CN109951115B - 一种直流无刷电机转速自适应控制方法 - Google Patents

一种直流无刷电机转速自适应控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流无刷电机转速自适应控制方法，它包括如下步骤：S1：通过指导性原则设计电机辨识激励电压信号vqs，电机辨识激励电压信号vqs通过设计伪随机二进制序列产生；S2：通过电机辨识激励电压信号vqs同时辨识电流环模型参数[ac1,bc0]和转速环模型参数[as1,bs0]，电流环模型为：
Figure DDA0002020430720000011
Figure DDA0002020430720000012
转速环模型为：
Figure DDA0002020430720000013
S3：通过辨识得到的电流环模型参数[ac1,bc0]和转速环模型参数[as1,bs0]，进行转速电流控制器配置，从而产生新的电机辨识激励电压信号vqs；S4：重复S2至S3的步骤，不断修正电流环模型和转速环模型,使电流环模型和转速环模型越来越准确，然后进入转速电流控制器的正常工作阶段；通过本发明的控制方法实现自适应控制，能够满足复杂生产过程和高精度控制的需求。

Description

一种直流无刷电机转速自适应控制方法
技术领域
本发明涉及直流无刷电机控制技术领域，特别是涉及一种直流无刷电机转速自适应控制方法。
背景技术
无刷直流电机具有高效、高功率密度、高转矩惯量比等优点，是最具竞争力的驱动电机之一，广泛应用于高性能驱动系统中；目前以无刷直流电机为驱动所构成的电力传动控制系统已成为运动控制系统发展的一个主流方向，已经收到国内外的高度重视，是推行电机节能工程的重要手段。
然而，无刷直流电机是一个高阶非线性不确定系统，其控制收到电机参数变化、外部扰动、非建模动态等不确定性因素的影响，使得常规反馈控制已经无法满足复杂生产过程和高精度控制的需求。
因此，急需提供一种能够使无刷直流电机满足复杂生产过程和高精度控制的控制方法。
发明内容
本发明的目的在于克服以上所述的缺点，提供一种直流无刷电机转速自适应控制方法。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种直流无刷电机转速自适应控制方法，包括如下步骤：
S1：通过指导性原则设计电机辨识激励电压信号vqs，所述电机辨识激励电压信号vqs通过设计伪随机二进制序列产生；
S2：通过电机辨识激励电压信号vqs同时辨识电流环模型参数[ac1,bc0]和转速环模型参数[as1,bs0]，所述电流环模型为：
Figure BDA0002020430700000011
所述转速环模型为：
Figure BDA0002020430700000012
S3：通过辨识得到的电流环模型参数[ac1,bc0]和转速环模型参数[as1,bs0]，进行转速电流控制器配置，从而产生新的电机辨识激励电压信号vqs；
S4：重复S2至S3的步骤，不断修正电流环模型和转速环模型,使电流环模型和转速环模型越来越准确，实现自适应控制。
其中，所述电机辨识激励电压信号vqs是通过一个移位寄存器产生，设置伪随机二进制序列的伪随机码的参数：
Figure BDA0002020430700000021
和
Figure BDA0002020430700000022
其中Tsw为切换时间，Ns为伪随机码长度，
Figure BDA0002020430700000023
为最小时间常数，
Figure BDA0002020430700000024
为最大时间常数，
Figure BDA0002020430700000025
为最大调节时间，αs是开环调节时间与闭环调节时间的比值，βs是指定激励信号的低频部分所占的比重。
其中，通过最小二乘算法分别辨识电流环模型参数[ac1,bc0]和转速环模型参数[as1,bs0]；将电流环模型和转速环模型写成以下差分方程的形式：A(z-1)y(k)＝B(z-1)u(k-1)+e(k)，y(k)＝-a1y(k-1)+b0u(k-1)+e(k)，θ＝[a1,b0]T，
Figure BDA0002020430700000026
带遗忘因子μ的递推最小二乘辨识算法如下：μ＝0.9～0.99，
Figure BDA0002020430700000027
Figure BDA0002020430700000028
通过以上递推最小二乘辨识算法得到电流环模型参数[ac1,bc0]和转速环模型参数[as1,bs0]。
其中，在步骤S3中，是通过辨识得到的电流环模型参数[ac1,bc0]和转速环模型参数[as1,bs0]，指定na＝1,nt＝1,nb＝1,t1＝0.8～0.95，然后利用以下递推公式分别计算矩阵元素G、F：
Figure BDA0002020430700000029
Figure BDA00020204307000000210
Figure BDA0002020430700000031
Figure BDA0002020430700000032
Figure BDA0002020430700000033
Figure BDA0002020430700000034
Figure BDA0002020430700000035
Figure BDA0002020430700000036
