驱动复合摆头的永磁环形力矩电机的自适应鲁棒控制方法

摘要

驱动复合摆头的永磁环形力矩电机的自适应鲁棒控制方法，所采用的控制系统，包括电机、霍尔传感器、光电编码器、电流采样电路、电机位置与速度检测电路、DSP、单路光耦隔离电路、电源电路、整流滤波电路、IPM智能功率模块；DSP外围设有Fault信号采集电路、晶振电路、复位电路、存储器、通讯接口和JTAG接口。控制方法：确定驱动复合摆头电机转子的初始相位；确定电机转子的电角速度；电流、位置和速度量在DSP内比较后，执行自适应鲁棒控制算法；DSP产生相应的六路PWM脉冲信号，驱动电机运行。采用自适应控制技术减小参数不确定性形成的稳态误差，提高跟踪精度。

主权项

1.一种驱动复合摆头的永磁环形力矩电机的自适应鲁棒控制方法，其特征在于：具体步骤包括：步骤1：确定驱动复合摆头的电机转子的初始相位；采用霍尔传感器测量电机的电流，将霍尔传感器测得的数据经电流采样电路送入DSP；采用光电编码器采集电机的转子位置和速度信号，转换为数字信号后，经位置与速度检测电路输出两相正交方波脉冲信号和零位脉冲三路脉冲信号，从两相正交方波脉冲信号的脉冲个数可知转子的位置偏移，确定电机转子的初始相位，并输出至DSP；步骤2：确定电机转子的电角速度；电流信号A/D转换后，与给定电流比较，产生电流控制信号；脉冲信号送入DSP的正交编码脉冲输入单元QEP，进行四倍频处理，提高编码器分辨率，同时通用定时器设置成定向增/减计数模式，由两相脉冲的超前关系可得转子的转向，从而得出转子的电角速度；步骤3：电流、位置和速度量在DSP内比较后，执行自适应鲁棒控制算法；具体如下：1）鲁棒控制首先计算出位置输出跟踪误差，然后构建鲁棒控制项；定义参数向量ξξ＝[ξ₁,ξ₂,ξ₃,ξ₄]^T＝[J,B,A_c,d_l]^T其中，J为电机转动惯量，B为粘滞摩擦系数，A_c为未知量，d_l为负载扰动；则系统状态空间方程可表示为${\stackrel{·}{x}}_1=x_2---\left(9\right)$${\xi }_1{\stackrel{·}{x}}_2=u-{\xi }_2{x}_2-{\xi }_3{S}_c\left(x_1\right)-{\xi }_4-\tilde{d}---\left(10\right)$其中，u为控制输入，为除负载扰动外的外部扰动，S_c(x₁)为齿槽转矩基波的形态函数；复合摆头进行工件加工时的外部扰动实际系统参数J，B，A_c和d均有界，且边界已知或可测，故做如下假设：假设：ξ∈Ω_ξ＝{ξ：ξ_min＜ξ＜ξ_max}    （11）其中ξ_min＝[ξ_1min,...,ξ_4min]^T，ξ_max＝[ξ_1max,...,ξ_4max]^T且ξ_min，ξ_max和δ_d是已知的；首先计算出位置输出跟踪误差e=θ–θ_d，定义中间量z$z=\stackrel{·}{e}+k_{1}e=x_2-x_{2\mathrm{eq}},$$x_{2\mathrm{eq}}={\stackrel{·}{x}}_{1d}-k_{1}e---\left(13\right)$其中，e＝x₁-x_1d为输出跟踪误差，θ为转子位置，θ_d为参考运动轨迹，θ＝x₁，x_1d为x₁的期望轨迹，k₁>0为反馈增益，由式（13）可知，G_p(s)＝e(s)/z(s)＝1/(s+k₁)为稳定传递函数，则如果z趋于0，则e也趋于0；将式（13）代入式（10），得上式中，构建鲁棒控制项u_s，鲁棒控制由两项构成u_s＝u_s1+u_s2  u_s1＝-k_s1z其中，u_s1是反馈稳定控制项，用来稳定标称系统；u_s2为鲁棒反馈控制项，用以削弱模型不确定性的影响，上式中，设计参数k_s1>0，h为连续函数，满足ε为任意小的参数且满足式（21），ii)zu_s2≤02）参数辨识参数辨识采用不连续投影算法，如下：其中Γ＞0为对角矩阵，τ为自适应函数；3）可调整模型补偿将得到的估计值对系统模型进行补偿以提高系统性能，自适应鲁棒控制算法中，自适应控制项u_a为其中为ξ的估计值；在假设（11）条件下，不连续投影自适应律如下：其中Γ＞0为对角矩阵，τ为自适应函数，定义不连续投影映射为${\mathrm{Proj}}_{\hat{\xi }}(·)={[{\mathrm{Proj}}_{{\hat{\xi }}_1}\left({·}_1\right),...,{\mathrm{Proj}}_{{\hat{\xi }}_n}\left({·}_n\right)]}^T:$对于任何自适应函数τ，式(17)的投影映射可以保证$P1\hat{\xi }\in {\Omega }_{\xi }:=\{\hat{\xi }:{\xi }_{\min }<\hat{\xi }<{\xi }_{\max }\}$$P2{\tilde{\xi }}^T({\Gamma }^{-1}{\mathrm{Proj}}_{\hat{\xi }}\left(\mathrm{\Gamma \tau }\right)-\tau )\le 0,\forall \tau ---\left(18\right)$将式（15）代入（14），可得鲁棒控制项u_s由两项构成u_s＝u_s1+u_s2    u_s1＝-k₂z    （20）其中，u_s1是反馈稳定控制项，用来稳定标称系统；u_s2为鲁棒反馈控制项，用以削弱模型不确定性的影响；k₂为反馈增益；根据假设（11）和（18）中的P1，存在u_s2满足以下条件：（21）ii)zu_s2≤0其中为ξ的估计误差，即ε是任意小的设计参数，u_s2满足$u_{s2}=-\frac{1}{4ϵ}{h}^{2}z---\left(22\right)$令h为连续函数，满足选取自适应律为4）协调机制协调鲁棒控制项和自适应控制项，可得：u＝u_a+u_s其中u_a为自适应控制项，u_s为鲁棒控制项；步骤4：DSP产生相应的六路PWM脉冲信号，驱动永磁环形力矩电机运行；将DSP输出的PWM信号转换成驱动信号，整流滤波电路把三相交流电转换成直流电给智能功率模块IPM供电，IPM根据DSP产生的六路PWM脉冲信号对六个IGBT开关元件的导通与关断进行控制，驱动永磁环形力矩电机运行。