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有刷直流电机非线性控制系统设计(连载1)


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,广泛应用于移动机器人以及航天器地面移动基座运动跟踪控制中,其驱动电机速度跟踪效果的优劣将直接影响移动机器人运动跟踪的效果移动基座在空间合作目标地面运动再现中的应用,对移动基座运行速度提出了宽调速、高精度的需求。因此,需要驱动电机能够快速、准确地跟踪期望速度。但是,有刷直流电机同样存在现有电机控制系统在低速运行时普遍遇到的问题,即系统容易出现不稳定的现象,且主要受非线性摩擦力以及电机力矩波动的影响。这对有刷直流电机的精确控制提出了挑战。

 

目前,基于经典的双闭环电机控制框架,已经提出了许多具有各自特点的有刷直流电机速度控制方法。早期主要采用PID算法[2]进行调速,这种算法性能可靠、结构简单。但是采用该方法的系响应速度不够快,且在低速运行时无法克服非线性摩擦力以及电机力矩波动对转速控制产生的影响。针对PID控制无法适用于强非线性系统的缺点,一些学者提出摩擦力矩前馈补偿方法[3],通过建立精确的摩擦模型,采用前馈校正的形式,将摩擦力矩转化为相反的控制信号加到控制器中。但在实际工况中,模型参数受到温度、湿度、润滑情况、负载、接触面压力、相对速度及位置等多方面因素的影响,对摩擦力矩进行补偿是个非常复杂的课题。针对摩擦力模型中的参数不确定性,采用自适应控制进行参数辨识,根据系统的输入、输出状态以及某种性能指标来修正非线性摩擦力以及电机力矩波动模型中的不确定项,但该方法无法补偿未建模的干扰部分。

 

针对电机摩擦力模型中的参数不确定性以及不可测干扰的特点,提出了基于干扰观测器的电机控制系统设计方法,将外部干扰和模型不确定项合成为误差项,对其进行估计和动态补偿,

但由于摩擦力在转速过零点处存在不连续跳变,使观测器产生观测误差,降低了观测器
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