基于新型滑模变结构控制的伺服电机扰动抑制方法与流程

1.发明涉及低速直驱电机控制领域，特别涉及基于新型滑模变结构控制的伺服电机扰动抑制方法。

背景技术：

2.传统伺服系统利用齿轮、齿条等零件作为传动机构连接各部件。但由于齿轮、齿条之间存在齿隙公差，会造成传动系统精度低、易磨损、维护不方便等诸多问题。近年来直驱技术在航空航天，雷达转台，数控机床等领域都得到了广泛的应用。针对低速直驱伺服这一特殊应用场合，由于直驱伺服系统没有中间环节，电机本身细微的扰动因素会直接作用在被控对象上，对伺服系统控制精度会产生显著影响，而且永磁同步电机自身带有齿槽转矩，在低速下甚至会造成电机的爬坡和抖动，因此，亟需一种可以抑制直驱电机负载扰动的控制方法。对于负载扰动问题，国内外研究人员提出了神经网络、专家系统、自适应控制、滑模变结构控制、反馈线性化控制、自抗扰控制方法等等，其中滑模变结构控制系统是根据系统状态变化而实时变化的，可以使系统状态轨迹沿着预先设计好的滑动模态运行至原点。该滑动模态与控制系统参数摄动和外部扰动无关，具有较强的鲁棒性，因此被广泛应用于伺服控制中，但是其仍存在着抖振问题，抖振现象的存在对于控制系统而言是不利的，这种高频抖振会在一定程度上增加系统的能量损耗，同时可能会激起系统未建模部分的振荡，从而影响整个控制系统的精度和控制性能。为了有效抑制滑模抖振问题，国内外学者从不同角度出发提出了一些解决方法。有的学者提出开关函数连续化方法，预先设计滑模边界层，边界层以内利用连续函数，边界层以外仍然利用开关函数进行控制。该方法虽然可以实现对抖振有效抑制，但是边界层若选取过大，会导致控制系统鲁棒性相应下降。还有专家提出将智能控制，自适应控制与滑模变结构控制相结合的方法，有效削弱了抖振，但同时也会使控制系统变得复杂。

技术实现要素：

3.基于上述技术问题，本发明的目的在于提供基于新型滑模变结构控制的伺服电机扰动抑制方法，使其能够加强直驱伺服电机低速运行时的变转矩扰动抑制效果。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.基于新型滑模变结构控制的伺服电机扰动抑制方法，包括如下步骤：
6.s1、定义滑模面函数，设计一种新型趋近率；
7.s2、搭建基于新型滑模控制器的永磁同步电机伺服控制系统；
8.s3、对改进趋近率的新型滑模控制器进行稳定性分析。
9.优选的，步骤s1中设计滑模面函数为：
10.s＝cx1+x211.式中，c为待设计参数，x1,x2为系统的状态变量；
12.传统指数趋近率为：
[0013][0014]
引入饱和函数sat(s)代替符号函数sgn(s)，其中饱和函数表达式为：
[0015][0016]
式中：k为控制器增益，k＞0；
[0017]
改进趋近率设计为：
[0018][0019]
式中，sat(s)为饱和函数，ε，q》0。
[0020]
优选的，步骤s2具体还包括：
[0021]
s21、首先建立永磁同步电机基于旋转坐标系下的矢量控制数学模型：
[0022][0023]
式中，ud、uq为d和q轴电枢电压分量，id、iq为对应电枢电流分量，ω为机械角速度，pn为极对数，rs为电枢电阻，ψf为电机转子磁链，ld、lq为电机直轴和交轴电感；te为永磁同步电机电磁转矩，j为转动惯量，t
l
为负载转矩，ba为阻尼系数；
[0024]
s22、定义状态变量：
[0025][0026]
式中，ω
ref
为电机参考转速，ω为实际转速；将其引入到新型滑模观测器中，得到输出电流为：
[0027]
优选的，步骤s3具体为：
[0028]
采用lyapunov函数对新型趋近率进行稳定性分析，对v求导可得：
[0029]
[0030]
当ε、q均大于零时系统渐进稳定。
[0031]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0032]
1.本发明首先引入饱和函数代替符号函数，有效降低了系统的抖振，然后提出了一种改进趋近率函数，当系统在离滑模面较远时，趋近速度提高，使得系统在发生扰动后可以快速返回平稳状态。当系统接近滑模面时，趋近速度降低，使得系统在滑模面附近上下切换较为平滑，削弱了系统的抖振，增强了系统的抗扰动能力，进一步提高了系统的控制精度和鲁棒性。
[0033]
2.本发明设计的滑模观测器，结构简单，有效的提升了趋近速度，同时包含积分环节，可以有效降低抖振，减小稳态误差。
附图说明
[0034]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
[0035]
图1是本发明永磁同步电机控制结构框图；
[0036]
图2是滑模控制内部框图；
[0037]
图3是负载扰动下pi控制转速响应图；
[0038]
图4是负载扰动下传统滑模控制转速响应图；
[0039]
图5是负载扰动下新型滑模控制转速响应图。
具体实施方式
[0040]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
请参阅图1至图5，本发明提供一种技术方案：
[0042]
步骤s1、定义滑模面函数，设计一种新型趋近率；
[0043]
定义滑模面函数为s＝cx1+x2，其中c为待设计参数，x1,x2为系统的状态变量。传统指数趋近率为引入饱和函数sat(s)代替符号函数sgn(s)，其中饱和函数表达式为k为控制器增益，k＞0。
[0044]
改进趋近率设计为
[0045][0046]
使得控制系统在距离滑模面较远时具有较快的趋近速率，在滑模面附近时具有较小的趋近速率。削弱系统抖振和稳态误差，提升系统的抗扰动能力。
[0047]
步骤s2、搭建基于新型滑模控制器的永磁同步电机伺服控制系统；
[0048]
首先建立表贴式永磁同步电机基于旋转坐标系下的矢量控制数学模型；
[0049][0050]
式中，ud、uq为d和q轴电枢电压分量，id、iq为对应电枢电流分量，ω为机械角速度，pn为极对数，rs为电枢电阻，ψf为电机转子磁链，ld、lq为电机直轴和交轴电感。te为永磁同步电机电磁转矩，j为转动惯量，t
l
为负载转矩，ba为阻尼系数。
[0051]
然后定义系统状态变量：
[0052][0053]
其中ω
ref
为电机的参考转速，结合电机运动方程，对公式求微分得出：
[0054][0055]
低速运行时，针对低频扰动，定义方程改写为：
[0056][0057]
设计滑模面函数s＝cx1+x2，其中c为设计参数。
[0058]
对滑模面函数求微分，可得：
[0059][0060]
采用改进趋近率函数提高电机的抗扰动能力，降低滑模控制器的抖振。
[0061][0062]
式中，sat(s)为饱和函数，ε，q》0。
[0063]
综上，可得滑模速度控制器表达式为：
[0064][0065]
推出在低频转矩扰动下滑模观测器输出电流为：
[0066][0067]
可以看到，设计的滑模观测器，结构简单，有效的提升了趋近速度，同时包含积分环节，可以有效降低抖振，减小稳态误差。
[0068]
步骤s3、对改进趋近率新型滑模控制器进行稳定性分析。
[0069]
采用lyapunov函数对新型趋近率进行稳定性分析，对v求导可得：
[0070][0071]
当ε、q均大于零时，系统渐进稳定。
[0072]
为了验证新型滑模控制器的控制效果，利用matlab/simulink对新型滑模控制器进行仿真分析，控制对象为表贴式永磁同步电机，设定电机转速5rpm，2s时突加100nm负载，图3，图4，图5分别为pi控制，传统滑模控制和新型滑模控制下的转速响应图。
[0073]
从图中对比可以看出在电机转速为5rpm的情况下，采用pi控制突加负载时，转速跌落约为10rpm，采用传统滑模控制突加负载时，转速跌落约为4.5rpm，而采用新型滑模控制突加负载时，转速跌落仅为2.5rpm，相比pi控制和传统滑模控制具有更强的抗扰动能力，和更好的稳态性能。
[0074]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：

