[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

说明书

本发明公开了一种直流电机的驱动‑调速一体式约束预测控制方法，本发明将这种驱动‑调速一体式的控制技术应用于直流电机，首先利用广义比例积分观测器技术在串级电路和转速的光电编码器采集的转速信息的基础上对系统的集总干扰进行估计，得到重构后的集总干扰信息，结合模型预测控制相关技术设计出针对直流电机的带输入约束的输出反馈控制器，在保证系统动态响应性能的基础上，因为不需要使用电流、电压以及转矩传感器，降低了系统的成本，提高了系统容错能力，同时可以明显地抑制参数摄动和负载转矩突变等因素引起的干扰，从而大大提高直流电机系统的输出转速的控制精度和干扰抑制能力。

技术领域

本发明涉及电力电子变换器和直流电机控制技术领域，特别是一种直流电机的驱动-调速一体式约束预测控制方法。

背景技术

直流电机的启动转矩大且具有较好的调速性能，因而在速度控制和位置控制中一直占据着统治地位，广泛应用于飞行器、移动机器人、汽车电子、光电伺服系统以及其它很多工业领域。

直流电机驱动器最早是由以串联或并联方式连接的电阻网格组成的。变阻器控制的优点是其结构简单，成本低，但变阻器控制效率差，因为大量的能量随着电阻中的热量而消散。另外，这种控制方式是不能提供平稳的转速调节，易导致突变和急动。随着电力电子技术的发展，直流电机控制中主要采用的是控制器对直流电机的供电电压进行脉宽调制(PWM)。例如，直流斩波器,FET驱动器等。发明专利CN101917153A智能电机控制系统中驱动电路就主要采用了MOSFET进行PWM调制。如发明专利CN105450109直流电机控制装置所说，如果要对直流电机进行双向即正反转控制，只需在驱动器与直流电机之间加入一个H桥电路。

众所周知，相比于交流电机，直流电机的调速策略更简单、实现的成本更低。直流电机的速度能够在一个较大的范围内进行调节，高速和低速都比较容易实现。然而，最具挑战性的问题在于，当直流电机的转轴上存在转矩扰动时，如何使电机可靠、稳定地运行以及尽可能保持恒定的转速。比较直观的想法是对转矩进行测量，但转矩传感器比较昂贵，而且测量过程中容易引入噪声，这将给闭环系统带来很多不利影响。在实际中，这种驱动-调速一体式的降压变换器-直流电机串级系统还会受到参数摄动、输入电压变化等其它干扰因素的影响。所以我们必须寻求其它有效的方法。另一种可行的方法就是引入干扰观测器对转矩扰动进行估计，这已经逐渐成为一种普遍适用的方法，诸多的研究工作已经证明其有效性。

为了解决在实际应用中直流电机伺服系统遇到的困难，许多专家学者提出了多种有效的方法：传统的PID控制器虽然控制器结构简单，成本较低，但其通常对线性系统具有很好的控制性能，对直流电机这种存在干扰以及非线性摩擦的系统控制效果较差，电机的调速很难达到很高的精度。发明CN105071723A三步法设计的有刷直流电机复合控制方法提出了前馈加反馈的双闭环PI复合控制算法。虽然提高了控制性能，但是在对电机抗干扰以及平滑调速性能较高的场合仍无法满足性能需求。发明CN106602945A提出了一种直流有刷电机转速离散控制和显示预测控制的方法，该发明通过对开关管的整个周期进行子周期划分后分别建立能够反映电机混杂特性的分段仿射模型即子采样周期离散状态空间模型，然后在此基础上，设计预测控制方案。此发明中的显示预测控制依赖于系统模型，对其建模的精确性有很高的要求，然而由于直流电机系统的负载转矩干扰、摩擦以及系统内部不确定性，我们很难对系统精确建模。此外，现有的直流电机的很多控制方法并未考虑系统变量的约束问题。因此，对这种存在未建模动态的系统，如何设计出一种既考虑输入和/或状态约束，同时能有效抑制干扰的控制策略显得至关重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种直流电机的驱动-调速一体式约束预测控制方法，该方法结合广义比例积分观测器和带约束的离散预测控制技术，实现了直流电机对参考转速的快速跟踪及对干扰的精确补偿。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种直流电机的驱动-调速一体式约束预测控制方法，包括以下步骤：