CN110661464A - 一种交流伺服***及位置环的扰动抑制方法 - Google Patents

一种交流伺服***及位置环的扰动抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种交流伺服***及位置环的扰动抑制方法，属于电机控制技术领域，解决传统交流伺服***位置精度差和响应速度慢的问题；***采用包括位置环和电流环的双闭环控制结构，在位置环中包括自适应非奇异终端滑模控制器，用于根据外部跟踪指令信号解算q轴电流信号；包括状态观测器，用于观测位置环上的负载扰动上界，反馈到滑模位置控制器，对滑模位置控制器的解算进行补偿；在电流环根据所述解算的q轴电流信号控制电机转动。本发明简化了交流伺服***的控制结构，提高了位置伺服***的响应能力和鲁棒性；对位置环上负载扰动上界的进行观测，随后代入控制器中进行补偿，进一步提高了伺服***的抗扰动能力。

Description

一种交流伺服***及位置环的扰动抑制方法
技术领域
本发明涉及于电机控制技术领域，尤其是一种交流伺服***及位置环的扰动抑制方法。
背景技术
现阶段，永磁同步电机位置伺服***一般采用三闭环控制结构，内环为电流环，次环为速度环，最外环为位置环；PID是环路控制器最常用的设计方法。但是，传统的PID控制器参数调节复杂，***响应速度慢，在面对***结构参数不确定或者时变、非线性和负载变化时难以达到理想的控制效果。近年来许多先进的控制算法在不确定永磁同步电机伺服***中得到了应用，如采用自适应反步控制的方法对***未知参数进行估计并利用滑模控制来保证***对未知扰动的鲁棒性；采用自适应模糊滑模控制的方法对***存在的抖振问题进行抑制。但是上述的控制方法存在一定的不足之处，例如：采用反步法设计控制器结构时会存在着“项数膨胀”的问题，将导致所设计的控制输入量特别大，实际控制***难以实现；传统的滑模控制器采用的线性滑模面，响应速度慢，理论上***状态难以在有限时间内收敛到给定轨迹，滑模控制器还存在其固有的抖振问题，位置精度差；而且，为了得到良好的抗扰能力，传统的滑模控制器不得不将扰动上界值取得偏大，这加剧了***的抖动。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种交流伺服***及位置环的扰动抑制方法，解决传统交流伺服***的位置精度差和响应速度慢的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明公开了一种交流伺服***，采用双闭环控制结构，包括位置环和电流环；
所述位置环中包括滑模位置控制器和扩张状态观测器；
所述滑模位置控制器为自适应非奇异终端滑模控制器，用于根据外部跟踪指令信号解算q轴电流信号；
所述状态观测器，用于观测位置环上的负载扰动上界D，反馈到滑模位置控制器，对滑模位置控制器的解算进行补偿；
所述电流环，根据所述解算的q轴电流信号控制电机转动。
进一步地，在所述自适应非奇异终端滑模控制器中构造的非奇异终端滑模面数
Figure BDA0002220719440000021
式中，e(t)＝θ-yr是伺服***的位置跟踪误差，yr为外部跟踪指令信号指定的转动角度，θ为电机转动机械角度；β＞0为常数；p和q是设定的滑模面的奇数，且q＜p＜2q。
进一步地，所述自适应非奇异终端滑模控制器中构造的Lyapunov函数为：
Figure BDA0002220719440000022
式中，λ和μ为正比例系数；
Figure BDA0002220719440000023
为***转动惯量J的估计值；
Figure BDA0002220719440000024
为***结构参数
Figure BDA0002220719440000025
的自适应估计值，J为折算到电机轴端的***转动惯量；B为摩擦系数。
进一步地，所述自适应估计值
Figure BDA0002220719440000026
满足关系式：式中，w为电机的机械角速度，S为非奇异终端滑模面数；通过对所述关系式积分可得到***结构自适应估计值
Figure BDA0002220719440000028
