bldcm位置伺服系統的離散變結構控制

張著洪，蘇顯方

(貴州大學，貴州貴陽550025)

    摘要：針對bldcm位置伺服系統的參數不確定因素，提出一種基于擾動動態補償的組合趨近律，探討該系統的離散變結構控制器。在控制器的作用下，理論上獲證該系統的穩定性。實驗結果顯示系統輸出對電動機的負載轉矩和轉動慣量的攝動具有較強的魯棒性，達到了降低系統的抖振和提高控制精度的目的，有效改善r系統的控制質量。

    關鍵詞：bldcm；趨近律；離散變結構控制；魯棒性

中圖分類號：tm33  文獻標識碼：a  文章編號：1004-7018(2009)11-0028-04

0引  言

 

    永磁無刷直流電動機(以下簡稱bldcm)不僅結構簡單、運行可靠、維護方便，而且具有較高的運行效率和較好的調速性能，因此在高精度位置伺服系統中得到了廣泛應用[1]。但其易受電動機參數變化和負載擾動的影響，難以實現高性能的精確控制。隨著控制理論的發展，許多先進控制技術可有效提高電動機的運行性能，如模型參考自適應控制、模糊控制和神經網絡控制[2-3]，但模型參考自適應控制對電動機負載的快速變化特別敏感，模糊控制器易受復雜模糊規則的影響，神經網絡控制器因需要不斷通過學習來調整權值，導致硬件實現有一定的難度。變結構控制是一種能用來處理線性和非線性系統的魯棒控制方法，它的滑動模態具有不變性，即它與系統的攝動和外干擾無關，使其適合電動機伺服系統的控制[4-5]。

 

    隨著計算機技術的快速發展和工業自動化等領域的實際需要，離散變結構控制在電動機控制領域將有較廣泛的應用前景。由于bldcm位置伺服系統中存在電動機參數漂移和負載擾動，所以它本質上是一個含有不確定性因素的非線性系統。近來，離散變結構控制的研究集中在對系統不確定性因素的估計、補償，以及削弱系統的抖振。針對估計和補償問題，為了增強系統的魯棒性，文獻[6]根據滑模面的變化狀況，用其定義的擾動均值和擾動偏差的線性組合估計系統中的不確定項，可實現對不確定性因素的靜態補償；文獻[7]利用時延技術對擾動因素進行在線估計，可抵消系統中的慢變不確定性的影響，克服了需要先驗知識的限制；文獻[8-9]分別設計了擴張狀態觀測器和灰色估計器，實現對擾動的在線估計和補償，可較好地減弱參數攝動和外部干擾對變結構控制系統的影響；文獻[10]設計了一種含擾動動態補償的離散趨近律，其依賴滑模面本身的歷史數據，可實現對擾動的動態補償，對系統參數攝動與外部擾動具有較強的魯棒性。對于系統的抖振問題，許多研究成果也相繼被報道。例如，文獻[6]對趨近律中的參數實施約束限制，并將趨近律中的符號函數換為飽和函數，可削弱由趨近律參數引起的抖振，以及能有效降低系統抖振強度；文獻[1]-[3]通過對典型趨近律進行改進，設計了幾種新型的趨近律，能更好地削弱系統的抖振，但同時增加了計算復雜度，使得工程實現比較困難。目前，較為廣泛應用于抑制系統抖振的方法為組合趨近律[14-15]，此方法將指數趨近律、變速趨近律、等效控制律等有機結合，有助于使趨近模態具有良好品質，縮小準滑動模態帶，以及促使狀態快速趨近零點。

 

    為了提高離散變結構控制系統的品質，需要綜合考慮不確定系統的補償和系統抖振等問題。本文針對bldcm位置伺服系統參數不確定性，基于擾動動態補償和組合趨近律，探討一種新型離散變結構控制器，理論分析獲證在該控制器作用下，系統具有較好的穩定性，實驗結果顯示該控制器是有效的。

 

1離散變結構控制器及其理論結果

 

    基于離散變結構控制的bldcm位置伺服系統的原理如圖1所示。圖中，ku為pwm功率放大器

的放大系數，r為電樞電阻，km為電動機轉矩系數，ke為反電動勢系數，j為轉動慣量，yr為參考信號，y為系統的位置輸出，u為控制輸入，dvsc表示離散變結構控制器：忽略電樞電感，bldcm簡化的二階模型為：

此模型中的參數j在實際環境中常出現參數漂移現象，而且負載擾動tl也是不確定的，因此需要考慮系統的魯棒性。為此，考慮式(1)的轉動慣量和負載轉矩的不確定性因素，該式改寫為：