[发明专利]基于干扰观测器的直流电机自适应反演滑模控制方法

说明书

本发明公开了一种基于非线性干扰观测器的直流无刷电机自适应反演滑模控制方法，采用非线性干扰观测器对直流无刷电机的未建模动态和外部负载干扰进行观测并补偿。对干扰补偿后的电机系统，采用自适应反演滑模法设计控制器，保证整个直流无刷电机系统稳定。本发明运用反演滑模控制解决反演控制需要被控对象精确建模信息且无法克服扰动的缺点，提高系统的鲁棒性。运用非线性干扰观测器对直流无刷电机的未建模动态与外部负载干扰进行观测并补偿，减小反演滑模控制的抖振水平并提高控制精度。对干扰观测误差上界设计自适应律，估计干扰观测误差的上界，以干扰观测误差上界的估计值作为滑模切换增益，保证整个直流无刷电机系统稳定。

技术领域

本发明属于电机伺服控制技术领域，具体涉及一种基于非线性干扰观测器的直流无刷电机自适应反演滑模控制方法。

背景技术

直流无刷电机即具有传统直流电机的优点，如好的机械特性和调速特性，起动转矩大、过负载能力强、调节方便、动态特性好等，又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列特点，故在许多高科技领域得到了非常广泛的应用，如激光加工、机器人以及数控机床等。目前经典的PID三环(位置环、速度环及电流环)控制方法是直流无刷电机的主要控制方法。然而，直流无刷电机存在未建模动态与外部负载干扰的影响，这些不确定的干扰将会恶化控制性能，甚至使控制系统不稳定。因此传统的基于PID的三环控制不能满足高性能控制要求，需要研究更加先进的控制方法。

目前针对直流无刷电机的控制方法，有PID控制、反演控制、模糊控制以及滑模控制等控制方法。直流无刷电机作为一个多变量、非线性的控制系统，电机模型不能得到准确的测定，传统的PID控制方法在宽调速范围和负载扰动频繁突变时不能取得理想的控制效果。反演设计将复杂的非线性系统分解成不超过系统阶数的子系统，然后设计每个子系统的Lyapunov函数和中间虚拟控制量，然而传统的反演控制需要电机精确的建模信息且无法克服扰动。模糊控制的实现依赖于操作者的经验，其应用范围受到了限制。滑模变结构控制具有快速性、强鲁棒性和实现简单等优点。在常规的滑模控制中，往往需要很大的切换增益来消除外加干扰和不确定项，很大的切换增益将造成严重的抖振问题，恶化控制效果。

总结来说，现有的直流无刷电机的控制技术的不足之处主要有以下几点：

1、忽略了直流无刷电机未建模动态与外部负载的干扰对直流无刷电机控制的影响。

2、传统的反演控制方法需要直流无刷电机精确的建模信息且无法克服扰动。

3、传统的滑模控制，往往需要很大的切换增益来消除外加干扰和不确定项，很大的切换增益将造成严重的抖振问题，恶化控制效果。

4、PID控制算法鲁棒性较差，不能满足高精度动态性能应用场合的控制要求。

发明内容

为解决传统反演控制需要电机精确的建模信息且无法克服扰动的缺点，本发明将反演控制与滑模控制结合，使得反演滑模控制对电机未建模动态和外部负载干扰具有鲁棒性。同时为了减小传统反演滑模控制的切换增益，减小传统反演滑模控制的抖振水平，提高直流无刷电机控制精度，利用非线性干扰观测器对电机未建模动态和外部负载干扰进行估计，并对干扰进行补偿，由较小的切换增益即干扰观测误差的上界β代替保守切换增益针对干扰观测误差的上界β难以确定，设计干扰观测误差上界的自适应律，对干扰观测误差上界β进行估计，由干扰观测误差上界的估计值作为直流无刷电机反演滑模控制的切换增益，保证整个直流无刷电机系统稳定，进一步减小抖振水平。本发明目的在于提出一种基于非线性干扰观测器的直流无刷电自适应反演滑模控制方法。

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于非线性干扰观测器的直流无刷电机自适应反演滑模控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、建立直流无刷电机的数学模型。