Figure BDA0002020430700000037
Figure BDA0002020430700000038
其中M为指定控制步长，P为指定预测步长，P和M均为正整数；然后计算控制率：
Figure BDA0002020430700000039
然后取Δu第一步Δu1控制率得出：vqs＝u+Δu1。
本发明的有益效果为：本发明通过不断辨识电流环模型和转速环模型的参数来配置转速电流控制器，使电流环模型和转速环模型越来越来准确，达到自适应控制的目的，实现满足复杂生产过程和高精度控制的需求；对于使用者而言，采用本发明的方法不需要调整任何控制器参数，达到较好控制性能的功能。
附图说明
图1是本发明的控制连接示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明，并不是把本发明的实施范围局限于此。
如图1所示，本实施例所述的一种直流无刷电机转速自适应控制方法，包括如下步骤：
S1：对于一个N∑阶系统，激励信号必须有N∑个频率分量，这里通过指导性原则设计电机辨识激励电压信号vqs，可提高辨识品质，所述电机辨识激励电压信号vqs通过设计伪随机二进制序列产生，保证了激励信号的无关性以及最大鲁棒性；
S2：然后通过电机辨识激励电压信号vqs同时辨识电流环模型参数[ac1,bc0]和转速环模型参数[as1,bs0]，所述电流环模型为：
Figure BDA0002020430700000041
所述转速环模型为：
Figure BDA0002020430700000042
S3：然后通过辨识得到的电流环模型参数[ac1,bc0]和转速环模型参数[as1,bs0]，指定na＝1,nt＝1,nb＝1,t1＝0.8～0.95，然后利用以下递推公式分别计算矩阵元素G、F：
Figure BDA0002020430700000043
Figure BDA0002020430700000044
Figure BDA0002020430700000045
Figure BDA0002020430700000046
Figure BDA0002020430700000047
Figure BDA0002020430700000051
Figure BDA0002020430700000052
Figure BDA0002020430700000053
Figure BDA0002020430700000054
Figure BDA0002020430700000055
其中M为指定控制步长，P为指定预测步长，P和M均为正整数；然后计算控制率：
Figure BDA0002020430700000056
然后取Δu第一步Δu1控制率得出：vqs＝u+Δu1；
S4：然后重复S2至S3的步骤，不断修正电流环模型和转速环模型,使电流环模型和转速环模型越来越准确。
具体地，本实施例中，所述电机辨识激励电压信号vqs是通过一个移位寄存器产生，设置伪随机二进制序列的伪随机码的参数：
Figure BDA0002020430700000057
和
Figure BDA0002020430700000058
Figure BDA0002020430700000059
其中Tsw为切换时间，Ns为伪随机码长度，
Figure BDA00020204307000000510
为最小时间常数，
Figure BDA00020204307000000511
为最大时间常数，
Figure BDA00020204307000000512
为最大调节时间，αs是开环调节时间与闭环调节时间的比值，βs是指定激励信号的低频部分所占的比重；当Ts＝0.002s，αs＝2，βs＝3，
Figure BDA00020204307000000513
Tsw＝0.28≈100Ts，Ns≈36≈25，该移位寄存器长度设为5，则每50个控制周期产生一个伪随机二进制序列的信号。
由于电流环模型和转速环模型是独立的，可以同时辨识，辨识的过程如下：通过最小二乘算法分别辨识电流环模型参数[ac1,bc0]和转速环模型参数[as1,bs0]；将电流环模型和转速环模型可写成以下差分方程的形式：A(z-1)y(k)＝B(z-1)u(k-1)+e(k)，y(k)＝-a1y(k-1)+b0u(k-1)+e(k)，θ＝[a1,b0]T，
Figure BDA0002020430700000061
带遗忘因子μ的递推最小二乘辨识算法如下：μ＝0.9～0.99，
Figure BDA0002020430700000062
Figure BDA0002020430700000063
通过以上递推最小二乘辨识算法得到电流环模型参数[ac1,bc0]和转速环模型参数[as1,bs0],当e(k)是白噪声时，最小二乘的参数的估计是无偏估计。
本实施例通过不断辨识电流环模型和转速环模型的参数来配置转速电流控制器，使电流环模型和转速环模型越来越来准确，达到自适应控制的目的，实现满足复杂生产过程和高精度控制的需求；对于使用者而言，采用本发明的方法不需要调整任何控制器参数，达到较好控制性能的功能。
以上所述仅是本发明的一个较佳实施例，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，包含在本发明专利申请的保护范围内。

