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有刷直流电机自适应滑模控制器设计与实验

更新时间：2019-12-26 12:58:38 大小：2M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：有刷直流电机自适应滑模控制器 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

为了提高有刷直流电机低速控制的精确性,设计了基于扰动补偿的有刷直流电机转速自适应滑模控制器.首先,针对转速模型中摩擦力在转速快速变化过程中体现的快变特性和在线估计困难的特点,采用Stribeck稳态摩擦力模型,通过离线辨识模型参数的方式计算摩擦力;其次,针对负载扭矩等扰动的慢变特性,设计了扰动观测器对其进行在线估计,并证明了估计误差的有限时间收敛性及有界性;最后,设计了自适应滑模控制器对扰动进行补偿和误差反馈校正,进而实现精确的转速跟踪控制,并在Lyapunov稳定性框架下证明了闭环系统的稳定性.该控制器的开关增益仅与扰动观测器估计误差的上界相关,避免了一般滑模控制方法采用高增益来提高控制精度的问题,从而能够大大减小系统输入抖振现象,有利于工程实现.所提方法的稳态误差分别为PI、传统滑模控制器稳态误差的46％、63％,响应时间在0.15s以内,远小于PI、传统滑模控制器的响应时间,通过正弦参考信号跟踪实验,验证了所提方法在瞬态工况下具有很好的控制效果.实验结果表明,所设计的控制器能有效抑制摩擦力及负载扰动对电机控制带来的影响,能显著改善电机控制的稳态和瞬态性能,并且该方法能大大减小控制输入的抖振问题.

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V01．51 No．9

Sep．2017

第51卷第9期

西

安

交通

大

报

OF XI’AN JIAOTONG UNIVERSITY

JOURNAL

学

2017年9月

DOI：10．7652／xjtuxb201709016

有刷直流电机自适应滑模控制器设计与实验

顾万里1’2，胡云峰1’2“，张森2，陈虹1’2

(1．吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，130025，长春；2．吉林大学通信工程学院，130025，长春；

3．吉林大学工程仿生教育部重点实验室，130022，长春)

摘要：为了提高有刷直流电机低速控制的精确性，设计了基于扰动补偿的有刷直流电机转速自适

应滑模控制器。首先，针对转速模型中摩擦力在转速快速变化过程中体现的快变特性和在线估计

困难的特点，采用Stribeck稳态摩擦力模型，通过离线辨识模型参数的方式计算摩擦力；其次，针对

负载扭矩等扰动的慢变特性，设计了扰动观测器对其进行在线估计，并证明了估计误差的有限时间

收敛性及有界性；最后，设计了自适应滑模控制器对扰动进行补偿和误差反馈校正，进而实现精确

的转速跟踪控制，并在Lyapunov稳定性框架下证明了闭环系统的稳定性。该控制器的开关增益

仅与扰动观测器估计误差的上界相关，避免了一般滑模控制方法采用高增益来提高控制精度的问

题，从而能够大大减小系统输入抖振现象，有利于工程实现。所提方法的稳态误差分别为PI、传统

滑模控制器稳态误差的46％、63％，响应时间在0．15 S以内，远小于PI、传统滑模控制器的响应时

间，通过正弦参考信号跟踪实验，验证了所提方法在瞬态工况下具有很好的控制效果。实验结果表

明，所设计的控制器能有效抑制摩擦力及负载扰动对电机控制带来的影响，能显著改善电机控制的

稳态和瞬态性能，并且该方法能大大减小控制输入的抖振问题。

关键词：有刷直流电机；扰动观测器；自适应滑模控制器；Lyapunov稳定性

中图分类号：TP273 文献标志码：A 文章编号：0253—987x(2017)09—0112-06

and

the

_SlidingMode Controller of

Adaptive

Design

Experiments

Brushed DC Motor：Assessment

GU Wanlil”，HU

Sen2，CHEN

Hon91，2

Yunfen91’2”，ZHANG

(1．State

of Automotive Simulation andControl，Jilin

130025，China：

University，Changchun

Key Laboratory

of Control Science and

2．Department

Engineering，Jilin University，Changchun 30025，China；

130022，China)

