一种电机电流的扰动观测控制方法

技术领域

本发明属于自动控制领域，具体涉及一种电机电流的扰动观测控制方法。

背景技术

在高精度电机控制领域，电流环的动态响应特性和扰动抑制能力对电机的力矩控制十分重要。但是，由于反电势，逆变器非线性和电气参数变化等问题，在电机运行过程中确保电流环的高性能具有一定技术难度。

解决上述问题的一种方法是通过在电流环回路中增加扰动观测器来提高电流控制的扰动抑制能力和鲁棒性。这种方法在音圈电机和永磁同步电机的控制中得到了较广泛的研究。扰动观测控制，需要设计控制系统中的控制器，滤波器和被控对象模型。传统的设计方法是通过在某一时刻的测试，获得被控对象的特性，从而建立被控对象模型。然后在该模型的基础上设计控制器和滤波器。上述方法存在的问题是，电机的等效电感和电阻在电机运行中会发生实时变化，从而导致被控对象模型失配。这种模型失配会导致控制性能的下降，并可能导致系统的不稳定。

发明内容

本发明的目的在于：对基于扰动观测器的电机电流控制系统，提供新的闭环控制方案。具体包括：

一、在电机的等效电感和等效电阻存在不确定性的情况下，提高电流控制的扰动抑制能力和鲁棒性；

二、在电机的等效电感和等效电阻存在不确定性的情况下，保证电流控制的稳定性。

针对上述情况，本发明提出了一种电机电流的扰动观测控制方法。首先，在被控对象模型设计时，通过使被控对象模型的不确定性范数最小化，最大化降低模型失配造成的影响，提高电流控制系统的扰动抑制能力。其次，基于小增益定理完成控制器和滤波器的设计，确保系统的鲁棒稳定性。该方法设计流程简单明确，具有很高的工程价值。

本发明采用的技术方案为：

一种电机电流的扰动观测控制方法，其中，所述电机电流的扰动观测控制结构包括控制器，被控对象，滤波器、被控对象模型和电流传感器；所述扰动观测控制方法包括以下步骤：

1)步骤1：获得电机等效电感和等效电阻的变化范围；其中，所述等效电感的最小值和最大值分别记为L

2)步骤2：设计被控对象模型P

L

3)步骤3：计算被控对象模型的不确定性范数γ：

4)步骤4：依照公式(5)设计控制器C(s)，

其中，T

5)步骤5：设计滤波器Q(s)，尽量提高滤波器的带宽，从而提高控制系统的扰动抑制能力。满足以下鲁棒稳定条件：

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)和传统的扰动观测控制方法相比，该方法的鲁棒性和扰动抑制能力更优。

(2)该方法可充分保证系统的鲁棒稳定性，而传统方法很难保证。

附图说明

图1是本发明电机电流的扰动观测控制结构；

图2是所发明的控制方法；

图3是为实验设备图；

图4是环境温度25度情况下，本发明和传统的扰动观测控制方法的音圈电机电流动态响应特性对比；

图5是环境温度125度情况下，本发明和传统的扰动观测控制方法的音圈电机电流动态响应特性对比。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明涉及一种电机电流的扰动观测控制方法，其中，所述电机电流的扰动观测控制结构如图1所示，包括控制器C，被控对象P，滤波器Q、被控对象模型P

步骤1：通过试验或技术手册，获得音圈电机的等效电感L和电阻R的变化范围。等效电感的最小值和最大值分别记为L

步骤2：依照公式(1)-(3)设计被控对象模型P

L

步骤3：依照公式(4)计算不确定性无穷范数γ。

步骤4：依照公式(5)设计控制器C(s)，并通过1+P

其中，T

步骤5：设计低通滤波器Q(s)，并尽量提高滤波器带宽。通过公式(6)判断系统是否达到鲁棒稳定，若公式(6)不满足，适当降低滤波器带宽或阶次。若公式(6)满足，设计完毕。

为验证本发明的效果，搭建了一套基于音圈电机的闭环控制系统，如图3所示。对音圈电机的驱动电流进行闭环控制。用Power-PC实现了控制器的设计，用MOSFET开关放大电路实现了功率放大器的设计，并用霍尔传感器实现了音圈电机的电流反馈。通过高低温箱改变音圈电机的环境温度，对比在环境温度为25度和125度的情况下，传统的扰动观测控制和所提的扰动观测控制方法的电流环控制效果。

1)基于传统的扰动观测控制方法设计电流环：在环境温度为25度时，测试电机的电感和电阻并得到被控对象模型，并设计控制器和Q滤波器：

2)基于所提的扰动观测控制方法设计电流环：测量25度～125度情况下电机的电感和电阻变化范围，并根据公式(1)～公式(6)依次设计被控对象模型，控制器和Q滤波器。

3)在环境温度为25度的情况下对比两种方法下的电机电流的动态响应特性；

4)在环境温度为125度的情况下对比两种方法下的电机电流的动态响应特性。

图4展示了环境温度为25度时，两种方法下的电机电流的动态响应特性。由于此时环境温度尚未发生变化，因此两种方法的电流动态响应特性几乎相同。

图5展示了环境温度为125度时，两种方法下的电机电流的动态响应特性。可以看到，采用传统的扰动观测控制方法，电机电流出现了比较明显的扰动。而采用新的扰动观测控制方法，电机电流的动态响应特性保持了稳定，且未发生电流扰动的情况。同时，电流响应特性和图4相比未发生明显变化。

综上所述，本发明可以有效提高电机电流扰动观测控制的鲁棒性，并保证电流环的鲁棒稳定性。控制策略简单明确，具有较好的工程应用性。实验结果和本发明的主张具有很好的一致性。