基于U-K理论的永磁同步电机角度轨迹约束跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开了基于U

【技术实现步骤摘要】
基于U
‑
K理论的永磁同步电机角度轨迹约束跟踪控制方法


[0001]本专利技术涉及永磁同步电机的控制方法
，具体为基于U
‑
K理论的永磁同步电机角度轨迹约束跟踪控制方法。

技术介绍

[0002]在交流电机驱动中，永磁同步电机因其功率密度高、效率高、扭矩
‑
安培比大等优点，近年来受到研究人员和不同行业的关注。作为一种高性能的电机，它具有动态响应快、跟踪精度高、易于实现、运行不受电机参数变化的影响、转矩脉动小等主要特点。为了充分发挥永磁同步电机的这些优势，人们提出了许多方法来控制电机的特性，其中最常用的有矢量控制、直接转矩控制、模型预测控制、PID控制等方法。
[0003]随着伺服控制技术的不断发展，出现了许多针对永磁同步电机位置轨迹伺服的控制算法，但这些控制算法大都抗干扰性较一般，受到不确定性影响时，系统稳定性和性能都较容易受到影响。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供基于U
‑
K理论的永磁同步电机角度轨迹约束跟踪控制方法，解决了随着伺服控制技术的不断发展，出现了许多针对永磁同步电机位置轨迹伺服的控制算法，但这些控制算法大都抗干扰性较一般，受到不确定性影响时，系统稳定性和性能都较容易受到影响的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：基于U
‑
K理论的永磁同步电机角度轨迹约束跟踪控制方法，具体步骤如下：
[0006]S1、利用拉格朗日动力学方程建立永磁同步电机的的动力学模型；
[0007]S2、基于本专利技术公开的控制方法设计永磁同步电机的控制系统模型；
[0008]S3、在MATLAB/Simulink中建立应用本专利技术所公开的控制方法的控制仿真模型，进行仿真验证，继而再进行实物实验；
[0009]S4、通过仿真与实验，分析在使用控制方法时，永磁同步电机的角度及角速度跟踪误差，以及误差收敛情况。
[0010]所述步骤S1具体步骤如下：
[0011]针对永磁同步电机，不考虑电机转子与轴承之间的摩擦因素，对模型进行简化，利用常规的拉格朗日动力学方程建立永磁同步电机的动力学模型如下：
[0012][0013]其中：t∈R表示时间，H(q，t)∈R
m
×
n
是永磁同步电机的惯性矩阵项，表示离心力和哥式力，是外部因素，q∈R
n
是电机转子的旋转角度，τ(t)是控制输入(电磁转矩)；上述拉格朗日动力学模型(1)中的H(q，t)，和表达式具体如下：
[0014]H(q，t)＝J
ꢀꢀꢀ
(2)
[0015][0016][0017]其中J表示永磁同步电机的转动惯量，B表示电机的粘性摩擦系数，T
ld
表示电机输出轴端的外接负载矩。
[0018]所述步骤S2具体步骤如下：
[0019]根据U
‑
K理论，定义永磁同步电机转子的期望角度约束函数如下：
[0020]D(q，t)q＝q
d
(t)
ꢀꢀꢀ
(5)
[0021]D(q，t)表示约束方程的系数矩阵，q表示广义坐标角位移，q
d
(t)表示期望角度约束；
[0022]在实际应用中，由于环境和运行条件的变化所导致的系统参数变化与难以建模的动态特征等因素的影响，系统中会存在不确定性；因此，我们可以将所述动力学模型(1)分解为标称部分和不确定部分；将H、C、F改写成如下：
[0023][0024][0025][0026]表示标称部分，ΔH、ΔC、ΔF表示系统存在的不确定性部分，δ表示系统中的不确定参数；
[0027]基于U
‑
K理论，当系统无不确定性时，结合所述约束函数(5)的二阶形式，可以给出如下的系统约束力形式：
[0028][0029]定义如下关系：
[0030][0031][0032][0033]则由所述等式(10)、(11)、(12)变换可得
[0034]H
‑1(q，δ，t)＝E(q，t)+ΔE(q，δ，t)
ꢀꢀꢀ
(13)
[0035]ΔE(q，δ，t)＝E(q，t)K(q，δ，t)
ꢀꢀꢀ
(14)
[0036]给出一个参数P＞0，使其满足如下：
[0037][0038]则存在一个数值令其满足如下：
[0039][0040]给定控制律如下：
