[发明专利]一种直驱电机系统的鲁棒自适应控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及机电伺服控制技术领域，主要涉及一种直驱电机系统的鲁棒自适应控制方法。

背景技术

在现代工业生产中，许多先进的机械设备如数控机床、半导体加工设备及微电子制造设备等都广泛采用直驱电机系统来保证高速和高精度的加工过程。直驱电机(如旋转和直线电机)系统由于消除了与减速齿轮相关的一些机械传动问题如齿隙、强惯性载荷以及结构柔性等，而这些非线性问题都是影响系统性能的主要因素，其存在将会严重恶化控制性能，因此通过对直驱电机系统进行先进的控制器设计可以获得高精度的控制性能。然而，也正是由于缺少减速齿轮的作用，对直驱电机系统进行控制器设计时需要面临许多建模不确定性，如参数不确定性及外负载干扰等不确定性非线性，这些不确定性不再经过减速齿轮而是直接作用于驱动部件，这样同样会严重地恶化控制性能，导致极限环震荡甚至使系统失稳。因此探索先进的控制器设计方法来保证直驱电机系统的高精度控制性能仍是实际工程应用领域的迫切需求。

针对直驱电机系统的的非线性控制问题，许多方法相继被提出。其中自适应控制(AC)方法对于处理参数不确定性问题是非常有效的方法，能够获得渐近跟踪的稳态性能。但是自适应控制器是基于系统不存在外负载干扰等不确定性非线性的前提假设进行设计的，理论上可以保证当系统期望值令满足持续激励(PE)条件时系统参数估计收敛到真值且系统获得渐进跟踪的性能。但是，大量研究表明当PE条件不满足时甚至很小的外负载干扰或测量噪声都能使系统参数估计发生漂移进而造成系统不稳定。而且，尽管在PE条件满足的情况下大的外负载干扰也能使系统跟踪误差逐渐增大直至系统失稳。而实际的电机系统都存在不确定性非线性，因此传统自适应控制方法在实际应用中并不能获得高精度的控制性能；作为一种鲁棒控制方法，经典滑模控制可以有效地处理任何有界的建模不确定性，并获得渐近跟踪的稳态性能。但是经典滑模控制所设计的不连续的控制器容易引起滑模面的颤振问题，从而恶化系统的跟踪性能。为此，许多研究对经典滑模控制进行了改进，如采用光滑连续的双曲正切函数替代不连续的标准符号函数。但是如此一来便丧失了渐近跟踪的稳态性能，只能获得有界的跟踪误差；为了同时解决参数不确定性和不确定性非线性的问题，自适应鲁棒控制(ARC)方法被提出，该控制方法在两种建模不确定性同时存在的情况下可以使系统获得确定的暂态和稳态性能，如要获得高精度跟踪性能则必须通过提高反馈增益以减小跟踪误差，然而过大的反馈增益将提高闭环系统的频宽，从而可能激发系统的高频动态使系统失稳。

通过上述各种控制方法的优缺点分析，本发明基于传统的自适应控制方法，通过巧妙地设计非线性鲁棒控制律使得系统在同时存在参数不确定性和不确定性非线性的情况下的参数估计不受影响且获得渐近跟踪的性能，增强了传统自适应控制对外负载干扰等不确定性非线性的鲁棒性，获得了更好的跟踪性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种鲁棒性强、跟踪性能高的直驱电机系统的鲁棒自适应控制方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种直驱电机系统的鲁棒自适应控制(RAC)方法，其实现包括以下步骤：

步骤1、建立直驱电机系统的数学模型；

步骤2、设计鲁棒自适应控制器；以及

步骤3、鲁棒自适应控制器的性能分析。

进一步地，前述的直驱电机系统的鲁棒自适应控制方法，基于传统的自适应控制(AC)方法，通过设计非线性鲁棒控制律使得系统在同时存在参数不确定性和不确定性非线性的情况下的参数估计不受影响且获得渐近跟踪的性能。该控制方法是针对如下问题提出的：传统的自适应控制器是基于系统不存在外负载干扰等不确定性非线性的前提假设进行设计的，理论上可以保证当系统期望值令满足持续激励(PE)条件时系统参数估计收敛到真值且系统获得渐进跟踪的性能。当持续激励条件不满足时甚至很小的外负载干扰或测量噪声都能使系统参数估计发生漂移进而造成系统不稳定，而且，尽管在持续激励条件满足的情况下，大的外负载干扰也能使系统跟踪误差逐渐增大直至系统失稳。所公开的控制方法增强了传统自适应控制对外负载干扰等不确定性非线性的鲁棒性，获得了更好的跟踪性能。

本发明提出的直驱电机系统的鲁棒自适应控制方法，与现有技术相比，其显著优点在于：增强了传统自适应控制对外负载干扰等不确定性非线性的鲁棒性，使得系统在同时存在参数不确定性和不确定性非线性的情况下的参数估计不受影响且获得渐近跟踪的性能。下述仿真结果验证了其有效性。

附图说明

图1是本发明直驱电机系统的原理图。