一种永磁电机柔性系绳张力峰均比抑制控制策略制造技术

本发明专利技术公开了一种永磁电机柔性系绳张力峰均比抑制控制策略，应用于柔性传动驱动控制的技术领域。本发明专利技术引入目标物移动速度的状态反馈，补偿了负载位移对系绳张力造成的稳态误差。由于在实际应用中电机驱动控制器难以直接获得目标物运动速度信息，本发明专利技术的实现方法采用了对目标物速度的状态观测，在无法直接获得目标物速度信息的情况下实现状态反馈，给出了该方法的基本原理和实现方案。所提出的状态观测器能在误差允许范围内较好地跟踪目标物速度，同时状态反馈控制作用下张力动态响应较为平稳。平稳。平稳。

【技术实现步骤摘要】
一种永磁电机柔性系绳张力峰均比抑制控制策略


[0001]本专利技术涉及永磁电机驱动控制的
，尤其涉及一种采用基于状态观测器的状态反馈控制。

技术介绍

[0002]航天工业是在国民经济中具有先导作用的先进技术之一，和平利用太空是社会科技进步与人类文明发展的标志。随着航天技术的快速发展，我国对太空研究、开发与应用能力不断提高，为实现载人航天、轨道空间站、近地与深空探测等任务要求，各式各样的航天器被发射升空。在大气层外，真空失重的特殊环境中，电力是航天器内部机构动力的重要来源之一，各样的航天电动伺服机构是航天器完成相应探测任务的基础和核心。从20世纪中期开始，航天伺服系统的理论与应用随着微电子技术，计算机技术和自动控制技术的成熟不断拓展延伸，体现出永磁化，数字智能化和高度集成化的发展趋势，能够实现各种航天机构越来越复杂的运动控制需求。
[0003]柔性系绳伺服系统是一种新型航天器作动机构，采用柔性系绳构成相应传动机构来实现抓捕和拖曳等动作。与传统刚性传动机构相比，柔性传动机构具有结构简单，损耗小，机械相容性强等优点，在空间轨道垃圾清理，航天器对接与分离等重要航天任务中具有广阔的应用前景，但柔性系绳的特殊张力特性也给航天电动伺服系统提出了新的要求。
[0004]系绳产生的张力是航天器和目标物之间进行动能与动量交换的媒介，在柔性绳网伺服系统中，张力控制占据重要地位。由于柔性材料刚度小，应力与应变变化之间存在明显的迟滞性和时变性，张力建立与释放过程较为复杂，对柔性系绳的张力控制是航天柔性绳网电动伺服系统的难点之一。基于上述背景，本专利技术对空间系绳张力伺服系统开展研究。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对传统PI控制在航天柔性伺服机构应用上的不足，提出了一种基于状态反馈的永磁电机系绳伺服机构峰均比抑制张力控制策略，将系绳张力和目标物速度作为状态变量，补偿了负载位移对系绳张力造成的稳态误差。由于在实际应用中电机驱动控制器难以直接获得目标物运动速度信息，本专利技术又设计了对目标物速度的状态观测器，并给出状态增益矩阵和观测器矩阵的参数设计方法和控制策略。仿真和实验对比结果表明，所提出的状态观测器对目标物速度跟踪误差较小，同时状态反馈控制作用下张力动态响应较为平稳。
[0006]本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：
[0007]一种永磁电机柔性系绳峰均比抑制张力控制技术，包括如下步骤：
[0008]A、实现永磁同步电机的矢量控制调速，即根据给定转速指令实现电流转速双闭环，能够快速的对柔性系绳进行卷绕牵引；
[0009]B、选取系绳张力和末端负载牵引速度作为状态变量，设计状态反馈矩阵，构建状态反馈控制系统；
[0010]C、根据电机
‑
系绳
‑
负载的动力学模型，设计状态观测器矩阵，根据采样得到张力与电机转速进行状态观测计算得到系绳末端负载位移速度；
[0011]D、将状态观测器得到的负载唯一速度作为状态变量，获得考虑负载位移速度后的电机转速指令；
[0012]进一步的，永磁电机柔性系绳张力峰均比抑制控制策略中，步骤A的具体方法为：通过三相自然坐标系到两相静止坐标系的变换将相互耦合的三相交流量转化为正交解耦的两相交流量，再通过两相旋转坐标系到两相静止坐标系的变换实现励磁分量和转矩分量的静态解耦，在此基础上可以实现对交流电机励磁和转矩的分别控制。加速度、速度和位置都需要根据它们的参考量实时调节，而实时转矩控制是前提。在这些系统中，加速度是电磁转矩与组转矩之差同转子惯量的比值，同时加速度也是电机转速对时间的微分，通过控制电机的电磁转矩可以控制电机转速。同样，速度是位置对时间的微分，通过控制电机的速度可以控制电机转子的运动轨迹。根据中小功率高性能永磁电机伺服系统的应用要求，id＝0 控制方法性能较为优越。空间系绳用永磁电机张力伺服系统对可靠性要求较高，并且所使用的永磁电机功率小，而且航天应用的不宜采用过于复杂的在线计算算法，因此本专利技术采用id＝0的矢量控制方法。电机的电磁转矩是转子磁链矢量和定子电流矢量的乘积，转子磁链矢量和定子电流矢量的幅值和相位差都会对电机电磁转矩的大小和方向产生影响。选取电机转子方向为参考方向，即可对转子磁链矢量和定子电流矢量的相位差进行定向。
