[发明专利]一种用于PMSM伺服系统的预测函数控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于永磁同步电机(PMSM)伺服系统的预测函数控制方法，属于高精度伺服控制系统的技术领域。

背景技术

随着对伺服系统控制精度要求的提高，扰动已成为一个不可忽略的重要问题。扰动往往来源于建模过程中忽略的不确定因素、系统运行过程中负载突变以及参数变化等。这些因素的存在使得闭环系统性能变差甚至不稳定。因此，为提高伺服系统的控制性能，其控制器要克服外部扰动对系统的影响。

在PMSM伺服控制系统中，PMSM作为一个多变量、非线性和强耦合的被控对象，具有非线性和不确定性等特征。欲实现高精度伺服控制，必须克服PMSM及负载在内的被控对象不确定性因素和外部扰动对系统性能造成的影响。传统的反馈控制策略，如高增益PID控制方法，具有结构简单、易于实现等优点，通常在参数匹配的情况下可获得较好的性能，但在实际工程中过高的增益会导致系统振荡，失稳。

在实际工业应用中，总会出现或多或少的干扰，包括摩擦力和负载扰动，为了消除扰动带来的影响，提高伺服系统的控制性能，国内外学者进行了大量的研究。预测函数控制(Predictive Functional Control，PFC)是近年来发展起来的一类计算机控制算法。由于它采用多步测试和反馈校正等控制策略，具有在线优化、约束处理以及较少的在线计算量等优点，它使用简单，可以实现简便直观的设计准则，控制效果好，适用于控制不易建立精确数字模型且比较复杂的工业生产过程。文献(夏泽中，张光明.预测函数控制及其在伺服系统中的仿真研究[J].中国电机工程学报，2005,25(14)：130-134.)提出了典型伺服控制系统的预测函数控制方法，仿真结果表明，该方法能在伺服系统中改善跟踪性能，然而，在实际工业应用中，该预测函数控制方法无法抑制伺服系统的转子负载扰动，因为该方法没有考虑转子负载扰动突变，当PMSM伺服系统面对转子负载扰动时，无法消除转子负载扰动的突变影响，使得伺服系统的控制性能变差。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提供一种用于PMSM伺服系统的预测函数控制方法，该方法将Kalman滤波器和预测函数控制(PFC)技术有机结合，两者互补，能够优化伺服系统的控制量，进而提高PMSM伺服系统的控制精度和抗扰动能力。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种用于PMSM伺服系统的预测函数控制方法，其特征在于，首先，采集PMSM伺服系统的转子位置信号θ和电机电流信号i_q，将转子位置信号θ和电机电流信号i_q作为Kalman滤波器的输入信号，根据转子位置信号θ和电机电流信号i_q，利用Kalman滤波器观测转子负载扰动，得到转子负载转矩和转子转速然后，设预测函数控制(PFC)包括优化控制单元、误差预测单元和转速预测单元，将该转子负载转矩和优化控制单元输出的最优控制量输入至转速预测单元，得到转子转速的预测值ω_m，同时，将转子转速及转子转速的预测值ω_m输入至误差预测单元，得到转子的转速误差值e；最后，将转子转速误差值e、转子转速预测值ω_m和转子转速输入至预测函数控制(PFC)的优化控制单元，得到最优控制量实现PMSM伺服系统在扰动影响下的高精度控制；其中，

所述Kalman滤波器基于以下公式建立：

式(4)中，为伺服系统在k时刻的Kalman滤波器对转子负载扰动估计值，上标“∧”代表估计的含义；F为转子负载扰动估计值的系数、G为转子负载扰动系数矩阵的系数；为转子负载扰动系数矩阵在k-1时刻的左逆矩阵，其表达式为：

其中，为伺服系统在k-1时刻的输入矩阵D_k-1的转置，其上标“T”为矩阵转置的符号；D_k-1为在k-1时刻离散的输入矩阵，其表达式为：

其中，T_s为伺服系统采样周期时间，J为电机负载转动惯量；

式(4)中，A_k-1为伺服系统在k-1时刻离散的矩阵，其表达式为：

其中，B为粘滞摩擦系数；