CN109672382A - 一种永磁同步电机的非奇异自适应非光滑位置跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的非奇异自适应非光滑位置跟踪控制方法，包括如下步骤：预设永磁同步电机转子的给定位置轨迹；获取永磁同步电机转子的当前转角位置和当前转子转速；计算转速误差和回归向量；根据所述转速误差获取非光滑控制项；根据所述回归向量和转速误差得到自适应参数估计值；根据获取的非光滑控制项、自适应参数估计值和回归向量得到控制电机电流；发送所述控制电机电流至永磁同步电机。本发明将非光滑控制与非奇异自适应控制相结合，提高位置跟踪的快速性及抗扰动能力，并通过控制器结构改进，消除非光滑控制导致的奇异问题，在提高跟踪控制位置跟踪动态与静态品质同时，改善控制器的实用性。

Description

一种永磁同步电机的非奇异自适应非光滑位置跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机伺服系统技术领域，具体设计一种永磁同步电机的非奇异自适应非光滑位置跟踪控制方法。

背景技术

永磁同步电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机，永磁体作为转子产生旋转磁场，三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应，感应三相对称电流。此时转子动能转化为电能，永磁同步电机作发电机用；此外，当定子侧通入三相对称电流，由于三相定子在空间位置上相差120度，所以三相定子电流在空间中产生旋转磁场，转子旋转磁场中受到电磁力作用运动，此时电能转化为动能，永磁同步电机作电动机用。

永磁同步电机以其优越性能广泛应用于交流伺服系统中，其位置跟踪控制广泛应用于工业机器人、CNC等高性能伺服机构。在现有跟踪控制方法中大都采用自适应控制、滑模控制等方法，其中自适应控制因修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性的变化颇受关注，但现有控制方法普遍存在位置跟踪动态过程较长，静态误差较大等缺点，对控制时间产生很大影响；此外，现有的一些高性能跟踪控制方法较为复杂，存在计算量大，实施难度大，实用性差等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种永磁同步电机的非奇异自适应非光滑位置跟踪控制方法，在提高永磁同步电机伺服系统位置跟踪控制位置跟踪动态与静态品质同时，改善控制器的实用性。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种永磁同步电机的非奇异自适应非光滑位置跟踪控制方法，包括如下步骤：

