[发明专利]基于改进模型补偿ADRC的PMSM伺服系统控制方法

说明书

技术领域

本发明属于高精度伺服控制系统的技术领域，具体涉及一种基于改进模型补偿ADRC的PMSM伺服系统控制方法。

背景技术

在高精度伺服系统中，由于永磁同步电机(PMSM)性能优越，广泛应用于各种工业领域和高性能伺服系统，逐渐成为伺服系统执行电机的主流。然而永磁同步电机作为一个多变量、非线性、强耦合的被控对象，在伺服系统实际运行过程中，电机本体参数会发生变化，同时负载对象存在着不确定性,主要有转动惯量变化以及负载扰动等；另外，伺服系统的应用环境也大多存在各种干扰。这些扰动因素对伺服系统期望的伺服性能如动静态特性、控制精度和稳定性等方面造成不良的影响，有时甚至会引起控制品质严重下降，鲁棒性得不到保证。传统的控制理论对系统参数变化的适应能力较差,难以克服系统扰动、参数大范围变化等扰动因素对系统性能的影响，抗干扰能力较弱，难以达到高精度伺服控制的要求。随着控制理论的发展，很多先进的算法被应用于永磁同步电机的控制研究中，如内膜控制、模糊控制、神经网络控制、滑模变结构控制等。但是其中的许多方法，涉及的数学知识较多，计算和实现较为复杂，不少方法只是停留在数值仿真阶段,而且抗扰动能力有限。所以，针对当前伺服控制系统中面临的问题，需要寻求一种性能更加优良、抗扰动能力强、易于实现的伺服控制策略，来满足日益迫切的高性能的伺服控制需求，使伺服系统具有较强的抗扰能力。

由于自抗扰控制技术(ADRC)不依赖于被控对象的内部机理和外扰规律，通过对总扰动量的实时估计并给予及时主动补偿，具有抗扰动能力强、精度高、响应速度快、结构简单等特点,同时算法简单易实现，对被控系统的不确定性没有严格限制，因而在永磁同步伺服系统的抗扰动能力方面有着其他控制策略无法比拟的优势，成为了PMSM伺服控制系统控制策略的研究热点。在用自抗扰控制的PMSM伺服系统中，要想取得好的控制效果，观测器的跟踪效果必须很好才有可能，也即需要扩张状态观测器(ESO)的估计精度要高，如果ESO的估计能力无法满足系统的控制精度的要求，反过来就会使得自抗扰控制系统的性能受到严重影响。ESO所估计的扰动项包括转速、转矩的变化以及转动惯量和阻尼系数的变化等。在永磁同步电机运行过程中，这些参数及扰动量都会发生变化，尤其是在负载扰动大的时候，扰动项幅值会很大。如果扰动的总和变化过大、过快，让ESO直接估计出这种扰动显然是加重了观测器的负担，ESO对扰动的估计难以保证很高的精度，导致自抗扰控制器对系统扰动也难以进行准确的补偿，限制了自抗扰控制器取得更优的抗扰能力和控制性能。

针对这一问题，有研究者提出了基于模型辨识与补偿的自抗扰控制器，设计速度环的一阶自抗扰控制器，针对PMSM运行过程中存在的转动惯量和外部负载等扰动项的变化对伺服性能的影响，先采用辨识算法辨识出转动惯量、阻尼系数及负载力矩，然后再利用辨识模型信息组合成部分扰动项，补偿到自抗扰控制器中，使ESO不需要估计出全部的扰动量，只需估计出未被补偿掉的扰动量，以此来减轻ESO对扰动的估计负担，而自抗扰控制器对扰动的补偿分量依然存在，既达到了模型补偿的目的，又提高了观测器对扰动估计的精度。仿真结果表明，模型补偿自抗扰控制器具有更好的抗负载扰动的能力。然而该类方法中进行模型补偿需要先采用辨识算法辨识电机和系统参数，计算组合得到部分扰动项，模型补偿精度取决于参数辨识精度，然而参数辨识精度难以得到保证，如若辨识的不准确，反而加大了系统总扰动，加重了ESO的观测负担。同时，该方法也只能得到可辨识的扰动模型，对于系统中其他的干扰无法获得，扰动补偿模型的范围较小。

发明内容

本发明针对基于自抗扰控制器的伺服控制系统中，扩张状态观测器所估计的扰动项幅值过大，变化剧烈，难以保证估计精度，限制自抗扰控制器取得更优的控制性能的问题，提出了一种改进的模型补偿自抗扰控制器。将改进的自抗扰控制器用于PMSM伺服系统的速度环，利用ESO对系统扰动的观测优势，先采用一个扩张状态观测器观测得到系统总扰动补偿项，然后在速度环的ADRC设计中，利用此总扰动补偿项，补偿到速度环自抗扰控制器中去，这样使得ADRC中的ESO不需要估计出全部的扰动量，减轻了自抗扰控制器中ESO的估计负担，提高了系统的对总扰动的估计能力，进而提高系统的抗扰动能力。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：一种基于改进模型补偿ADRC的PMSM伺服系统控制方法，先利用一个二阶扩张状态观测器实时观测系统中的扰动，得到系统总扰动的补偿项，然后将此扰动补偿项补偿给速度环的一阶自抗扰控制器中的扩张状态观测器，并在扰动补偿项中去除该已知部分的模型信息，其具体步骤如下：