[0041][0042][0043][0044][0045][0046][0047][0048][0049][0050]是系统无不确定性情况下的约束力项，用于解决系统初始条件不兼容，解决系统的不确定影响；可以选择任意小的参数∈以实现高性能约束；然而∈不能无限小；否则相应的控制输入可能会严重抖动；参数P会对收敛性产生影响，选择的P越大，系统收敛速度越快但是控制成本会增加；通过选择合理的参数∈、P来实现期望达到的控制效果。
[0051]所述步骤S3具体步骤如下：
[0052]基于上述的应用于永磁同步电机的控制方法，在MATLAB/Simulink中搭建上永磁同步电机控制的仿真模型；该仿真模型包含四个主要模块，即输入模块、控制器模块、永磁同步电机驱动模块、不确定性干扰模块；其中，输入模块用于定义永磁同步电机转子的期望关节角度q
d
(t)；控制器模块，用于控制永磁同步电机对期望角度约束进行有效地跟踪；不确定性干扰模块表示系统所受到的不确定性；永磁同步电机驱动模块用来驱动电机使其进行运转，在仿真的基础上，再完成具体的实物实验。
[0053]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术在解决永磁同步电机的轨迹跟踪问题上，采用一种基于U
‑
K理论的永磁同步电机角度轨迹约束跟踪控制方法，可以较有效地解决永磁同步电机控制过程中初始条件不相容问题和不确定性问题，有助于提高永磁同步电机的抗干扰能力，同时能够提高系统的响应性能与稳定性。
附图说明
[0054]图1为本专利技术永磁同步电机的控制系统结构示意图；
[0055]图2为本专利技术实例一仿真的角度跟踪轨迹图；
[0056]图3为本专利技术实例一仿真的角速度跟踪轨迹图；
[0057]图4为本专利技术实例一仿真的角度跟踪误差图；
[0058]图5为本专利技术实例一仿真的角速度跟踪误差图；
[0059]图6为本专利技术实例一实验的角度跟踪轨迹图；
[0060]图7为本专利技术实例一实验的角度跟踪误差图。
具体实施方式
[0061]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于U
‑
K理论的永磁同步电机角度轨迹约束跟踪控制方法，其特征在于，具体步骤如下：S1、利用拉格朗日动力学方程建立永磁同步电机的的动力学模型；S2、基于本发明公开的控制方法设计永磁同步电机的控制系统模型；S3、在MATLAB/Simulink中建立应用本发明所公开的控制方法的控制仿真模型，进行仿真验证，继而再进行实物实验；S4、通过仿真与实验，分析在使用控制方法时，永磁同步电机的角度及角速度跟踪误差，以及误差收敛情况。2.根据权利要求1所述的基于U
‑
K理论的永磁同步电机角度轨迹约束跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤S1具体步骤如下：针对永磁同步电机，不考虑电机转子与轴承之间的摩擦因素，对模型进行简化，利用常规的拉格朗日动力学方程建立永磁同步电机的动力学模型如下：其中：t∈R表示时间，H(q,t)∈R
m
×
n
是永磁同步电机的惯性矩阵项，表示离心力和哥式力，是外部因素，q∈R
n
是电机转子的旋转角度，τ(t)是控制输入(电磁转矩)；上述拉格朗日动力学模型(1)中的H(q,t)，和表达式具体如下：H(q,t)＝J
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)(2)其中J表示永磁同步电机的转动惯量，B表示电机的粘性摩擦系数，T
ld
表示电机输出轴端的外接负载矩。3.根据权利要求1所述的基于U
‑
K理论的永磁同步电机角度轨迹约束跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤S2具体步骤如下：根据U
‑
K理论，定义永磁同步电机转子的期望角度约束函数如下：D(q,t)q＝q
d
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)D(q,t)表示约束方程的系数矩阵，q表示广义坐标角位移,q
d
(t)表示期望角度约束；在实际应用中，由于环境和运行条件的变化所导致的系统参数变化与难以建模的动态特征等因素的影响，系统中会存在不确定性；因此，我们可以将所述动力学模型(1)分解为标称部分和不确定...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟华勇，郭子玉，甄圣超，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：