进一步地，所述***转动惯量J的估计值满足关系式：式中，u*为d轴指定电压；通过对所述关系式积分可得到***转动惯量的估计值
进一步地，所述输出q轴控制电流
Figure BDA0002220719440000033
式中，Te为永磁同步电机的电磁力矩；np为永磁同步电机的电机对数；ψf为电机转子磁链。
进一步地，d轴指定电压式中，D为负载扰动上界；sgn(S)为滑模面开关函数；K为正比例系数。
进一步地，所述状态观测器，采用多阶线性扩张状态观测方程
Figure BDA0002220719440000035
观测位置环上的负载扰动上界D；式中，z1和z2是所述状态观测器观测的转子角度位置和转子速度的观测值，z3是负载扰动上界D的观测值；θ为电机转动机械角度，β1、β2和β3为观测系数，u*是所述滑模位置控制器计算的d轴指定电压。
本发明还公开了一种如上所述的交流伺服***的位置环扰动抑制方法，包括，
步骤S1、计算伺服***的位置跟踪误差；
步骤S2、在位置环中，根据构造的滑模位置控制器的滑模面和Lyapunov函数，以所述位置跟踪误差为输入进行渐进稳定控制，迭代解算q轴电流信号；使用状态观测器对负载扰动进行观测，带入所述滑模位置控制器进行解算补偿；
步骤S3、在电流环中，根据所述q轴电流信号控制电机转动。
进一步地，所述步骤S2包括以下子步骤：
步骤S2-1、在位置环中，根据所述位置跟踪误差，以及滑模面的p、q值，计算滑模面数S和***结构参数
Figure BDA0002220719440000044
的自适应估计值
步骤S2-2、根据滑模面数S和扰动上界值D计算d轴指定电压u*；
步骤S2-3、计算***转动惯量的估计值
Figure BDA0002220719440000042
将d轴指定电压u*代入扩张状态观测器计算下一次迭代计算的扰动上界值D；
步骤S2-4、根据***转动惯量的估计值
Figure BDA0002220719440000043
和d轴指定电压u*计算q轴控制电流iq*。
本发明有益效果如下：
本发明简化了交流伺服***的控制结构，提高了位置伺服***的响应能力和鲁棒性；对位置环上负载扰动上界的进行观测，随后代入控制器中进行补偿，进一步提高了伺服***的抗扰动能力。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例一中的交流伺服***原理示意图；
图2为本发明实施例一中的滑模面的收敛速度比较图；
图3为本发明实施例二中的位置环的扰动抑制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
实施例一、
本实施例公开了一种交流伺服***，如图1所示，采用双闭环控制结构，包括位置环和电流环；
所述位置环中包括滑模位置控制器和扩张状态观测器；
所述滑模位置控制器，用于根据外部跟踪指令信号解算q轴电流信号；
所述状态观测器，用于观测位置环上的负载扰动上界D，反馈到滑模位置控制器，对滑模位置控制器的解算进行补偿，提高交流伺服***的抗扰动能力；
所述电流环，根据所述解算的q轴电流信号控制电机转动。
具体的，所述滑模位置控制器为自适应非奇异终端滑模控制器；
本实施例在自适应非奇异终端滑模控制器中构造的非奇异终端滑模面S如下式所示：
Figure BDA0002220719440000051
式中，e(t)＝θ-yr是伺服***的位置跟踪误差，yr为指定的转动角度，由外部跟踪指令信号获得，θ为电机转动机械角度，由距离环中角度传感器获得；β＞0是设计常数；p和q是设定的滑模面的奇数，且q＜p＜2q。
当所述非奇异终端滑模面S＝0时，解滑模面方程可得：
Figure BDA0002220719440000052
则从初始状态e(0)≠0到e(t)＝0的时间为ts,则ts可由下式确定：
可见，***误差将在有限时间ts内收敛到零。
与传统的线性滑模面相比较，本实施例的非奇异终端滑模面由于引入了非线性项，故拥有更快的收敛速度，***将在有限时间内到达滑模面；与普通的终端滑模面相比较，本实施例的非奇异终端滑模面又避免了出现控制输入无穷大的情况，即***的奇异现象；如图2所示，非奇异终端滑模面的收敛速度明显快于线性滑模面的收敛速度。
