[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

说明书

本发明涉及一种面向空间灵巧载荷电动执行器的高带宽控制方法，特别涉及一种面向空间探测机器人的高带宽电动执行器的控制算法设计，属于机电伺服与控制领域。本发明首先建立永磁同步电机的电压方程，并推导得到电机q轴电压方程；将q轴电压方程中的扰动项以及由电机参数引起的变化看作总扰动，利用扩张状态观测器进行观测，并在线性状态误差反馈控制律中进行补偿，以消除扰动。在外环使用PD控制器完成位置与速度控制，最后实现了执行器的力矩、速度与位置控制，并确保了执行器的控制带宽达到4KHz以上。

技术领域

本发明涉及一种面向空间灵巧载荷电动执行器的高带宽控制方法，特别涉及一种面向空间探测机器人的高带宽电动执行器的控制算法设计，属于机电伺服与控制领域。

背景技术

目前国内外各研究单位对高灵巧高动态的空间探测机器人展开了丰富的研究，但是大多数仍然停留在虚拟环境仿真阶段，其原因主要有以下两点：1.实际物理环境中存在各种各样的不确定性，影响研究者专注于算法的研究。2.各类用于高动态探测机器人的优化控制算法，比如MPC等，最终输出为作用在各关节上的力矩，需要关节执行器具有力控能力，但目前鲜有能实现力控并满足其它控制指标要求的执行器，使得理论算法难以实现。

空间机器人，尤其是空间探测机器人的研究需要一款力矩输出充沛且精准的执行器。充沛的力矩输出，使得机器人在支撑起自身重量的基础上实现各类灵活且迅速的运动；精准的力矩控制，使执行器更好的跟踪控制器输出力矩。更重要的是，为满足灵巧探测机器人高动态性能，对电机控制带宽要求通常在1KHz以上，目前常用方案为使用小减速比减速器串联大扭矩电机，但是大部分工业用驱动器控制带宽只有几百Hz，无法满足性能需求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有灵巧探测机器人执行器中控制带宽无法满足使用需求的问题，提供一种面向空间灵巧载荷电动执行器的高带宽控制方法，该方法结合到基于本体感知的执行器中，该执行器不依靠外部传感器，仅靠驱动器电流信息即实现力矩控制，采用该方法控制执行器能够实现速度与位置的复合控制，从控制结构上将传统的三环控制变为位置电流双环控制，提高了执行器的动态响应速度，使得控制带宽达到4KHz以上。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种面向空间灵巧载荷电动执行器的高带宽控制方法，首先建立永磁同步电机的电压方程，并推导得到电机q轴电压方程；将q轴电压方程中的扰动项以及由电机参数引起的变化看作总扰动，利用扩张状态观测器进行观测，并在线性状态误差反馈控制律中进行补偿，以消除扰动。在外环使用PD控制器完成位置与速度控制，最后实现了执行器的力矩、速度与位置控制，并确保了执行器的控制带宽达到4KHz以上。

一种面向空间灵巧载荷电动执行器的控制算法，本发明中所指执行器属于本体感知类电动执行器，主要特点为使用自身电流环实现力矩控制，无需外部传感器；该执行器主要包括大扭矩密度永磁同步电机与低减速比(减速比小于10)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(L_d＝L_q)，故d轴和q轴采用相同的控制器参数。