一种电力机器人驱动系统的高性能控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种电力机器人驱动系统的高性能控制方法，将无位置环、速度控制环、电流控制环、模糊控制器、R-PI调节器和切换式SVPWM技术控制结合在一起，对电力机器人的驱动电机进行控制。本发明方法提高了电力机器人驱动系统的稳定性、精确度和动态响应能力，同时实现了无位置传感器技术。
【专利说明】一种电力机器人驱动系统的高性能控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电力机器人驱动系统的高性能控制方法，将无位置环、速度控制环、电流控制环、模糊控制器、R-PI调节器和切换式SVPWM技术控制结合在一起，对电力机器人的驱动电机进行控制。
【背景技术】
[0002]目前，在各种结构的机器人系统中，由于采用永磁同步电机(PMSM)的方案效率较高，因此这种方案具有着重要的地位。特别是在电力机器人和小型机器人中，由于永磁同步电机具有高功率密度以及快速、精确的高控制性能，使其成为电动汽车的首选。对于这种电机控制方法的研究一直以来是一个热点，例如采用鲁棒控制技术来克服控制系统的各种扰动，但这种方法是基于精确模型参数的控制方法，而永磁同步电机的模型具有诸多不确定性而且有些参数难以测量，且电机需要采用机械式位置传感器来检测电机的转速和转子位置，然后机械式传感器的存在带来了许多弊端。尤其在电力机器人中，因为机器人所进行的操作为基本为高压操作，检测的线路非常危险，如果控制系统不能稳定运行，会造成电力机器人系统故障，结果有可能因为误操作破坏整个电力线路和机器人，严重的甚至会造成高压短路。智能控制技术如模糊控制、神经网络控制、重复控制等近年来已经被研究者应用于驱动控制中，并取得了理想的运动控制性能，但是目前还没有将无位置传感器技术、模糊控制、切换时SVPWM技术以及矢量控制结合在一起的技术用于电力机器人驱动系统中。
[0003]1999年，依托山东电力集团及山东电力研究院，成立电力机器人技术实验室，正式启动“高压带电作业机器人”项目，是我国最早开展电力机器人研究的机构之一。2004年7月，实验室被山东省科技厅正式批准为“山东省电力智能机器人工程技术研究中心。2007年4月，机器人实验室正式被命名为“国家电网公司电力机器人重点实验室”。2010年11月，经山东省科技厅批准成立“山东电力研究院院士工作站”，中国工程院士、机器人专家蔡鹤皋院士进站工作。2012年I月，山东省科技厅批准成立“山东省中加电力机器人合作研究中心”，与加拿大魁北克水电研究院在电力机器人领域开展深层次技术交流与合作。
【发明内容】
[0004]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种电力机器人驱动系统的高性能控制方法，以提高电力机器人驱动系统的稳定性、精确度和动态响应能力，同时实现无位置传感器技术。
[0005]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0006]一种电力机器人驱动系统的高性能控制方法，将无位置环、速度控制环、电流控制环、模糊控制器、R-PI调节器和切换式SVPWM技术控制结合在一起，对电力机器人的驱动电机进行控制，具体包括如下步骤:
[0007](I)无位置环采用无位置传感器技术，即采用SVPWM(基于空间矢量脉宽调制技术)的反电动势法对驱动电机的位置信息实时进行检测，采用SVPWM技术控制，每一次PWM周期中都有三种V1不同的电压矢量，其中每一种电压矢量，对应着不同的相电流变化值Λ im、A in和Λ I1，通过测量不同电压矢量下对应的相电流变化值率，获取反电动势，最后求出机器人驱动电机的位置信息；同时为避免电力机器人的凸极效应的抵赖的误差，对凸极效应所带来的误差进行补偿，根据SVPWM技术带来的线性无关的电压矢量Vm、\、V1对应着不同的响应电流值变匕^^匕“^^”根据前后两次线性无关的电压矢量而产生的电流响应值计算出电感矩阵，构建凸极效应补偿观测器，对反电动势进行补偿，使得检测到的位置信息更为精准；
[0008](2)将检测到的喂猴子信息经过模型参考归一化算法处理后，得到驱动电机的转速信息，将转速信息传输到速度控制环，其估算速度与给定速度的误差经PI调节器调节后与q轴分量的误差信号一起传输给电流控制环；
[0009](3)为准确获得q轴电流误差信号，采用模糊控制器对检测到的q轴电流分量和观测到的q轴电流分量进行模糊化处理，将跟踪误差ε和误差变化率CU作为模糊控制器的输入，并且加入参考模型与校正单元，最终e作为模糊控制器的输出传输给电流控制环；
[0010](4)电流控制环采用带有R-PI调节器的切换式SVPWM技术，R-PI调节器是将RP和PI调节器结合起来，对SVPWM技术的稳定性和鲁棒性进行改进；采用切换式SVPWM技术，在驱动电机高速运行时，采用传统SVPWM调制，在驱动电机低速运行时，采用9段式SVPWM调制技术使得磁链轨迹尽量逼近理想圆形，反馈信号检测模块将电流互感器测定的相电流信号传输给电流控制环，对电机的输出转矩进行调整。
[0011]有益效果:本发明提供的电力机器人驱动系统的高性能控制方法，具有如下特点:
1、采用无位置传感器技术，克服了机械式传感器所带来的弊端，节约了硬件成本和维修成体，同时提高了的抗干扰性和鲁棒性；2、基于SVPWM调制控制并加入了凸极效应补偿器，使得检测更为准确，无需其他的额外硬件，且无需额外复杂的控制算法，使得成本很低，非常适合于工业应用中；3、速度控制环与电流控制环连接处采用模糊控制器，可以有效地抑制各种扰动和不确定性对控制系统的影响，提高了电力机器人驱动系统的稳定性和精确度，同时提高了电力机器人的动态响应能力；4、电流控制环采用R-PI调节器和切换时SVPWM控制技术结合的方法，改善电动汽车驱动系统的运动平稳性，使得磁链尽量的接近圆形，从而达到抑制驱动系统振动的目的；
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为电机模型和α - β轴坐标系；
[0013]图2为空间电压矢量分布；
[0014]图3为SVPWM控制策略相电流与电压矢量对应图；
[0015]图4为参考模型归一化算法的转速估计器框图；
[0016]图5为9段式空间电压矢量位置图
[0017]图6电力机器人驱动系统整体控制框图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0019] 一种电力机器人驱动系统的高性能控制方法，应用系统包括三层结构，即位置检测环，速度控制环与电流控制环，其中位置检测环中，机器人基于SVPWM控制技术，其每一次PWM周期中都有三种不同的电压矢量，其中每一种电压矢量，对应着不同的相电流变化值，通过测量不同电压矢量下对应的相电流变化值，并结合电压值获取反电动势，最后实时获取机器人位置信息，将检测到的位置信息进过模型参考归一化算法处理后，得到机器人的转速信息，将转速信息传输到速度控制环，其估算速度与给定速度的误差经PI调节器调节后与q轴分量的误差信号一起传输给电流控制环，为准确获得q轴电流误差信号，速度控制环与电流控制环的链接环节采用模糊控制器对给定q轴电流分量和观测的q轴电流分量进行模糊化处理，用模糊控制器的输出作为两者的误差信号，电流控制环采用带有R-PI调节器的切换式SVPWM技术，控制逆变器输出电流的大小，进而控制电机的输出转矩；反馈信号检测模块将反馈信号输出给电流控制环，对电机的输出转矩进行调整。
[0020]下面结合发明的实现原理，对本发明作出进一步的说明。
[0021]在机器人启动之前，向机器人的驱动电机施加两次电压脉冲，其电压脉冲作用时间分别为T1, T2，且要求在此阶段，机器人不能因电压脉冲的注入而产生晃动，因此要求T1,T2都小于电机时间常数，随后利用电流传感器检测T1,1~2时刻驱动电机在α-β轴坐标系下所对应的电流变化率Λ ial/I\、A ia2/T2、A IylA1和Λ iy2/T2，随后根据这四种电流变化率和已知道的电压矢量，通过计算得到与驱动电机转子位置构成函数关系的电感值Ln、L12、L21和L22，最后根据以上电感值，初步推导出机器人启动之前的驱动电机位置角，具体的原理和算法如下:
[0022]机器人驱动电机的数学模型如图1所示，其在α 轴坐标系下的电压方程为:
【权利要求】
1.一种电力机器人驱动系统的高性能控制方法，其特征在于:将无位置环、速度控制环、电流控制环、模糊控制器、R-PI调节器和切换式SVPWM技术控制结合在一起，对电力机器人的驱动电机进行控制，具体包括如下步骤: (1)无位置环采用无位置传感器技术，即采用SVPWM的反电动势法对驱动电机的位置信息实时进行检测，采用SVPWM技术控制，每一次PWM周期中都有三种Vm、Vn和V1不同的电压矢量，其中每一种电压矢量，对应着不同的相电流变化值Λ ?ω>Δ in和Λ I1，通过测量不同电压矢量下对应的相电流变化值率，获取反电动势，最后求出机器人驱动电机的位置信息；同时为避免电力机器人的凸极效应的抵赖的误差，对凸极效应所带来的误差进行补偿，根据SVPWM技术带来的线性无关的电压矢量Vm、\、V1对应着不同的响应电流值变ia 0m、ia0n> iaei，根据前后两次线性无关的电压矢量而产生的电流响应值计算出电感矩阵，构建凸极效应补偿观测器，对反电动势进行补偿，使得检测到的位置信息更为精准； (2)将检测到的喂猴子信息经过模型参考归一化算法处理后，得到驱动电机的转速信息，将转速信息传输到速度控制环，其估算速度与给定速度的误差经PI调节器调节后与q轴分量的误差信号一起传输给电流控制环； (3)为准确获得q轴电流误差信号，采用模糊控制器对检测到的q轴电流分量和观测到的q轴电流分量进行模糊化处理，将跟踪误差ε和误差变化率CU作为模糊控制器的输入，并且加入参考模型与校正单元，最终e作为模糊控制器的输出传输给电流控制环； (4)电流控制环采用带有R-PI调节器的切换式SVPWM技术，R-PI调节器是将RP和PI调节器结合起来，对 SVPWM技术的稳定性和鲁棒性进行改进；采用切换式SVPWM技术，在驱动电机高速运行时，采用传统SVPWM调制，在驱动电机低速运行时，采用9段式SVPWM调制技术使得磁链轨迹尽量逼近理想圆形，反馈信号检测模块将电流互感器测定的相电流信号传输给电流控制环，对电机的输出转矩进行调整。
【文档编号】H02P25/02GK103997269SQ201410232511
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月28日 优先权日:2014年5月28日
【发明者】余海涛, 孟高军, 胡敏强, 黄磊 申请人:东南大学