在本实施例中，非奇异终端滑模控制器的Lyapunov函数设计为：
Figure BDA0002220719440000061
式中，λ和μ为正比例系数；为***转动惯量J的估计值；
Figure BDA0002220719440000063
为***结构参数
Figure BDA0002220719440000064
的估计值，J为折算到电机轴端的***转动惯量；B为摩擦系数。
为了满足闭环控制***渐进稳定，设计的Lyapunov函数需满足
Figure BDA0002220719440000065
因此，对Lyapunov函数求导得：
Figure BDA0002220719440000066
将式伺服***的位置机械方程
Figure BDA0002220719440000067
代入
Figure BDA0002220719440000068
得：
Figure BDA0002220719440000069
式中，u＝Te为永磁同步电机的电磁力矩，δ为负载扰动,|δ|≤D；D为扰动上界值；w表示电机的机械角速度；
令
Figure BDA00022207194400000610
即
Figure BDA00022207194400000611
代入上式可得：
Figure BDA00022207194400000612
在上式中，
u*为d轴指定电压，满足以下关系式：
Figure BDA0002220719440000071
式中，D为负载扰动上界；sgn(S)为滑模面开关函数；K为正比例系数；
***结构参数的估计值
Figure BDA0002220719440000073
满足以下关系式：
Figure BDA0002220719440000074
***转动惯量J的估计值
Figure BDA0002220719440000075
满足以下关系式：
Figure BDA0002220719440000076
将上述三式带入
Figure BDA0002220719440000077
得到下式：
Figure BDA0002220719440000078
由于
Figure BDA0002220719440000079
因此，上式中的
Figure BDA00022207194400000710
即本实施例的非奇异终端滑模控制器的Lyapunov函数满足渐进稳定条件，所设计的闭环控制***渐进稳定。
由于本实施例的Lyapunov函数中包括***转动惯量J的估计值
Figure BDA00022207194400000711
***结构参数
Figure BDA00022207194400000712
的估计值
Figure BDA00022207194400000713
摩擦系数B等自适应项；因此，控制精度更高、抗干扰能力更好，响应速度更快。
当闭环控制***实现渐进稳定时，按照表贴式永磁同步电机电磁转矩方程为Te＝npψfiq，可得所述非奇异终端滑模控制器输出q轴控制电流
Figure BDA00022207194400000714
式中，Te为永磁同步电机的电磁力矩；np为永磁同步电机电机对数；ψf为电机转子磁链；
Figure BDA00022207194400000715
为***转动惯量J的估计值；u*为d轴指定电压。
本实施例中所述状态观测器，采用多阶线性扩张状态观测方程，对载扰动进行观测；
具体的，所述线性扩张状态观测方程为
Figure BDA0002220719440000081
式中，z1和z2是所述状态观测器观测的转子角度位置和转子速度的观测值，z3是负载扰动上界D的观测值；θ为电机转动机械角度；β1、β2和β3为观测系数，可通过仿真或实验具体调试观测系数；u*是滑模位置控制器计算的d轴指定电压。
通过所述状态观测器的观测可获得位置环上负载当前的总扰动值，即扰动上界，反馈到滑模位置控制器对下一次解算进行补偿，提高交流伺服***的抗扰动能力。
综上所述，本实施例的交流伺服***，采用双闭环控制结构，外部跟踪指令信号通过所设计的滑模位置控制器解算为q轴电流信号直接控制电流环，简化了传统的PID位置伺服***三闭环的控制方式，提高了伺服***的响应速度；