University，Changchun

of Bionic

3．Key Laboratory

Engineering

Education，Jilin

Ministry

the contr01

of brushed DC motor at low novel control

speeds，a

Abstract：To

improve

accuracy

disturbance observer and

mode control is aims at

developed．It

system using

the nonlinear friction and 10ad

sliding

disturbances．First，since

compensating

fast with the

the

friction

changes

variation of motor

model is used for

difficult to estimate it online．Therefore，the Stribeck friction

speed，it

very

the

this

model are identified offline．

friction，and

parameters

computing

disturbance observer is

for

the model errors and load

disturbances．It

estimating

Then，a

designed

that the estimated errors can

after

finite

time．Finally，

proved

converge

prescribed range

the estimated errors are taken as the

bounded disturbance

slide

amplitude

inputs，and

adaptive

controller is

the robustness of this

guarantee system．The switching gain

mode

designed

estimated

the

is ust related to the

bounds of the estimated

errors，

upper

adaptive technique

收稿日期：2017—04—06。

作者简介：顾万里(1988一)，男，博士生；胡云峰(通信作者)，男，讲师，博士。

基金项目：国家

自然科学基金资助项目(61520106008，61374046)。

网络出版时间：2017—06—28

网络出版地址：http：∥WWW．cnki．net／kcms／detail／61．1069．T．20170628．1709．010．html

万方数据

第9期

顾万里，等：有刷直流电机自适应滑模控制器设计与实验

demand of

therefore，the

feedback for

is avoided since the

switching gain

high—gain

high accuracy

is reduced with this method．The

controller is evaluated

tests．

designed

through experimental

with

the PI and traditional slide—mode control methods，the

error of

steady—stateoutput

Compared

this controller is reduced to

the two

46％and 63％of

methods’errors，respectively；its response

time is 0．1

could

5 S，and the

input chattering

is also reduced．It shows that the controller

designed

the

effects of the friction and load disturbances on the control over the

effectively suppress

brushed DC motor．

slide mode

controller；Lyapunov

Keywords：brushed

motor；disturbance

observer；adaptive

stability

有刷直流电机具有力矩系数大、过载能力强、可

靠性高等优点，在移动机器人等领域得到了广泛的

应用[1]。但是，电机系统中固有的非线性摩擦以及

负载扭矩等扰动，给有刷直流电机低速的精确控制

带来很大的困难[2]。因此，如何抑制电机系统的扰

动给转速控制带来的影响，已经成为一个研究热点。

目前，关于电机扰动补偿控制，常用的方法主要

分成3类‘掣。第1类是自适应控制方法，该方法可

有效处理电机模型中的参数不确定性，但是对建模

误差及负载扭矩等扰动，无法进行有效补偿，文献

Es]离线辨识了摩擦力模型中参数的初值，文献[63

采用自适应算法在线辨识了摩擦力模型中的未知参

数。第2类方法是基于扰动观测器的补偿控制方

法，该方法将模型不确定项、建模误差及负载扭矩等

考虑成集中干扰，对其进行估计及动态补偿，文献

[7-8]设计了基于模型预测控制的转速控制器，通过

扰动观测器估计系统扰动，并据此产生转矩电流补

偿量对控制量进行前馈修正，从而实现扰动的抑制，

但该方法由于扰动观测器带宽受限，对于摩擦转矩

等快变的扰动估计精度较差。第3类方法是滑模控

制方法，文献[9]中介绍了滑模控制器的概念和设计

过程，且将该方法用于电机扰动补偿控制器设计，文

献[10]运用滑模控制思想，采用平滑鲁棒控制器捕

获系统动态性能，对摩擦力矩进行补偿，但该方法缺

点是其控制精度依赖于系统的反馈增益大小，而高

增益反馈控制会引起控制输入的抖振现象，难以进

行工程化实现。

础上，结合离线辨识及在线估计结果，设计了自适应

滑模转速跟踪控制器。

1模型介绍及控制系统设计

针对J60LYX系列稀土永磁直流力矩电机展开

研究，电机简化数学模型为

一

争

2一

一

工争刊十L

差

(LZ2，)

二一K--7一

一

z—

』I十

；

了

Tf+

』

{Td

式中：i为电枢电流；L为电枢电感；R为电枢电阻；

K。为电动势常数；∞为角速度；U为电机电枢电压；

K。为转矩常数；J为转动惯量；Tr为摩擦力矩；T0

为负载力矩。

由于电磁时间常数T。远小于机电时间T。常

数，因此实际工程中采用双闭环控制策略对直流电

机进行转速跟踪控制‘11]。本文在经典双闭环控制

框架的基础上，主要针对转速环中存在的非线性摩

擦及负载扭矩等扰动补偿控制问题展开研究，整体

控制框图如图1所示，转速环控制器包含摩擦力计

算模块、负载扭矩等扰动估计模块及自适应滑模控

制器模块，电流环控制器由稳态前馈和PI反馈控制

构成。

2转速环控制器设计

转速环控制器设计的目标是控制电机输入电

流，使电机转速跟踪上期望的转速。本文采用Stri-

beck稳态模型离线计算摩擦力，采用扰动观测器估

计负载扭矩等扰动，设计了自适应滑模控制器对上

述扰动进行补偿和误差反馈校正。

本文结合滑模控制方法和基于扰动观测器补偿

方法各自的优点，提出了基于扰动补偿的有刷直流

电机自适应滑模转速跟踪控制方法。针对摩擦力模

型在电机转速变化时体现的快变特性，通过离线辨

识模型参数方法，利用Stribeck稳态模型计算摩擦

力，将建模误差及负载扭矩等慢变扰动考虑成集中

扰动，设计扰动估计器对其进行在线估计。在此基

2．1摩擦力参数离线辨识

摩擦力矩Tf由Stribeck稳态模型表示[12|，即

Tf(∞)一[T。+(T。一To)叫“心r+K，J∞J]sgn(叫)

式中：T。为库仑摩擦力；T。为最大静摩擦力；叫。为

http：{}ⅥwⅥ．jdxb．cn http：}{zkxb．xjtu．edu．cn

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