[发明专利]一种直流有刷电机转速离散控制和显式预测控制方法

说明书

本申请公开了一种直流有刷电机转速离散控制和显式预测控制方法，通过对功率开关管的整个周期进行子周期划分，可建立直流有刷电机调速系统子采样周期离散状态空间模型，能够反应直流有刷电机调速系统本质的混杂特性。在此基础上，以脉冲占空比为控制变量，根据开关切换所处位置不同，将直流有刷电机调速系统分为v种情况，分别建立整个开关管周期T内的v种离散状态空间模型，其是占空比的分段仿射模型，降低了传统控制方案中平均模型带来的误差，可通过增加子周期个数，提高建模精度。同时，也克服了传统控制方案中，开关周期内系统动态行为无法描述的缺点，为预测控制方案设计提供离散状态空间模型基础。

技术领域

本申请涉及一种直流有刷电机转速离散控制和显式预测控制方法，该技术方案内容获得国家自然科学基金项目(61304095)，江苏省自然科学基金项目(BK20130317)资助，江苏省博士后科研资助计划(1302103B)资助。

背景技术

直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机，其具有良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用，在工业、农业、交通运输、城市建设、节能和环保控制等方面有着非常重要的应用。直流电动机按照其结构可以分为有刷和无刷两种，其中有刷直流电动机，通过电刷将电源的正负极引入到转子的换相器上，换相器连通转子上的线圈，线圈极性不断的交替变换与固定的磁场形成作用力而转动起来。有刷电机制造简单，技术门槛低，成本低廉，应用非常广泛。随着直流有刷电机应用的日益广泛，各个领域对其调速、节能性能等要求越来越高，对此主要是通过研究先进的控制策略来提高直流有刷电机的性能。

直流有刷电机的一个显著特点是含有电刷，其常用调速方案有调节电枢供电电压、改变电动机主磁通、改变电枢回路电阻等三种。改变电枢电压调速是直流有刷电机最主要的调速方法，其需要可控直流电源。

以图1所示的电枢控制的直流有刷电机电路为例，通常采用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可调的直流平均电压，从而实现直流有刷电机的调速。

传统控制方案使用基于脉宽调制技术(Pulse Width Modulation，PWM)的线性PI(Proportional Integral)控制方法，如图2所示，根据直流有刷电机实际转速与目标转速的差值，反馈给PI控制器(Proportional Integral Controller)，计算电枢平均电压的参考值，再通过脉宽调制方法(Pulse Width Modulation，PWM)实现该平均参考值。

脉宽调制方法通常如图3所示，采用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用功率开关管控制，保持开关频率不变(即开关周期T保持不变)，调节脉冲宽度T_on，调节输出平均电压U_d，从而实现直流有刷电机的转速控制。

如图2所示传统PI控制方案，在进行脉宽调制控制时，采用的是系统在一个周期T内的平均模型，仅考虑了系统的负载动态，忽略了PWM调制技术，由于功率开关管的开关动作，而产生的混杂动态行为。因此，传统PI控制方案无法体现基于PWM调速直流有刷电机本质上的混杂特性，以及其在一个脉宽周期内系统内部状态的变化过程。由于平均模型的误差，导致其转速控制精度差，且由于PWM的固有动态，算法响应速度慢。传统PI控制方案，由于本身控制结构的缺点，其无法考虑系统状态和输出的约束条件，也无法实现针对具体性能指标的最优控制，从而无法适应当前市场对直流有刷电机调速系统的性能与效率越来越苛刻的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直流有刷电机转速离散控制和显式预测控制方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开一种直流有刷电机转速离散控制和显式预测控制方法，包括：

s1、建立直流有刷电机调速系统子采样周期离散状态空间模型：