采用的非奇异终端滑模面引入了非线性项，拥有更快的收敛速度，***将在有限时间内到达滑模面，避免了出现控制输入无穷大的情况，即***的奇异现象；
采用的Lyapunov函数中包括自适应项，控制精度更高、抗干扰能力更好，响应速度更快；
采用多阶线性扩张状态观测方程进行状态观测，观测精度高，收敛速度快。
实施例二、
本实施例公开了一种交流伺服***位置环的扰动抑制方法，采用实施例一中的双闭环控制结构的交流伺服***，如图3所示，具体包括以下步骤：
步骤S1、计算伺服***的位置跟踪误差；
所述位置跟踪误差为e(t)＝θ-yr，yr为外部跟踪指令信号获得的跟踪角度位置；θ为电机转动机械角度位置。
步骤S2、在位置环中，根据构造的滑模位置控制器的滑模面和Lyapunov函数，以所述位置跟踪误差为输入进行渐进稳定控制，迭代解算q轴电流信号；使用状态观测器对负载扰动进行观测，带入所述滑模位置控制器进行解算补偿；
步骤S3、在电流环中，根据所述q轴电流信号控制电机转动。
在执行完步骤S3后，返回步骤S1再次计算伺服***的位置跟踪误差，进行下一轮迭代计算输出q轴电流信号控制电机转动。
具体的，所述步骤S2包括以下子步骤：
步骤S2-1、在位置环中，根据所述位置跟踪误差，以及滑模面的p、q值，计算滑模面数S和***结构参数的自适应估计值
Figure BDA0002220719440000092
具体的，滑模面数
***结构参数
Figure BDA0002220719440000094
的自适应估计值
Figure BDA0002220719440000095
满足以下关系式：
Figure BDA0002220719440000096
通过对上式积分可得到***结构自适应估计值
步骤S2-2、根据滑模面数S和扰动上界值D计算d轴指定电压u*；
具体的，d轴指定电压
Figure BDA0002220719440000098
式中，w表示电机的机械角速度，yr为指令指定的转动角度；D为负载扰动上界；sgn(S)为滑模面开关函数；K为正比例系数；
在首次迭代计算中，扰动上界值D为设定值，在后续的迭代计算中采用上一次迭代计算中扩张状态观测器计算的扰动上界值D。
步骤S2-3、计算***转动惯量的估计值
Figure BDA0002220719440000101
将d轴指定电压u*代入扩张状态观测器计算下一次迭代计算的扰动上界值D；
***转动惯量的估计值
Figure BDA0002220719440000102
满足以下关系式：
Figure BDA0002220719440000103
通过对上式积分可得到***转动惯量的估计值
Figure BDA0002220719440000104
扰动上界值D根据所述线性扩张状态观测方程为
Figure BDA0002220719440000105
式中，z1和z2是所述状态观测器观测的转子角度位置和转子速度的观测值，z3是负载扰动上界的观测值，即为扰动上界值D；θ为电机转动机械角度，β1、β2和β3为观测系数，u*是滑模位置控制器计算的d轴指定电压。
步骤S2-4、根据***转动惯量的估计值
Figure BDA0002220719440000106
和d轴指定电压u*计算滑模位置控制器输出的q轴控制电流iq*；
具体的，q轴控制电流
Figure BDA0002220719440000107
式中，Te为永磁同步电机的电磁力矩；np为永磁同步电机电机对数；ψf为电机转子磁链；
Figure BDA0002220719440000108
为***转动惯量J的估计值；u*为d轴指定电压。
与现有技术相比，本实施例提供的吸尘器的有益效果与实施例一提供的有益效果基本相同，在此不一一赘述。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种交流伺服***，其特征在于，采用双闭环控制结构，包括位置环和电流环；
所述位置环中包括滑模位置控制器和扩张状态观测器；
所述滑模位置控制器为自适应非奇异终端滑模控制器，用于根据外部跟踪指令信号解算q轴电流信号；
所述状态观测器，用于观测位置环上的负载扰动上界D，反馈到滑模位置控制器，对滑模位置控制器的解算进行补偿；