预设永磁同步电机转子的给定位置轨迹，所述给定位置轨迹包括给定转角位置、给定转子转速和给定转子加速度；

获取永磁同步电机转子的当前转角位置和当前转子转速；

计算所述给定转子转速和当前转子转速的转速误差，并根据给定转角位置、给定转子转速、当前转角位置和当前转子转速得到回归向量；

根据所述转速误差获取非光滑控制项；

根据所述回归向量和转速误差由投影自适应律得到自适应参数估计值；

根据获取的非光滑控制项、自适应参数估计值和回归向量得到控制电机电流；

发送所述控制电机电流至永磁同步电机。

进一步优选地，所述“计算所述给定转子转速和当前转子转速的转速误差，并根据给定转角位置、给定转子加速度、当前转角位置和当前转子转速得到回归向量”具体为：

通过下述公式，计算转速误差z和回归向量

根据下述公式，计算

其中k₁为控制增益，α₁为控制参数，σ为光滑区域宽度；

设定e＝x-X_r，通过代入下述公式，计算QIN(x-x_r，α₁，σ)：

其中q₁＝σ^α-1，q₂＝-(α-1)σ^α-2，q₃＝(α-1)σ^α-3，

所述上述公式中运算符号sig(ξ)^α定义如下：

sig(ξ)^α＝[|ξ₁|^αsign(ξ₁)...|ξ_n|^αsign(ξ_n)]^T，

ξ＝[ξ₁ ... ξ_n]^T，

其中sign(·)为符号函数，

进一步优选地，所述“根据所述转速误差获取非光滑控制项”具体为：

通过下述公式，引入转速误差z计算非光滑控制项f(z)：

其中k₂为增益系数，α₂为控制参数。

进一步优选地，所述“根据所述回归向量和转速误差由投影自适应律得到自适应参数估计值”具体包括：

通过下述公式，引入转速误差z和回归向量计算自适应参数估计值

其中dτ为时间微分，t为当前时间，为静态参数估计值常数；根据下述公式确定

其中，ε为边界系数值，θ_max为待估计参数向量θ的上界，表示函数g的梯度函数，<a，b>代表向量a，b的叉乘，代表求向量的范数值。

进一步优选地，所述“根据获取的非光滑控制项、自适应参数估计值和回归向量得到控制电机电流”具体为：

通过下述公式，代入非光滑控制项f(z)、自适应参数估计值和回归向量计算所述控制电机电流i：

进一步优选地，所述控制参数α₁为0＜α₁＜1；所述控制增益k₁为k₁＞0；所述光滑区域宽度σ为正常数。

进一步优选地，所述增益系数k₂为k₂＞0；所述控制参数α₂为0＜α₂＜1。

本发明的有益效果：将非光滑控制和自适应控制有机结合，并通过引入QIN函数改进控制器结构消除控制器的奇异问题。所设计控制器，通过获取到的给定位置轨迹信息及从传感器获取的永磁同步电机当前的位置及转速信息；计算误差及回归向量；计算非光滑控制项；计算参数的估计值；计算控制电流。本发明将非光滑控制与非奇异自适应控制的优点相结合，一方面在控制器中引入非光滑控制提高位置跟踪的快速性及抗扰动能力，另一方面，通过在线估计参数及扰动转矩影响进行自适应在线补偿，并通过控制器结构改进，消除非光滑控制导致的奇异问题，在提高永磁同步电机伺服系统位置跟踪控制位置跟踪动态与静态品质同时，改善控制器的实用性。

附图说明

图1为本发明实施例的一种永磁同步电机的非奇异自适应非光滑位置跟踪控制方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例的一种永磁同步电机的非奇异自适应非光滑位置跟踪控制方法的控制方框图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例和现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式，本发明并不限制于该实施例。

参阅图1所示的永磁同步电机的非奇异自适应非光滑位置跟踪控制方法的步骤流程图，包括：

S1预设永磁同步电机转子的给定位置轨迹，所述给定位置轨迹包括给定转角位置、给定转子转速和给定转子加速度。

具体为通过预设并获取所述给定位置轨迹信息其中x_r为给定转角位置，为给定转子转速，为给定转子加速度。

S2获取永磁同步电机转子的当前转角位置和当前转子转速。

具体为通过传感器获取永磁同步电机的当前转角位置信息x及当前转子转速信息

S3计算所述给定转子转速和当前转子转速的转速误差，并根据给定转角位置、给定转子转速、当前转角位置和当前转子转速得到回归向量。

上述S3具体通过以下方式实现：

通过下述公式，计算转速误差z和回归向量

根据下述公式，计算

其中k₁为控制增益，α₁为控制参数，σ为光滑区域宽度；

设定e＝x-x_r，通过代入下述公式，计算QIN(x-x_r，α₁，σ)：

其中q₁＝σ^α-1，q₂＝-(α-1)σ^α-2，q₃＝(α-1)σ^α-3，

所述上述公式中运算符号sig(ξ)^α定义如下：

sig(ξ)^α＝[|ξ₁|^αsign(ξ₁) ... |ξ_n|^αsign(ξ_n)]T， ⑥

ξ＝[ξ₁ ... ξ_n]^T，

其中sign(·)为符号函数，

先通过设定自然数e＝x-x_r，将所述e、⑥式、⑦式、控制参数α₁、光滑区域宽度σ代入④中求出QIN函数；将求出值与给定转子转速、当前转子转速代入①中求得转速误差z；

