[发明专利]无刷直流电机伺服系统扰动抑制与高精度跟踪控制方法

说明书

本发明一种无刷直流电机伺服系统扰动抑制与高精度跟踪控制方法，其步骤包括：步骤S1：根据电压平衡方程和转矩平衡方程建立含有扰动的无刷直流电机伺服系统状态空间模型；步骤S2：根据无刷直流电机伺服系统状态空间模型设计降阶扩张状态观测器，实现对非匹配总扰动f(t，x_p，M_c)和电枢电流i(t)的实时估计；步骤S3：根据参考输入的周期性特征设计改进型重复控制器，构造周期性参考输入信号发生器；步骤S4：构建基于状态反馈控制器、扰动补偿器、重复控制器、前馈补偿器的复合控制器，同时实现伺服系统对非匹配扰动的有效抑制和对周期性参考输入的精确跟踪。本发明具有控制实现简单、跟踪精度高，同时鲁棒性能好等优点。

技术领域

本发明主要涉及到电机控制技术领域，特指一种无刷直流电机伺服系统扰动抑制与高精度跟踪控制方法。

背景技术

无刷直流电机采用电子换向器换向，不仅保持了有刷直流电机良好的动、静态特性，而且避免了电刷换向器带来的固有缺陷，其具有结构简单、运行效率高、输出转矩大等优点。因此广泛应用于国防、航空航天、汽车电子、机器人、工业过程控制等领域。

在实际应用中，无刷直流电机伺服系统经常需要对周期性信号进行高精度跟踪。基于内模原理的重复控制是解决这类控制问题的有效方法，其实质是将周期信号的内部模型植入到重复控制器中，通过纯滞后正反馈环节将上一个周期的控制输入信号添加到本周期的控制输入中，调节并产生本周期的控制输入，如此循序渐进，最终实现对任意周期信号的高精度跟踪或抑制。但是，相比于原反馈控制系统，引入重复控制器后构成的重复控制系统在改善周期信号控制性能的同时，降低了非周期信号(或周期与重复控制器时滞常数不同的周期信号)控制性能，重复控制系统不能抑制非周期扰动。在实际应用过程中，无刷直流电机伺服系统不可避免的存在内部参数摄动、外负载扰动等不确定因素。为了保证重复控制系统对周期信号的跟踪性能，必须寻求一种有效且实用的非周期扰动补偿方法，改善重复控制系统的抗扰性能，提高系统的鲁棒性。

为解决上述问题，有学者提出了滑模变结构重复控制方法、自适应重复控制方法、H_∞重复控制方法。值得注意的是，这些控制方法主要着眼于系统的稳定性，它们通过提高控制器本身的鲁棒性来降低扰动在系统输出通道的灵敏度，从而导致系统在跟踪控制与扰动抑制、标称性能与鲁棒性之间存在折中问题。

众所周知，扰动的前馈补偿是一种非常有效的扰动抑制方法，但是使用这种方法的前提是所有扰动(包括系统的参数摄动、未建模动态和外负载扰动等)都可以由传感器直接准确测量。显然，实际控制系统考虑到成本原因无法安装大量传感器对所有扰动准确测量。另一个重要原因是许多扰动甚至都不是物理量，无法直接量测。

为此，另有学者提出基于扰动估计与补偿的主动抗干扰方法，其基本思想是设计观测器来估计这些不确定性因素和干扰的实时作用量，然后通过设计补偿器将估计值反馈到控制输入端进行动态补偿，从而实现对扰动的主动抑制，提高伺服系统的对扰动的鲁棒性。目前已有的针对重复控制系统非周期扰动抑制的主动抗干扰方法主要包括基于干扰观测器的重复控制方法、基于线性自抗扰的重复控制方法和基于等价输入干扰估计器的重复控制方法。其中线性自抗扰方法所需的被控对象已知信息最少，只需要知道系统的相对阶数即可进行控制器设计。但是这种方法只适用于被控对象是积分器串联型的系统。另一个严重制约基于线性自抗扰的重复控制方法和基于扰动观测器的重复控制方法应用的原因是在实际系统中，扰动常常不满足匹配条件，即扰动和控制输入不在同一通道。基于等价输入干扰估计器的重复控制系统稳定性条件非常苛刻，可能无法设计出满足稳定性条件的控制器。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种控制实现简单、跟踪精度高，同时鲁棒性能好的无刷直流电机伺服系统扰动抑制与高精度跟踪控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种无刷直流电机伺服系统扰动抑制与高精度跟踪控制方法，其步骤包括：