1.基于新型滑模变结构控制的伺服电机扰动抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、定义滑模面函数，设计一种新型趋近率；s2、搭建基于新型滑模控制器的永磁同步电机伺服控制系统；s3、对改进趋近率的新型滑模控制器进行稳定性分析。2.根据权利要求1所述的基于新型滑模变结构控制的伺服电机扰动抑制方法，其特征在于，步骤s1中设计滑模面函数为：s＝cx1+x2式中，c为待设计参数，x1,x2为系统的状态变量；传统指数趋近率为：引入饱和函数sat(s)代替符号函数sgn(s)，其中饱和函数表达式为：式中：k为控制器增益，k＞0；改进趋近率设计为：式中，sat(s)为饱和函数，ε，q>0。3.根据权利要求1所述的基于新型滑模变结构控制的伺服电机扰动抑制方法，其特征在于，步骤s2具体还包括：s21、首先建立永磁同步电机基于旋转坐标系下的矢量控制数学模型：式中，u
d
、u
q
为d和q轴电枢电压分量，i
d
、i
q
为对应电枢电流分量，ω为机械角速度，p
n
为极对数，r
s
为电枢电阻，ψ
f
为电机转子磁链，l
d
、l
q
为电机直轴和交轴电感；t
e
为永磁同步电机电磁转矩，j为转动惯量，t
l
为负载转矩，b
a
为阻尼系数；s22、定义状态变量：
式中，ω
ref
为电机参考转速，ω为实际转速；将其引入到新型滑模观测器中，得到输出电流为：4.根据权利要求1所述的基于新型滑模变结构控制的伺服电机扰动抑制方法，其特征在于，步骤s3具体为：采用lyapunov函数对新型趋近率进行稳定性分析，对v求导得：当ε、q均大于零时，系统渐进稳定。

技术总结

本发明公开了基于新型滑模变结构控制的伺服电机扰动抑制方法，应用于低速直驱伺服电机控制领域。本发明针对直驱伺服电机低速运行时，滑模控制器运行精度低，响应速度慢，对负载扰动抑制效果不明显的问题，提出一种新型的改进滑模变结构控制策略，加快了系统响应速度，提升了电机低速运行时的扰动抑制效果。本发明引入饱和函数代替符号函数，有效降低了系统的抖振，然后提出了一种改进趋近率函数，使得系统在滑模面附近上下切换较为平滑，削弱了系统的抖振，增强了系统的抗扰动能力，进一步提高了系统的控制精度和鲁棒性。了系统的控制精度和鲁棒性。了系统的控制精度和鲁棒性。