bldcm位置伺服系统的离散变结构控制

张著洪，苏显方

(贵州大学，贵州贵阳550025)

    摘要：针对bldcm位置伺服系统的参数不确定因素，提出一种基于扰动动态补偿的组合趋近律，探讨该系统的离散变结构控制器。在控制器的作用下，理论上获证该系统的稳定性。实验结果显示系统输出对电动机的负载转矩和转动惯量的摄动具有较强的鲁棒性，达到了降低系统的抖振和提高控制精度的目的，有效改善r系统的控制质量。

    关键词：bldcm；趋近律；离散变结构控制；鲁棒性

中图分类号：tm33  文献标识码：a  文章编号：1004-7018(2009)11-0028-04

0引  言

 

    永磁无刷直流电动机(以下简称bldcm)不仅结构简单、运行可靠、维护方便，而且具有较高的运行效率和较好的调速性能，因此在高精度位置伺服系统中得到了广泛应用[1]。但其易受电动机参数变化和负载扰动的影响，难以实现高性能的精确控制。随着控制理论的发展，许多先进控制技术可有效提高电动机的运行性能，如模型参考自适应控制、模糊控制和神经网络控制[2-3]，但模型参考自适应控制对电动机负载的快速变化特别敏感，模糊控制器易受复杂模糊规则的影响，神经网络控制器因需要不断通过学习来调整权值，导致硬件实现有一定的难度。变结构控制是一种能用来处理线性和非线性系统的鲁棒控制方法，它的滑动模态具有不变性，即它与系统的摄动和外干扰无关，使其适合电动机伺服系统的控制[4-5]。

 

    随着计算机技术的快速发展和工业自动化等领域的实际需要，离散变结构控制在电动机控制领域将有较广泛的应用前景。由于bldcm位置伺服系统中存在电动机参数漂移和负载扰动，所以它本质上是一个含有不确定性因素的非线性系统。近来，离散变结构控制的研究集中在对系统不确定性因素的估计、补偿，以及削弱系统的抖振。针对估计和补偿问题，为了增强系统的鲁棒性，文献[6]根据滑模面的变化状况，用其定义的扰动均值和扰动偏差的线性组合估计系统中的不确定项，可实现对不确定性因素的静态补偿；文献[7]利用时延技术对扰动因素进行在线估计，可抵消系统中的慢变不确定性的影响，克服了需要先验知识的限制；文献[8-9]分别设计了扩张状态观测器和灰色估计器，实现对扰动的在线估计和补偿，可较好地减弱参数摄动和外部干扰对变结构控制系统的影响；文献[10]设计了一种含扰动动态补偿的离散趋近律，其依赖滑模面本身的历史数据，可实现对扰动的动态补偿，对系统参数摄动与外部扰动具有较强的鲁棒性。对于系统的抖振问题，许多研究成果也相继被报道。例如，文献[6]对趋近律中的参数实施约束限制，并将趋近律中的符号函数换为饱和函数，可削弱由趋近律参数引起的抖振，以及能有效降低系统抖振强度；文献[1]-[3]通过对典型趋近律进行改进，设计了几种新型的趋近律，能更好地削弱系统的抖振，但同时增加了计算复杂度，使得工程实现比较困难。目前，较为广泛应用于抑制系统抖振的方法为组合趋近律[14-15]，此方法将指数趋近律、变速趋近律、等效控制律等有机结合，有助于使趋近模态具有良好品质，缩小准滑动模态带，以及促使状态快速趋近零点。

 

    为了提高离散变结构控制系统的品质，需要综合考虑不确定系统的补偿和系统抖振等问题。本文针对bldcm位置伺服系统参数不确定性，基于扰动动态补偿和组合趋近律，探讨一种新型离散变结构控制器，理论分析获证在该控制器作用下，系统具有较好的稳定性，实验结果显示该控制器是有效的。

 

1离散变结构控制器及其理论结果

 

    基于离散变结构控制的bldcm位置伺服系统的原理如图1所示。图中，ku为pwm功率放大器

的放大系数，r为电枢电阻，km为电动机转矩系数，ke为反电动势系数，j为转动惯量，yr为参考信号，y为系统的位置输出，u为控制输入，dvsc表示离散变结构控制器：忽略电枢电感，bldcm简化的二阶模型为：

此模型中的参数j在实际环境中常出现参数漂移现象，而且负载扰动tl也是不确定的，因此需要考虑系统的鲁棒性。为此，考虑式(1)的转动惯量和负载转矩的不确定性因素，该式改写为：