[发明专利]一种基于滑模与扰动补偿的低速直驱电机扰动抑制方法

说明书

本发明公开了一种基于滑模与扰动补偿的低速直驱电机扰动抑制方法，应用于航空航天、机器人、数控机床等直驱伺服技术领域。本发明针对滑模控制器设计复杂，同时低速运行时对时变扰动抑制效果不明显的缺点，采用低速滑模控制器与降阶状态观测器时变扰动补偿相结合的方式，降低了系统结构复杂度，提升了电机低速运行时扰动抑制效果。本发明公开的方法，滑模控制器主要抑制低频扰动影响，无需提供扰动信息，结构设计简单，同时加入负载扰动前馈补偿，能够驱动电机在极低转速下同时抑制低频和中高频转矩脉动，提升了直驱伺服电机低速运行时的控制精度。

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别涉及一种基于滑模与扰动补偿的低速直驱电机扰动抑制方法。

背景技术

永磁同步电机直驱伺服系统近年来广泛应用于航空航天、数控机床等高性能、高精度的控制场合。直驱系统不采用减速传动机构，伺服电机与负载连接，没有传动齿轮间隙和运动滞后，能够达到更高的定位精度、效率和响应能力。但是同样面临很多问题：如电机齿槽效应、负载变化、高次电流谐波、机械摩擦等扰动，由于没有了减速器等中间环节，会直接作用在电机轴上，影响调速系统的运行精度和稳定性，同时，转矩扰动的影响，在高速时虽然可以简化或者忽略，但是对于低速来说，这些影响会愈加明显，如齿槽转矩，甚至会造成永磁直驱电机的爬行和振动，因此针对这类问题，低速直驱伺服领域亟需一种能够抑制复杂转矩脉动的控制方法。

对于负载扰动问题，国内外研究人员提出了模糊控制、滑模控制、自抗扰控制、二自由度PID控制方法等等，其中滑模控制由于其具有较强的鲁棒性、对系统参数精确度要求不高等优点，广泛应用于伺服控制中，但是其抖振问题不可避免，滑模面趋近效果与复杂扰动是影响抖振问题的关键因素，现有公开专利中，提到了趋近率方法与扰动观测器结合的方式设计滑模控制器：中国专利公开号CN106849795A，公开日2017.06.13，发明名称是一种基于线性扩张状态观测器的永磁直线同步电机滑模控制系统和中国专利公开号CN109450320A，公开日2019.03.08，发明名称是基于趋近律和扰动观测补偿的永磁同步电机滑模控制方法，通过改变趋近率增强扰动抑制能力，引入扰动观测器到滑模控制率设计过程中，但是滑模控制器与观测器设计复杂，对硬件计算能力要求较高，同时，控制率设计过程中主要针对外部负载突变转矩扰动的影响，对于低速甚至超低速状态下的电机本身时变齿槽转矩扰动等抑制能力不高。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明主要解决的技术问题是，对于现有滑模方法控制率与观测器设计复杂，低速运行时低频时变转矩扰动抑制效果不明显的缺陷，提出了一种基于滑模与扰动补偿的低速直驱电机转矩扰动抑制方法，使其具有能够抑制低频扰动影响，无需提供扰动信息，结构设计简单的优点，同时加入负载扰动前馈补偿，能够驱动电机在极低转速下同时抑制低频和中高频转矩脉动，提升了直驱伺服电机低速运行时的控制精度。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立永磁同步电机(PMSM)dq坐标系下的矢量控制数学模型；

其中，ω为机械角速度，p_n为极对数，u_d、u_q为d和q轴电枢电压分量，i_d、i_q为对应电枢电流分量，R_s为电枢电阻，ψ_f为电机转子磁链，L_d、L_q为电机直轴和交轴电感。

特别的，针对表贴式永磁同步电机L_d＝L_q，其转矩方程为：

机械运动方程为：

其中，T_e为永磁同步电机电磁转矩，J为转动惯量，T_L为负载转矩，B_a为阻尼系数。