通过对参数β求导得出③式，所述参数β通过下述公式代入所求QIN函数和给定转子转速计算：

通过将⑥和⑦式代入⑤式并将所求值与给定转子加速度代入③式计算出所述回归向量由给定转子速度和1的转置矩阵计算出，即代入②式。

更为具体的，所述控制参数α₁为0＜α₁＜1；所述控制增益k₁为k₁＞0；所述光滑区域宽度σ为正常数。

该步骤中对控制器结构进行改进，通过引入QIN函数，由微分对策消除控制器的奇异问题，改善了控制器的实用性。

S4根据所述转速误差获取非光滑控制项。

上述S4具体通过以下方式实现：

通过下述公式，引入转速误差z计算非光滑控制项f(z)：

其中k₂为增益系数，α₂为控制参数。

更为具体的，所述增益系数k₂为k₂＞0；所述控制参数α₂为0＜α₂＜1。

S5根据所述回归向量和转速误差由投影自适应律得到自适应参数估计值。

上述S5具体通过以下方式实现：

通过下述公式，引入转速误差z和回归向量计算自适应参数估计值

其中dτ为时间微分，t为当前时间，为静态参数估计值常数；根据下述公式确定

其中，ε为边界系数值，θ_max为待估计参数向量θ的上界，表示函数g的梯度函数，<a，b>代表向量a，b的叉乘，代表求向量的范数值。

将所述转速误差z和回归向量代入设定y，使得

由设定y代入⑨式中计算，并把计算所得值与静态参数估计值常数代入⑧式得出自适应参数估计值

S6根据获取的非光滑控制项、自适应参数估计值和回归向量得到控制电机电流。

上述S6具体通过以下公式实现：

通过下述公式，代入非光滑控制项f(z)、自适应参数估计值和回归向量计算所述控制电机电流i：

此实施例将非光滑控制与非奇异自适应控制的优点相结合，一方面在控制器中引入非光滑控制提高位置跟踪的快速性及抗扰动能力，另一方面，通过在线估计参数及扰动转矩影响进行自适应在线补偿，提高永磁同步电机伺服系统位置跟踪控制位置跟踪动态与静态品质。

S7发送所述控制电机电流至永磁同步电机。

图2为永磁同步电机的非奇异自适应非光滑位置跟踪控制方法的控制方框图，由正反馈将非光滑控制与非奇异自适应控制相结合，输出校正电流至永磁同步伺服电机。此方式加上在控制器中引入QIN函数，整体提高位置跟踪的快速性及抗扰动能力、提高位置跟踪控制位置跟踪动态与静态品质和改善了控制器的实用性。

以上详细描述了本发明的具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域的技术人员已本发明构思在现有技术上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，都应在本权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种永磁同步电机的非奇异自适应非光滑位置跟踪控制方法，其特征在于，步骤如下：预设永磁同步电机转子的给定位置轨迹，所述给定位置轨迹包括给定转角位置、给定转子转速和给定转子加速度；

获取永磁同步电机转子的当前转角位置和当前转子转速；

计算所述给定转子转速和当前转子转速的转速误差，并根据给定转角位置、给定转子转速、当前转角位置和当前转子转速得到回归向量；

根据所述转速误差获取非光滑控制项；

根据所述回归向量和转速误差由投影自适应律得到自适应参数估计值；

根据获取的非光滑控制项、自适应参数估计值和回归向量得到控制电机电流；

发送所述控制电机电流至永磁同步电机。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的非奇异自适应非光滑位置跟踪控制方法，其特征在于，所述“计算所述给定转子转速和当前转子转速的转速误差，并根据给定转角位置、给定转子加速度、当前转角位置和当前转子转速得到回归向量”具体为：

通过下述公式，计算转速误差z和回归向量

根据下述公式，计算

其中k₁为控制增益，α₁为控制参数，σ为光滑区域宽度；

设定e＝x-x_r，通过代入下述公式，计算QIN(x-x_r，α₁，σ)：

其中q₁＝σ^α-1，q₂＝-(α-1)σ^α-2，q₃＝(α-1)σ^α-3，

所述公式中运算符号sig(ξ)^α定义如下：

sig(ξ)^α＝[|ξ₁|^αsign(ξ₁)...|ξ_n|^αsign(ξ_n)]^T，

ξ＝[ξ₁...ξ_n]^T，

其中sign(·)为符号函数，

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机的非奇异自适应非光滑位置跟踪控制方法，其特征在于，所述“根据所述转速误差获取非光滑控制项”具体为：

通过下述公式，引入转速误差z计算非光滑控制项f(z)：

其中k₂为增益系数，α₂为控制参数。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机的非奇异自适应非光滑位置跟踪控制方法，其特征在于，所述“根据所述回归向量和转速误差由投影自适应律得到自适应参数估计值”具体包括：

通过下述公式，引入转速误差z和回归向量计算自适应参数估计值

其中dτ为时间微分，t为当前时间，为静态参数估计值常数；根据下述公式确定

其中，ε为边界系数值，θ_max为待估计参数向量θ的上界，表示函数g的梯度函数，<a，b>代表向量a，b的叉乘，代表求向量的范数值。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机的非奇异自适应非光滑位置跟踪控制方法，其特征在于，所述“根据获取的非光滑控制项、自适应参数估计值和回归向量得到控制电机电流”具体为：

通过下述公式，代入非光滑控制项f(z)、自适应参数估计值和回归向量计算所述控制电机电流i：

6.根据权利要求2所述的永磁同步电机的非奇异自适应非光滑位置跟踪控制方法，其特征在于：所述控制参数α₁为0＜α₁＜1；所述控制增益k₁为k₁>0；所述光滑区域宽度σ为正常数。

7.根据权利要求3所述的永磁同步电机的非奇异自适应非光滑位置跟踪控制方法，其特征在于：所述增益系数k₂为k₂>0；所述控制参数α₂为0＜α₂＜1。