Claims (3)

1.一种直流无刷电机转速自适应控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：通过指导性原则设计电机辨识激励电压信号vqs，所述电机辨识激励电压信号vqs通过设计伪随机二进制序列产生；
S2：通过电机辨识激励电压信号vqs同时辨识电流环模型参数
Figure FDA0003171359690000017
和转速环模型参数
Figure FDA0003171359690000018
所述电流环模型为：
Figure FDA0003171359690000011
所述转速环模型为：
Figure FDA0003171359690000012
S3：通过辨识得到的电流环模型参数
Figure FDA00031713596900000114
和转速环模型参数
Figure FDA0003171359690000019
进行转速电流控制器配置，从而产生新的电机辨识激励电压信号vqs，通过最小二乘算法分别辨识电流环模型参数
Figure FDA00031713596900000110
和转速环模型参数
Figure FDA00031713596900000111
将电流环模型和转速环模型写成以下差分方程的形式：A(z-1)y(k)＝B(z-1)u(k-1)+e(k)，
y(k)＝-a1y(k-1)+b0u(k-1)+e(k)，θ＝[a1，b0]T，
Figure FDA0003171359690000013
带遗忘因子μ的递推最小二乘辨识算法如下：μ＝0.9～0.99，
Figure FDA0003171359690000014
Figure FDA0003171359690000015
Figure FDA0003171359690000016
通过以上递推最小二乘辨识算法得到电流环模型参数
Figure FDA00031713596900000112
和转速环模型参数
Figure FDA00031713596900000113
S4：重复S2至S3的步骤，不断修正电流环模型和转速环模型，使电流环模型和转速环模型越来越准确，然后进入转速电流控制器的正常工作阶段。
2.根据权利要求1所述的一种直流无刷电机转速自适应控制方法，其特征在于，所述电机辨识激励电压信号vqs是通过一个移位寄存器产生，设置伪随机二进制序列的伪随机码的参数：
Figure FDA0003171359690000021
和
Figure FDA0003171359690000022
其中Tsw为切换时间，Ns为伪随机码长度，
Figure FDA0003171359690000023
为最小时间常数，
Figure FDA0003171359690000024
为最大时间常数，
Figure FDA0003171359690000025
为最大调节时间，
αs是开环调节时间与闭环调节时间的比值，βs是指定激励信号的低频部分所占的比重。
3.根据权利要求1所述的一种直流无刷电机转速自适应控制方法，其特征在于，在步骤S3中，是通过辨识得到的电流环模型参数
Figure FDA00031713596900000211
和转速环模型参数
Figure FDA00031713596900000212
指定na＝1，nt＝1，nb＝1，t1＝0.8～0.95，然后利用以下递推公式分别计算矩阵元素G、F：
Figure FDA0003171359690000026
Figure FDA0003171359690000027
Figure FDA0003171359690000028
Figure FDA0003171359690000029
Figure FDA00031713596900000210
Figure FDA0003171359690000031
Figure FDA0003171359690000032
Figure FDA0003171359690000033
Figure FDA0003171359690000034
Figure FDA0003171359690000035
其中M为指定控制步长，P为指定预测步长，P和M均为正整数；然后计算控制率：
Figure FDA0003171359690000036
然后取Δu第一步Δu1控制率得出：vqs＝u+Δu1。
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