[发明专利]三步法设计的有刷直流电机复合控制方法

摘要

一种三步法设计的有刷直流电机复合控制方法，属于电机技术领域。本发明的目的是通过三步法设计的前馈加反馈直流电机，解决了直流电机速度控制过程中快速性以及低速运行不平稳性问题的三步法设计的有刷直流电机复合控制方法。本发明步骤是：①建立直流有刷电动机的数学模型；②基于三步法设计的前馈加反馈的直流电机调速复合控制。本发明将内外环运算分开，降低了数字处理器运算负担，节约运算成本，提升了控制性能。

主权项

1.一种三步法设计的有刷直流电机复合控制方法，其特征在于：其步骤是：①建立直流有刷电动机的数学模型建立直流电动机的电压平衡方程式：E＝K″eΦω＝Ceω                 (1)式中，E是直流电机的感应电动势(V)；Φ是电机每磁极的磁通(Wb)；K″e是直流电机结构决定的电动势常数；Ce是电机在额定磁通下的电势转速比(V·min/r)，且Ce＝K″eΦ；ω是电机转速，单位为r/min；Te＝KTIdΦ＝CmId                    (2)式中，Te是电机的电磁转矩(N·m)；Id是电机的电枢电流(A)；KT是直流电机结构所决定的转矩常数；Cm是电机在额定磁通下的转矩电流比(N·m/A)，且Cm＝KTΦ；电枢回路的微分方程：即直流电动机轴上的动力学方程为：式中，GD2是电动机轴上的飞轮惯量(N·m2)；TL是负载转矩(N·m)；ω是电动机转速(r/min)；R是电机电枢电阻(Ω)；L是电机电枢电感(H)；整理得到：式中，是电动机的电磁时间常数；是电动机的机电时间常数，R_d为电机电枢电阻(Ω)；由此得到有刷直流电机数学模型为：其中J是电机转动惯量(kg·m2)；Km是电机在额定磁通下的转矩电流比(N·m/A)；其特征在于：②基于三步法设计的前馈加反馈的直流电机调速复合控制：三步法分为：稳态控制、参考动态前馈控制、误差反馈控制：Ⅰ、外环控制器的设计：第一步：稳态控制外环状态方程为：由于内外环解耦，这里i_d表示期望电流值；设稳态控制律为i_s，稳态控制输入为i_d＝i_s,根据稳态条件，令带入(8)式得：Kmis‑Tf‑TL＝0           (9)摩擦力矩Tf稳态模型由下式确定：其中Tc为库仑摩擦力，Ts为最大静摩擦力，ωs为Stribeck速率，KV为粘滞摩擦系数；Stribeck模型中的四个未知参数通过实验方法测得；则得到稳态控制律：第二步：参考动态前馈控制设控制率为id＝is+if，其中if为参考动态前馈控制律，带入(8)式得：化简得到参考动态前馈控制律：令其中为实测转速一阶导数，为期望转速一阶导数，代入上式得到第三步：误差反馈控制：设控制率为id＝is+if+ie，其中ie为外环误差反馈控制律，且定义跟踪误差为ωe＝ω*‑ω，则有化简得到：化简得到：取李雅普诺夫函数则有取误差反馈控制律K′eie＝‑K1ωe‑K0∫ωe代入上式得到则总的控制律为：Ⅱ、内环控制器设计：内环状态方程为：式中Ke是电机在额定磁通下的电势转速比(V·min/r)；由于内外环解耦，(20)式中id表示期望电流值，这里的i表示实际电流值；第一步：稳态控制设控制律U＝U_s，根据稳态条件，令带入(21)得到稳态控制律：Us＝iR+Keω           (22)第二步：参考动态前馈控制设控制律U＝U_s+U_f，带入(21)式得到化简得到令这里为实测电流一阶导数，为期望电流一阶导数；由于内环时间常数远小于外环时间常数，所以不考虑内环的动态响应，这里令因此得到参考动态前馈控制律Uf＝0            (23)第三步：误差反馈控制定义跟踪误差为ie＝i*‑i，则有化简得到：令则有令误差反馈控制律Ue＝‑K′1ie‑K′0∫ie带入式(27)，得：则总的控制律为U＝Us+Uf+Ue＝iR+Keω‑K′1ie‑K′0∫ie      (29) 。