[发明专利]一种面向空间灵巧载荷电动执行器的高带宽控制方法

权利要求书

1.一种面向空间灵巧载荷电动执行器的高带宽控制方法，其特征在于：所指执行器属于本体感知类电动执行器，使用自身电流环实现力矩控制，无需外部传感器；该执行器包括大扭矩密度永磁同步电机与低减速比减速器，两者串联连接，外接驱动器控制；

步骤一：确定永磁同步电机在dq坐标系的q轴电压的数学模型；

定子电压方程为：

其中u_d、u_q分别为定子电压在d、q轴的分量；i_d、i_q为定子电流的d、q轴分量；R为定子绕组的电阻；ψ_d、ψ_q为定子磁链的d、q轴分量；ω_e是电角速度；L_d、L_q分别为定子绕组在d、q轴的电感分量；ψ_f是转子永磁体的磁链；

使用电机为表贴式电机，永磁体在转子铁芯表面，气隙均匀，所以交直轴磁路磁阻相同，定子交直轴电感相同，故d轴和q轴采用相同的控制器参数；

为实现对负载转矩的抗扰动，在q轴电流环使用ADRC算法，由式(2)得到q轴方程如下：

又因id＝0，故q轴不受d轴交叉耦合的影响，得到q轴电压的数学模型为：

当执行器负载变化时，会引起转速ω_e的波动，将-ω_eψ_f/L_q项看作扰动项，同时由于电机发热的因素，电阻R和电感L_q的参数变化也看作扰动项，进行补偿；

步骤二：由步骤一所得q轴电压数学模型，可知系统的总扰动，通过对q轴电压方程设计二阶线性扩张状态观测器(ESO)，观测得到反馈的电流，以及包含上述总扰动的扩张态，用于后续的扰动补偿；

电流环视作一阶系统，由于扩张状态观测器中除各系统变量外还包含扩张态，故设计二阶线性ESO对电流环系统状态变量进行观测，观测器表示如下：

其中，z₁(k)为第k运算周期对q轴电流i_q的观测值，z₂(k)为对系统总扰动的观测值，h₀为运算周期，b₀＝1/L_q；

通过引入带宽的概念来简化LESO的整定；电流环扩张观测器带宽为ω₀，二阶LESO的两个极点都应被配置在ω₀处，即：

λ(s)＝s²+β₁s+β₂＝(s+ω₀)² (5)

β₁＝2ω₀，β₂＝ω₀²

则对扩张状态观测器的调参就简化到了一个参数，通过调整系统的带宽，便可调整整个观测器；

步骤三：将步骤二观测得到的观测值，带入到线性状态误差反馈控制律中，对系统扰动进行补偿，与步骤二中的线性扩张观测器一同构成线性自抗扰控制器；

上述步骤中估计值分为两部分，一部分是系统内部各状态，在此取电流观测值作为反馈变量，利用误差反馈控制律设计电流环控制器；另一部分是扩张态，即对系统总扰动的观测值，直接给到控制律中作为前馈，以抵消扰动，并对式(3)线性化；具体如下式所示：

u＝k_pe+k_i∫e-z₂ (6)

其中，u为控制器输出值，k_p、k_i为比例积分控制系数，z₂为扩张态，即总扰动，e为状态误差项；

步骤四：通过步骤三得到的线性自抗扰控制器，将控制器输出值u给到机器人执行器的q轴，实现对电流环的自抗扰控制，同时确保了高带宽运行频率，并简化位置环与速度环的控制，实现高动态性能。