散模型预测控制理论，设计带输入约束的离散模型预测控制器，最终得到作用在Buck变换器直流电机串级系统的最优控制律；

步骤5、将步骤4得到的带输入约束的离散模型预测控制器得到的最优控制律经dSPACE实时控制器的PWM模块输出，产生PWM驱动信号，通过实时改变PWM驱动信号占空比，控制永磁有刷直流电动机的输出转速。

2.根据权利要求1所述的一种直流电机的驱动-调速一体式约束预测控制方法，其特征在于，步骤1所述的直流降压变换器的状态空间平均模型为：

其中，v_o为Buck变换器的输出电压，同时也是永磁有刷直流电动机的电枢电压，i_L0为电感电流，C₀、R₀、L₀和E分别为直流降压变换器中电容、电阻、电感和输入电压的标称值，u为控制量占空比信号，t为时间。

3.根据权利要求2所述的一种直流电机的驱动-调速一体式约束预测控制方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为：

在步骤1建立的直流降压变换器的状态空间平均模型基础上，对Buck变换器直流电机串级系统后半部分的永磁有刷直流电动机进行建模；根据电枢电压的平衡方程和转矩平衡方程，建立Buck变换器直流电机串级系统的状态方程；最后，消去一些中间量，得出Buck变换器直流电机串级系统的受扰状态空间模型：

其中i_a是直流电机电枢电流，k_e是反电动势常数，k_m是转矩常数，L_a是电枢回路的电感，R_a是电枢回路的电阻，J₀是转动惯量，τ_L是负载转矩，b是电机的摩擦系数，ω是电机轴的转动角速度；

令x＝(x₁,x₂,x₃,x₄)^T＝(i_L0,v_o,i_a,ω)^T，上标T为转置，将未知的负载转矩看作Buck变换器直流电机串级系统的外部未知负载转矩的干扰，记为d，则Buck变换器直流电机串级系统的状态空间方程为如下形式：

其中是x的一阶导数，y是Buck变换器直流电机串级系统的输出即永磁有刷直流电动机的转动角速度，

对y连续多次求导，再通过坐标变换，得到：

y⁽⁴⁾＝f+mu (4)

其中f为Buck变换器直流电机串级系统受到的集总扰动且是的函数，分别为y和外部未知负载转矩的干扰d的各阶导数，m＝CA³B_u，令将式(4)写成状态空间方程的形式，得到最终的Buck变换器直流电机串级系统的受扰状态空间模型

其中是z的一阶导数，