[发明专利]基于复合位置控制器的永磁无刷直流电机位置伺服系统

说明书

本发明请求保护一种基于复合位置控制器的永磁无刷直流电机位置伺服系统，其包括：复合位置控制器模块、PI控制模块、驱动电路模块、电流采样模块、永磁无刷直流电机及位置检测与计算模块，其中复合位置控制器模块是基于指数趋近律的滑模反馈控制部分和基于扩张状态观测器的干扰估计与补偿部分组成的复合控制器，与传统线性控制方法相比，该方法在保证收敛速度的同时，既可以有效降低系统抖振，又可以提高系统抗干扰性能，满足了永磁无刷直流电机位置伺服系统在高性能领域的应用需求。

技术领域

本发明属于永磁无刷直流电机的控制方法，尤其是一种基于扩张状态观测器和滑模控制的永磁无刷直流电机位置伺服系统控制方法。

背景技术

永磁无刷直流电机是随着电力电子技术、制造业和新型材料的迅速发展而发展起来的一种新型直流电机，因其具有结构简单、运行可靠、维护方便、效率高、无励磁损耗以及调速性能好等一系列优点，从而被广泛应用于航空航天、家用电器、仪器仪表、化工、医疗器械等工业领域。

目前，永磁无刷直流电机一般采用PID控制与矢量控制结构相结合的控制方式，但是由于电机在运行过程中会遭受各种干扰如外界电磁干扰、负载变化、摩擦等因素的影响，传统的线性控制如PID控制无法有效应对这些干扰，进而影响系统稳定性。因此，需要设计一些非线性控制算法来提高系统性能，如鲁棒控制，预测控制，有限时间控制，滑模控制，自适应控制和智能控制等。在上述提到的这些方法中，滑模变结构控制因具有强鲁棒性和容易实现等优势而受到更多关注。然而，由于滑模控制律的不连续控制作用会引起抖振现象，从而限制了滑模控制在实际系统中的应用。

为了削弱抖振现象，提出了另一种有效的方法，即设计基于指数趋近律的滑模控制反馈部分和基于扩张状态观测器的干扰估计与补偿部分组成的复合控制器，使其具有结构简单，抗干扰性能强，跟踪能力好等优点，因而可以显著提高位置伺服系统的控制性能。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种可以达到良好动态和稳态性能，同时可以有效提高系统跟踪能力的基于指数趋近律的基于复合位置控制器的永磁无刷直流电机位置伺服系统及方法。本发明的技术方案如下：

一种基于复合位置控制器的永磁无刷直流电机位置伺服系统，其包括：复合位置控制器模块、PI控制模块、驱动电路模块、电流采样模块、永磁无刷直流电机及位置检测与计算模块，所述复合位置控制器模块与PI控制模块相连接，所述PI控制模块与驱动电路模块相连接，所述电流采样模块并联设置在PI控制模块与驱动电路模块的两端，驱动电路模块还与永磁无刷直流电机相连接，所述永磁无刷直流电机与位置检测与计算模块的一端相连接，位置检测与计算模块的另一端与复合位置控制器模块相连接；

其中，所述复合位置控制器模块是由基于指数趋近律的滑模反馈控制和基于扩张状态观测器的前馈控制复合而成，所述位置检测与计算模块用于检测安装于永磁无刷直流电机上的位置传感器信号θ；电流采样模块得到PI控制模块所需的实际电流i；复合位置控制器模块的输入端为位置参考值θ_r，与经过位置检测与计算模块后得到的位置传感器信号θ的差值，经过复合位置控制器模块后，得到PI控制模块输入端的参考电流i_r；将得到的参考电流i_r与得到的实际电流i的差值，输入PI控制模块后，得到驱动电路模块的输入电压u；电压u在驱动电路控制下，驱动永磁无刷直流电机运行。

进一步的，所述复合位置控制器由基于指数趋近律的滑模反馈控制和基于扩张状态观测器的前馈控制复合而成，复合位置控制器的设计步骤如下所述：

定义位置误差e为：

e＝θ_r-θ

其中θ_r为参考位置；

对e求导可得：

滑模面设计为：