[发明专利]一种无刷直流电机伺服系统跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种无刷直流电机伺服系统跟踪控制方法，包括以下步骤：步骤S1：建立无刷直流电机伺服系统状态空间模型；步骤S2：利用加性状态分解方法，将原跟踪控制问题分解为线性时不变主系统的重复控制问题和非线性辅系统的鲁棒镇定控制问题；步骤S3：针对线性周期主系统，建立重复控制律；步骤S4：构造扩张状态观测器，对辅系统的不可测状态和等价输入干扰进行实时估计，建立基于等价输入干扰补偿的指令滤波反步控制规律；步骤S5：整合主系统和辅系统的控制规律，构造集成控制器，以实现系统对多源干扰的同时抑制和周期性参考输入信号的高精度跟踪。本发明的控制方法，对周期性参考转速信号跟踪精度高，控制简单、同时鲁棒性能好。

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种无刷直流电机伺服系统跟踪控制方法。

背景技术

无刷直流电机结构简单、功率密度高、调速性能好易于维护等一系列优点，已经在电动汽车、家用电器、航空航天等领域得到广泛应用。控制工程实践中，存在许多执行周期控制任务的系统，比如汽车生产中以无刷直流电机为驱动装置的机械臂系统，通常需要执行周期动作，如零件取放，产品喷漆，焊接等。由于这类任务具有预定路线和恒定周期，因此需要对机械臂系统的周期参考输入信号进行跟踪。又如机载光电稳定平台的伺服系统不仅受外界周期性信号干扰，还往往受控制系统内部周期性干扰，例如有瑕疵的伺服轴承产生与转速相关的噪声，旋转轴质量不平衡导致周期性振动力矩等。这些扰动将直接影响到平台的稳定精度，造成光电载荷的视轴抖动，降低图像捕获清晰度，削弱了光电稳定平台的稳定性和精度。重复控制为解决这些周期信号跟踪/抑制问题提供了有效的方法，其理论基础是内模原理，通过将周期信号的内部模型植入到稳定的闭环系统中，实现对目标信号无偏差的稳态跟踪/抑制。重复控制由于结构简单，控制精度高，得到广泛应用。

然而，在无刷直流电机的控制系统实际应用中存在着多种多样的不确定性，如内部参数摄动、外部扰动、噪声等因素，导致重复控制系统的控制精度有时难以达到要求。例如在方波电流驱动时，受绕组电感和非理想反电势影响下，不可避免地存在较大的转动脉动，从而引起机械振动与噪声，进而影响无刷直流电机伺服系统周期信号的控制精度。此外，在电机运行过程中受系统内、外部负载扰动等不确定性影响，传统的控制方法往往无法满足高精度控制要求，严重时甚至造成系统不稳定。因此，研究设计先进控制算法对重复控制系统中的非周期因素和不确定性进行抑制或补偿，保证控制系统的高精度控制是亟需解决的问题。

为解决上述控制问题，研究者们提出了基于各种基于观测器的二自由度主动扰动抑制控制方法，用于保证系统标称性能的同时，提高控制系统的鲁棒性。当扰动可测时，干扰的前馈补偿策略可以减弱或消除扰动对系统的影响。然而，当外部干扰无法直接测量或者测量成本过于昂贵，有学者提出从可测量的变量中实现干扰估计(或干扰的影响)，然后采取合适的控制作用消除干扰的影响。正如相关文献所述，这种二自由度主动扰动抑制方法能够很好地解决单自由度反馈控制系统中存在一些固有的性能约束，其中较为突出的是标称性能与鲁棒性、跟踪控制与扰动抑制性能之间的折衷问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种无刷直流电机伺服系统跟踪控制方法，对周期性参考转速信号跟踪精度高，控制简单、同时鲁棒性能好。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种无刷直流电机伺服系统跟踪控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据电压平衡方程和转矩平衡方程，建立无刷直流电机伺服系统状态空间模型；

步骤S2：利用加性状态分解方法，将非线性无刷直流电机伺服系统的原跟踪控制问题分解为线性时不变主系统的重复控制问题和非线性辅系统的鲁棒镇定控制问题；

步骤S3：针对线性周期主系统，建立重复控制律；

步骤S4：构造扩张状态观测器，对辅系统的不可测状态和等价输入干扰进行实时估计，建立基于等价输入干扰补偿的指令滤波反步控制规律；