[发明专利]基于摩擦和扰动补偿的PMSM伺服系统控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于摩擦和扰动补偿的永磁同步电机(PMSM)伺服系统控制方法，属于高精度伺服控制系统的技术领域。

背景技术

随着对伺服系统控制精度要求的提高，摩擦已成为一个不可忽略的重要问题。非线性摩擦对系统的动态及静态性能的影响很大，主要表现为低速时的爬行现象、速度过零时的波形畸变现象、稳态时有较大的静差，甚至出现不期望的极限环振荡。影响伺服控制系统精度的另一个重要因素是外部扰动。扰动往往来源于建模过程中忽略的不确定因素、系统运行过程中负载突变以及参数变化等。这些因素的存在使得闭环系统性能变差甚至不稳定。因此，为提高伺服系统的位置控制精度和改善系统的低速性能，其控制器既要实现对摩擦的补偿，又要克服外部扰动对系统的影响。

在PMSM位置伺服系统中，PMSM作为一个多变量、非线性和强耦合的被控对象，具有非线性和不确定性等特征。欲实现高精度伺服控制，必须克服非线性摩擦、PMSM及负载在内的广义被控对象不确定性因素和外部扰动对系统性能造成的影响。传统的反馈控制策略，如高增益PID控制方法，具有结构简单、易实现等优点，通常在参数匹配的情况下可获得较好的性能，但在实际工程中过高的增益会导致系统振荡，失稳。

为了消除摩擦和扰动带来的影响，提高系统的控制性能，国内外学者进行了大量的研究。文献(高扬，杨明，于泳，等.基于扰动观测器的PMSM交流伺服系统[J].中国电机工程学报，2005，25(22)：125-128.)设计了扰动观测器，观测和补偿系统在运行过程中存在的扰动。Craig TJ等在文献(Experimental identification of friction and its compensation in precise，positioncontrolled mechanisms[J].IEEE Transactions on Industry Applications，1992，28(6)：1392-1398.)中设计了基于摩擦模型的前馈补偿控制器，以提高伺服系统的低速动态性能。然而，该方法需要知道摩擦的精确模型，其控制效果很大程度上取决于所建立的数学模型能否准确地反映摩擦特性。现有的伺服系统控制器的摩擦模型一般采用简化的非线性摩擦模型，如：库仑模型、库仑加滑动摩擦模型或Stribeck模型等，但实际的摩擦具有更复杂的非线性特性，采用简化的摩擦模型难以描述真实的摩擦特性。此外，虽然摩擦模型的辨识方法已经较成熟，但实际工程中，低速时摩擦模型的辨识精度有限。文献(史永丽，侯朝祯.基于自抗扰控制的伺服系 统摩擦补偿研究[J].计算机工程与应用，2007，43(29)：201-203.)利用自抗扰控制(ADRC)中的扩张状态观测器(Extended State Observer，ESO)对摩擦进行估计并补偿。该补偿控制方法既不依赖对象模型又不依赖摩擦模型，算法简单，鲁棒性强，易于工程应用。然而，该方法把摩擦作为一个外界干扰加以抑制，通常没考虑摩擦非线性的具体模型及对整个系统动态性能和稳定性造成的影响，尤其对速度过零时摩擦非线性的补偿能力有限。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于摩擦和扰动补偿的PMSM伺服系统控制方法。该方法将基于摩擦模型前馈补偿方法和自抗扰技术有机结合，两者互补。先基于摩擦模型前馈补偿，再利用二阶自抗扰控制器的扩张状态观测器(ESO)实时观测并补偿系统中过补偿或欠补偿的摩擦，不仅降低了对摩擦模型精度的要求，且减轻了ESO的估计负担，同时，基于摩擦模型的前馈补偿控制方法弥补了ESO对速度过零时摩擦非线性补偿能力有限的缺陷。此外，ESO还可观测出系统建模误差带来的不确定性和外界扰动，提高了系统抗扰动能力。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种基于摩擦和扰动补偿的PMSM伺服系统控制方法，首先采集PMSM伺服系统的转子位置信号、电机电流信号和转速信号，然后，根据电机电流信号和转速信号，利用Stribeck摩擦模型对PMSM伺服系统摩擦进行建模，以获取摩擦力矩等效电流，并将该摩擦力矩等效电流作为系统的摩擦前馈补偿量，同时，将转子位置信号作为二阶自抗扰控制器的反馈信号，结合该二阶自抗扰控制器的扰动补偿前馈控制以及带有跟踪微分器的非线性反馈控制，实现永磁同步电机伺服系统在摩擦和扰动影响下的控制。

所述Stribeck摩擦模型中，各摩擦参数采用遗传算法进行离线辨识，所述摩擦前馈补偿量为前述所得离线辨识模型的摩擦力矩等效电流估计值