[发明专利]一种交流伺服系统及位置环的扰动抑制方法

说明书

本发明涉及一种交流伺服系统及位置环的扰动抑制方法，属于电机控制技术领域，解决传统交流伺服系统位置精度差和响应速度慢的问题；系统采用包括位置环和电流环的双闭环控制结构，在位置环中包括自适应非奇异终端滑模控制器，用于根据外部跟踪指令信号解算q轴电流信号；包括扩张状态观测器，用于观测位置环上的负载扰动上界，反馈到滑模位置控制器，对滑模位置控制器的解算进行补偿；在电流环根据所述解算的q轴电流信号控制电机转动。本发明简化了交流伺服系统的控制结构，提高了位置伺服系统的响应能力和鲁棒性；对位置环上负载扰动上界的进行观测，随后代入控制器中进行补偿，进一步提高了伺服系统的抗扰动能力。

技术领域

本发明涉及于电机控制技术领域，尤其是一种交流伺服系统及位置环的扰动抑制方法。

背景技术

现阶段，永磁同步电机位置伺服系统一般采用三闭环控制结构，内环为电流环，次环为速度环，最外环为位置环；PID是环路控制器最常用的设计方法。但是，传统的PID控制器参数调节复杂，系统响应速度慢，在面对系统结构参数不确定或者时变、非线性和负载变化时难以达到理想的控制效果。近年来许多先进的控制算法在不确定永磁同步电机伺服系统中得到了应用，如采用自适应反步控制的方法对系统未知参数进行估计并利用滑模控制来保证系统对未知扰动的鲁棒性；采用自适应模糊滑模控制的方法对系统存在的抖振问题进行抑制。但是上述的控制方法存在一定的不足之处，例如：采用反步法设计控制器结构时会存在着“项数膨胀”的问题，将导致所设计的控制输入量特别大，实际控制系统难以实现；传统的滑模控制器采用的线性滑模面，响应速度慢，理论上系统状态难以在有限时间内收敛到给定轨迹，滑模控制器还存在其固有的抖振问题，位置精度差；而且，为了得到良好的抗扰能力，传统的滑模控制器不得不将扰动上界值取得偏大，这加剧了系统的抖动。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种交流伺服系统及位置环的扰动抑制方法，解决传统交流伺服系统的位置精度差和响应速度慢的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明公开了一种交流伺服系统，采用双闭环控制结构，包括位置环和电流环；

所述位置环中包括滑模位置控制器和扩张状态观测器；

所述滑模位置控制器为自适应非奇异终端滑模控制器，用于根据外部跟踪指令信号解算q轴电流信号；

所述扩张状态观测器，用于观测位置环上的负载扰动上界D，反馈到滑模位置控制器，对滑模位置控制器的解算进行补偿；

所述电流环，根据所述解算的q轴电流信号控制电机转动。

进一步地，在所述自适应非奇异终端滑模控制器中构造的非奇异终端滑模面数式中，e(t)＝θ-y_r是伺服系统的位置跟踪误差，y_r为外部跟踪指令信号指定的转动角度，θ为电机转动机械角度；β0为常数；p和q是设定的滑模面的奇数，且qp2q。

进一步地，所述自适应非奇异终端滑模控制器中构造的Lyapunov函数为：

式中，λ和μ为正比例系数；为系统转动惯量J的估计值；为系统结构参数的自适应估计值，J为折算到电机轴端的系统转动惯量；B为摩擦系数。

进一步地，所述系统结构参数自适应估计值满足关系式：式中，w为电机的机械角速度，S为非奇异终端滑模面数；通过对所述关系式积分可得到系统结构参数自适应估计值

进一步地，所述系统转动惯量J的估计值满足关系式：式中，u^*为d轴指定电压；通过对所述关系式积分可得到系统转动惯量的估计值

进一步地，所述输出q轴控制电流式中，T_e为永磁同步电机的电磁力矩；n_p为永磁同步电机的电极对数；ψ_f为电机转子磁链。