[发明专利]变速旋转直流电机伺服系统的扰动补偿和跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种变速旋转直流电机伺服系统的扰动补偿和跟踪控制方法，包括以下步骤：步骤S1：根据电压平衡方程和转矩平衡方程，建立无刷直流电机状态空间模型；步骤S2：分析系统时域和位置域之间的内在联系，根据参考输入信号的位置相关周期特性，构造周期信号的位置域内模，建立改进型位置域重复控制器；步骤S3：根据无刷直流电机状态空间模型，构造扰动观测器，对系统匹配和非匹配扰动进行实时估计得到扰动估计值，结合位置域重复控制律和扰动估计值，设计基于扰动主动补偿的复合重复控制规律；步骤S4：利用电机转子的位置信息，建立与时域鲁棒镇定控制器同步的位置域重复控制器数字实现方法。

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种变速旋转直流电机伺服系统的扰动补偿和跟踪控制方法。

背景技术

无刷直流电机因为运行可靠、结构简单、调速性能好等特性，而被广泛应用于工业过程控制、航空航天、机器人等领域。在实际应用场合中，无刷直流电机需要对位置相关周期性参考信号进行高精度跟踪控制，例如在非圆数控车削系统中，由电机驱动的刀具在工件转台主轴垂直方向做直线往返运动，当转台旋转速度非恒定时，刀具进给量相对于转台旋转位置是一个时变周期信号。众所周知，基于内模原理的重复控制是解决周期信号控制问题的有效方法之一。该方法将周期信号内部模型1/(1-e^-Trs)置于稳定的闭环回路中，进而实现对周期为T_r的周期信号完全跟踪或抑制。重复控制系统对时域内周期长度固定的周期信号具有优良的控制性能，但对周期波动十分敏感，即使T_r存在微小变动都会使重复控制器在基频和谐波处的增益大大减小，进而严重影响系统性能。

为解决上述问题，Nakano等人针对位置相关周期信号是关于旋转角度的周期函数，且周期长度为常值的事实提出了位置域的概念，并设计了位置域重复控制器来处理匀速旋转系统中的位置相关周期扰动。位置域重复控制器的优势在于能够构建精确的位置相关周期信号内部模型，因此保证了系统对位置相关周期信号的高精度控制。

现有研究工作主要考虑一个线性时不变系统对于位置相关周期信号的跟踪和/或抑制问题，但实际的旋转系统具有非线性特性，并且不可避免地受到外界环境和内部参数摄动等影响。根据Bode积分定理可知，位置域重复控制器通过降低系统对周期信号在基频和谐波处的灵敏度来实现优越的周期性能，但其代价是在其它频段的灵敏度增加，进而导致位置域重复控制系统对非周期扰动更加敏感。目前所提出的主动抗干扰方法主要通过坐标变换，将内扰和外扰转换到系统输入通道，然后应用观测器方法对集总扰动进行估计和补偿，但这种转换过程，通常需要对不确定性项和系统输入输出的求导，导致噪声放大，加大不确定性对系统的影响。因此，如何解决位置相关周期信号跟踪控制的同时，有效处理变速旋转运动系统中的非线性特性和不确定性是一个亟需解决的问题。

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，本发明提供一种变速旋转直流电机伺服系统的扰动补偿和跟踪控制方法，效率高、控制器结构简单、容易实现，控制系统具有更好的扰动抑制、跟踪控制性能和鲁棒性。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种变速旋转直流电机伺服系统的扰动补偿和跟踪控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据电压平衡方程和转矩平衡方程，建立无刷直流电机状态空间模型；

步骤S2：分析系统时域和位置域之间的内在联系，根据参考输入信号的位置相关周期特性，构造周期信号的位置域内模，建立改进型位置域重复控制器；

步骤S3：根据无刷直流电机状态空间模型，构造扰动观测器，对系统匹配和非匹配扰动进行实时估计得到扰动估计值，结合位置域重复控制律和扰动估计值，设计基于扰动主动补偿的复合重复控制规律；

步骤S4：利用电机转子的位置信息，建立与时域鲁棒镇定控制器同步的位置域重复控制器数字实现方法。作为上述技术方案的改进为：