一种新型无刷直流电机强鲁棒电流控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无刷直流电机的控制方法。特别是涉及一种新型无刷直流电机强 鲁棒电流控制方法。
【背景技术】
[0002] 永磁无刷直流电机以其高效能，高功率密度，高稳定性和结构简单等优点在工业 应用中得到广泛关注。由于在永磁无刷直流电机实际控制系统中，电阻和电感的变化以及 逆变器中开关管的非线性特性使其成为一个具有参数变化和未建模扰动的非线性时变系 统，因此设计一种高性能鲁棒电流控制器以保证电机转矩的平滑输出和快速跟踪是非常必 要的。
[0003] 自适应控制算法通过参数估计可以有效解决参数不确定对电流控制的影响。但是 该算法没有考虑未建模扰动对控制器稳态精度提高的限制，积分类型的参数自适应机制也 影响了其瞬态跟踪性能。鲁棒控制算法对参数不确定和未建模扰动均不敏感，且其结构简 单，跟踪速度快，在电机控制中也得到广泛应用。但是，鲁棒控制受控制系统延迟等因素的 影响会产生抖振。
[0004] 自适应鲁棒控制算法结合自适应控制和鲁棒控制的优点，被应用于运动控制系 统。该方法通过参数自适应机制减小未知参数造成的模型不确定性，提高控制系统在参数 不确定情况下的跟踪精度；同时结合鲁棒控制抑制未建模扰动，并改善系统的瞬态跟踪性 能。然而，恒定的高频增益仍不能满足不同负载和工况条件下的高性能控制需求。为了解决 时变扰动对控制性能的影响，学者们提出了高频增益自适应法和外加观测器扰动补偿法。 其中，高频增益自适应法无需知道扰动边界值信息，且瞬时响应速度快，能有效抑制动态过 程中扰动变化对电流控制的影响。
[0005] 针对无刷直流电机控制系统中的参数变化和外界扰动，已有强鲁棒电流控制包括 自适应电流控制，滑模电流控制和自适应鲁棒电流控制。然而自适应电流控制的动态响应 较差，滑模电流控制稳态下产生电流的高频振动，自适应鲁棒电流控制尽管对上述不足都 有所改善，但是其恒定的高频增益仍不能满足不同负载和工况条件下的高性能控制需求。
[0006] 针对高频增益的自适应调节，传统方法只能单向调节高频增益，即该参数只能增 加不能减小。近年一种双向调节的自适应律被提出，但是其依赖于电机参数且当电机稳定 运行时高频增益仍不能稳定于希望值。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以双向调节的高频增益自适应律的新 型无刷直流电机强鲁棒电流控制方法。
[0008] 本发明所采用的技术方案是：一种新型无刷直流电机强鲁棒电流控制方法，无刷 直流电机采用两相导通控制模式，所述两相导通控制模式是通过下桥臂开关管恒通，上桥 臂开关管斩波的调制方式控制电机的输入电压，包括如下步骤：
[0009] 1)设定在当前霍尔周期电流从x相流向y相，利用电机的电阻和电感参数，参考电 流i/和线反电动势exy，计算出理想情况下的参考电压
[0010] 2)利用参考电流i/，实际正向电流ix&u1-exy，计算出估计参数ΘΘ2在单位 控制周期中的变化率dQi和d0 2，并根据估计参数的先前值计算出估计参数Θ^ΡΘ2;
[0011] 3)根据估计参数Θ2计算出连续控制量
[0012] 4)利用实际正向电流与参考电流的误差，根据高频开关增益的自适应律获得开关 增益k和开关控制量k·sgn(s)，其中s是根据电流误差设计的滑模面；
[0013] 5)由连续控制量ucn和开关控制量k·sgn(s)得到新型无刷直流电机强鲁棒电流 控制方法的输出电压u，
[0014] u=ucn_k·sgn(s)。
[0015] 步骤1)所述的理想情况下的参考电压^的计算公式如下：
[0016]
[0017] 式中，an=Rn/Ln;bn= 1A2LJ;R，Ln为电机铭牌上相电阻和相电感的标称值， exy为线反电动势，i/为参考电流，根据下式获得