所述电流环，根据所述解算的q轴电流信号控制电机转动。
2.根据权利要求1所述的交流伺服***，其特征在于，
在所述自适应非奇异终端滑模控制器中构造的非奇异终端滑模面数
Figure FDA0002220719430000011
式中，e(t)＝θ-yr是伺服***的位置跟踪误差，yr为外部跟踪指令信号指定的转动角度，θ为电机转动机械角度；β＞0为常数；p和q是设定的滑模面的奇数，且q＜p＜2q。
3.根据权利要求1所述的交流伺服***，其特征在于，
所述自适应非奇异终端滑模控制器中构造的Lyapunov函数为：
Figure FDA0002220719430000012
式中，λ和μ为正比例系数；
Figure FDA0002220719430000017
为***转动惯量J的估计值；
Figure FDA0002220719430000013
为***结构参数
Figure FDA0002220719430000014
的自适应估计值，J为折算到电机轴端的***转动惯量；B为摩擦系数。
4.根据权利要求3所述的交流伺服***，其特征在于，所述自适应估计值
Figure FDA0002220719430000015
满足关系式：
Figure FDA0002220719430000016
式中，w为电机的机械角速度，S为非奇异终端滑模面数；通过对所述关系式积分可得到***结构自适应估计值
Figure FDA0002220719430000021
5.根据权利要求3所述的交流伺服***，其特征在于，所述***转动惯量J的估计值
Figure FDA0002220719430000022
满足关系式：
Figure FDA0002220719430000023
式中，u*为d轴指定电压；通过对所述关系式积分可得到***转动惯量的估计值
6.根据权利要求5所述的交流伺服***，其特征在于，所述输出q轴控制电流
Figure FDA0002220719430000025
式中，Te为永磁同步电机的电磁力矩；np为永磁同步电机的电机对数；ψf为电机转子磁链。
7.根据权利要求6所述的交流伺服***，其特征在于，d轴指定电压
Figure FDA0002220719430000026
式中，D为负载扰动上界；sgn(S)为滑模面开关函数；K为正比例系数。
8.根据权利要求7所述的交流伺服***，其特征在于，所述状态观测器，采用多阶线性扩张状态观测方程
Figure FDA0002220719430000027
观测位置环上的负载扰动上界D；式中，z1和z2是所述状态观测器观测的转子角度位置和转子速度的观测值，z3是负载扰动上界D的观测值；θ为电机转动机械角度，β1、β2和β3为观测系数，u*是所述滑模位置控制器计算的d轴指定电压。
9.一种如权利要求1-8所述的交流伺服***的位置环扰动抑制方法，其特征在于，包括，
步骤S1、计算伺服***的位置跟踪误差；
步骤S2、在位置环中，根据构造的滑模位置控制器的滑模面和Lyapunov函数，以所述位置跟踪误差为输入进行渐进稳定控制，迭代解算q轴电流信号；使用状态观测器对负载扰动进行观测，带入所述滑模位置控制器进行解算补偿；
步骤S3、在电流环中，根据所述q轴电流信号控制电机转动。
10.根据权利要求9所述的位置环扰动抑制方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下子步骤：
步骤S2-1、在位置环中，根据所述位置跟踪误差，以及滑模面的p、q值，计算滑模面数S和***结构参数
Figure FDA0002220719430000034
的自适应估计值
Figure FDA0002220719430000031
步骤S2-2、根据滑模面数S和扰动上界值D计算d轴指定电压u*；
步骤S2-3、计算***转动惯量的估计值
Figure FDA0002220719430000032
将d轴指定电压u*代入扩张状态观测器计算下一次迭代计算的扰动上界值D；
步骤S2-4、根据***转动惯量的估计值和d轴指定电压u*计算q轴控制电流iq*。
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