[发明专利]一种基于负载观测的直流电动机无源控制律实现方法

说明书

技术领域

本发明属于运动控制领域，具体涉及一种基于负载观测的直流电动机无源控制律实现方法。

背景技术

直流电动机因其平滑的调速特性和良好的控制性能得到了广泛应用。但在对系统动态性能要求较高的场合，如能快速起动达到期望转速、负载改变情况下转速波动小，这时候采用传统PI控制器的直流电动机调速系统就难以达到理想的控制效果。

无源控制(PBC，passivity-based control)是一种通过描述系统关于期望能量存储函数的无源性，并注入附加阻尼来达到稳定的设计方法。当直流电动机调速系统在稳定状态运行时，可以认为该系统的输入和输出的能量处于一个动态平衡。

运用无源控制方法对直流电动机拖动系统进行控制时，实时获得负载转矩是一个关键环节。在负载频繁变化的场合，能够及时准确地获取负载转矩对计算出当前状态下的无源控制律具有重要意义。但如果通过加装转矩传感器来检测负载转矩，不仅成本高，而且增加了系统的实现难度。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的传统直流电动机调速系统在动态性能要求较高的场合难以达到理想的控制效果以及转矩传感器成本高、实现难度大的缺点，本发明通过在线检测直流电动机电枢电流和转速两个参数实时估计负载转矩，提出一种基于负载观测的直流电动机无源控制律实现方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种基于负载观测的直流电动机无源控制律实现方法，该方法包含以下步骤：

1)选取直流电动机的机械能和电磁能之和为直流电动机拖动系统的能量存储函数，离线建立直流电动机拖动系统的端口受控耗散哈密顿(PCHD，port-controlled Hamiltonian system with dissipation)模型；

2)在线检测直流电动机的电枢电流和转速，通过负载转矩观测器实时估计负载转矩；

3)运用互联与阻尼分配的无源控制(IDA-PBC，interconnection and damping assignment passivity-based control)方法，调整系统的互联参数和阻尼参数，在线计算出当前负载状态下的无源控制律，控制脉冲宽度调制(PWM，pulse width modulation)变换器输出到直流电动机电枢两端的电压以使转速维持在给定转速指令值。

进一步的，所述步骤1)中的直流电动机拖动系统的能量存储函数为其中，x为系统的状态向量，并且有x=JΩLi,]]>JΩ²和Li²分别为直流电动机的机械能和电磁能，J为直流电动机的转动惯量，Ω为角速度，L为电枢电感，i为电枢电流。

进一步的，所述步骤1)中的直流电动机拖动系统的端口受控耗散哈密顿(PCHD)模型为