[0018]
[0019] 式中ωη为转子机械角速度；Τ；"为参考转矩。
[0020] 步骤2)所述的变化率dΘi和dΘ2是米用如下公式获得：
[0021]
[0022] 式中e为电流误差，由X相实际电流减去参考电流获得，γ为自适应增益，由下式 确定：
[0023]
[0024] 式中，a=R/L;b= 1A2L) ;R和L为电机相电阻和相电感的实际值，ζ为连续控 制量单独作用时系统特征方程的阻尼比。
[0025] 步骤3)所述的连续控制量是由下式获得：
[0026]
[0027] 步骤4)中所述的滑模面s表示如下
[0028] s=e+c/edt
[0029] 式中，c为积分项系数，由下式计算自适应高频增益k，
[0030]
[0031] 式中心和η2为收敛增益。根据高频增益k和符号函数sgn，获得高频增益自适 应的开关控制量k·sgn(s)。
[0032] 本发明的一种新型无刷直流电机强鲁棒电流控制方法，自适应律不依赖于电机参 数，且当电机稳定运行时高频增益能够稳定于希望值。在本发明的控制方法下，无刷直流电 机的电流控制不受电机参数变化和外界未建模扰动的影响，且其具有良好的动静态跟踪性 能。该控制策略能够满足恶劣环境下无刷直流电机高性能控制的应用场合。本发明具有如 下效果：
[0033] (1)本发明通过高频增益的自适应调节，大幅提高了自适应鲁棒控制器的动态跟 踪能力，既减小了动态响应时间又抑制了电流跟踪超调。
[0034] (2)高频增益的自适应调节在无刷直流电机相电阻或相电感增大3倍的情况下， 仍具有良好的控制性能，保证了无刷直流电机在参数变化或实际值与标称值存在较大偏差 情况下仍能实现良好的控制性能。
[0035] (3)本发明的算法在电机稳定运行时会使高频增益参数自适应调节至较小值，避 免了较大高频增益因滑模控制产生电流的高频振动。
[0036] (4)本发明与其他自适应控制算法和鲁棒控制算法相比，在电机稳定运行突然卸 去额定负载的情况下，仍能保证电机电流的良好跟踪。
【附图说明】
[0037] 图1是无刷直流电机控制系统的结构框图；
[0038] 图2是无刷直流电机驱动系统的等效模型；
[0039] 图3是本发明高频增益自适应电流控制器的结构框图。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合实施例和附图对本发明的一种新型无刷直流电机强鲁棒电流控制方法 做出详细说明。
[0041] 本发明的一种新型无刷直流电机强鲁棒电流控制方法中，无刷直流电机采用两相 导通控制模式，所述两相导通控制模式是通过下桥臂开关管恒通，上桥臂开关管斩波的调 制方式控制电机的输入电压，从而实现控制电机电流的目的。
[0042] 本发明中整个无刷直流电机的电流控制策略如图1所示。该控制策略主要包括速 度控制器、最优参考电流计算、电流控制器和换向控制器。其中，最优参考电流计算和换向 控制器用于抑制非理想反电势和换向过程产生的转矩波动。无刷直流电机通常采用两相导 通控制模式，图2为在该模式下电流从a相流向c相的电机驱动原理图。由于该控制模式 中的电流控制器主要影响着电机的控制性能，因此本发明旨在设计电机在两相导通时的电 流控制器，图3为本发明中电流控制器的原理图。由图中可以看出，该电流控制器主要由两 部分组成。一部分通过模型参考自适应算法计算出连续控制量11。";另一部分利用滑模控制 理论中的符号函数获得开关控制量k*sgn(s)。其中，s为根据电流误差设计的滑模面；k为高频增益，由高频增益自适应律获得。
[0043] 本发明的一种新型无刷直流电机强鲁棒电流控制方法，具体包括如下步骤：
[0044] 1)设定在当前霍尔周期电流从X相流向y相，利用电机的电阻和电感参数，参考电 流i/和线反电动势exy，计算出理想情况下的参考电压公式如下：