[0013]再进一步的，永磁电机柔性系绳张力峰均比抑制控制策略中，在常规PI调节器中引入积分项的目的是消除静差，提高控制精度，但如前几节所分析的，当设置张力或大幅度增加或减少张力时，张力在短时间内会有很大的差异，这将导致积分项的积累相差太多，导致出现明显的峰值。在电机驱动的柔性绳结构张力控制系统中，这是不允许的。在张力达到给定值时，将积分项的输出值重置为此时目标物体的速度，以便快速调整速度基准，保持张力的连续性和稳定性。理想情况下，张力达到给定值后，应控制电机迅速调整转速以使系绳与负载同向同速。因为积分项累积了太多误差，所以即使在张力达到给定值后，张力环的输出仍然存在显著的积分退饱和过程。步骤B的具体方法为：首先考察永磁电机系绳张力机构的状态方程根据状态转移矩阵A和输入矩阵B易得其能控性矩阵S＝[B AB]，设计状态反馈配置其闭环响应效果。根据状态转矩矩阵计算该系统特征多项式为其中张力机构中系绳弹性系数k
r
和负载质量m的比值为σ2，根据系统性能所需要的响应带宽ω
b
和阻尼比μ配置闭环系统特征值和状态增益矩阵K，设计状态反馈u＝
‑
Kx，使得闭环系统的特征值为
[0014]更进一步的，永磁电机柔性系绳张力峰均比抑制控制策略中，步骤C的具体方法为：状态反馈虽然能非常有效地改善系统的性能，但系统的状态变量并不一定是易于测量的量，由于系统的输出量一般是可测的，于是，如果利用系统的输出，通过状态观测器重构系统的状态，然后就能够将估计状态值回馈到输入控制处来系统极点配置。这样的重构状态的方法被称为状态估计，而重构状态的系统就是状态观测器。在系统能控的情况下状态反馈矩阵K和系统观测器矩阵H 可以分别进行独立设计。在模拟系统的初始状态与被控系统的初始状态完全相同情况下观测器可精确反应被控系统的状态变化；在一般情况下模拟系统的初始状态与被控系统的初始状态存在误差，只要状态观测器矩阵(A
‑
HC)的特征值具
有负实部，状态变量的观测误差就会按照指数规律衰减，并且收敛速度可通过观测器的极点配置来进行调整。
[0015]实际选择H矩阵参数时，通常希望观测器的响应速度是状态反馈系统响应速度的5～10倍为宜，数值过大则会导致饱和效应和噪声加剧等不利因素。
[0016]首先求状态观测器特征多项式
[0017]det[λI
‑
(A
‑
H[1 1])]＝λ2+(H1+H2)λ+(σ2‑
H1/m+H2k
r
)
[0018]比较系数可得到观测器系统矩阵
[0019][0020]本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种永磁电机柔性系绳张力峰均比抑制控制策略，其特征在于，包括如下步骤：A、采用永磁同步电机的矢量控制调速，即根据给定转速指令实现电流转速双闭环，能够快速的对柔性系绳进行卷绕牵引；B、选取系绳张力和末端负载牵引速度作为状态变量，设计状态反馈矩阵，构建状态反馈控制系统；C、根据电机
‑
系绳
‑
负载的动力学模型，设计状态观测器计算方法，根据采样得到张力与电机转速进行状态观测计算得到系绳末端负载位移速度；D、将步骤C得到负载位移速度作为状态变量，获得考虑负载位移速度后的电机转速指令，实现对系绳张力的高性能控制。2.根据权利要求1所述一种永磁电机柔性系绳张力峰均比抑制控制策略，其特征在于，步骤A的具体方法为：通过三相自然坐标系到两相静止坐标系的变换将相互耦合的三相交流量转化为正交解耦的两相交流量，再通过两相旋转坐标系到两相静止坐标系的变换实现励磁分量和转矩分量的静态解耦，根据磁场定向原理分别对电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制电动机转矩的目的。3.根据权利要求2所述一种永磁电机柔性系绳张力峰均比抑制控制策略，其特征在于，步骤B的具体方法为：由于柔性材料本身的形变特性，由多股复合材料纤维编织成的柔性系绳一般不表现出抗压能力，受压时基本不表现出整体刚度；而当受到电机卷绕产生拉力作用时，系绳张力会随着电机收卷长度和末端位移长度的变化而变化，其应力与应变关系还存在显著的迟滞特性，即单自由度纵向拉伸时，张力建立与释放过程的张力变化曲线不重合，且常会出现显著的震荡过程；现代控制理论采用了系统内部的状态来描述系统，可以从系统的状态引出信号作为反馈量，还可以输出反馈，同时还能够利用系统状态反馈配置极点，提供更多的...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜飞飞，潘子昊，张得礼，轩富强，郭子韬，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：