一種電力機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高性能控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電力機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高性能控制方法，將無(wú)位置環(huán)、速度控制環(huán)、電流控制環(huán)、模糊控制器、R-PI調(diào)節(jié)器和切換式SVPWM技術(shù)控制結(jié)合在一起，對(duì)電力機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制。本發(fā)明方法提高了電力機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無(wú)位置傳感器技術(shù)。
【專利說(shuō)明】一種電力機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高性能控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電力機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高性能控制方法，將無(wú)位置環(huán)、速度控制環(huán)、電流控制環(huán)、模糊控制器、R-PI調(diào)節(jié)器和切換式SVPWM技術(shù)控制結(jié)合在一起，對(duì)電力機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，在各種結(jié)構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)中，由于采用永磁同步電機(jī)(PMSM)的方案效率較高，因此這種方案具有著重要的地位。特別是在電力機(jī)器人和小型機(jī)器人中，由于永磁同步電機(jī)具有高功率密度以及快速、精確的高控制性能，使其成為電動(dòng)汽車的首選。對(duì)于這種電機(jī)控制方法的研究一直以來(lái)是一個(gè)熱點(diǎn)，例如采用魯棒控制技術(shù)來(lái)克服控制系統(tǒng)的各種擾動(dòng)，但這種方法是基于精確模型參數(shù)的控制方法，而永磁同步電機(jī)的模型具有諸多不確定性而且有些參數(shù)難以測(cè)量，且電機(jī)需要采用機(jī)械式位置傳感器來(lái)檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置，然后機(jī)械式傳感器的存在帶來(lái)了許多弊端。尤其在電力機(jī)器人中，因?yàn)闄C(jī)器人所進(jìn)行的操作為基本為高壓操作，檢測(cè)的線路非常危險(xiǎn)，如果控制系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行，會(huì)造成電力機(jī)器人系統(tǒng)故障，結(jié)果有可能因?yàn)檎`操作破壞整個(gè)電力線路和機(jī)器人，嚴(yán)重的甚至?xí)斐筛邏憾搪?。智能控制技術(shù)如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、重復(fù)控制等近年來(lái)已經(jīng)被研究者應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)控制中，并取得了理想的運(yùn)動(dòng)控制性能，但是目前還沒有將無(wú)位置傳感器技術(shù)、模糊控制、切換時(shí)SVPWM技術(shù)以及矢量控制結(jié)合在一起的技術(shù)用于電力機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。
[0003]1999年，依托山東電力集團(tuán)及山東電力研究院，成立電力機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，正式啟動(dòng)“高壓帶電作業(yè)機(jī)器人”項(xiàng)目，是我國(guó)最早開展電力機(jī)器人研究的機(jī)構(gòu)之一。2004年7月，實(shí)驗(yàn)室被山東省科技廳正式批準(zhǔn)為“山東省電力智能機(jī)器人工程技術(shù)研究中心。2007年4月，機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室正式被命名為“國(guó)家電網(wǎng)公司電力機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”。2010年11月，經(jīng)山東省科技廳批準(zhǔn)成立“山東電力研究院院士工作站”，中國(guó)工程院士、機(jī)器人專家蔡鶴皋院士進(jìn)站工作。2012年I月，山東省科技廳批準(zhǔn)成立“山東省中加電力機(jī)器人合作研究中心”，與加拿大魁北克水電研究院在電力機(jī)器人領(lǐng)域開展深層次技術(shù)交流與合作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種電力機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高性能控制方法，以提高電力機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器技術(shù)。
[0005]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0006]一種電力機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高性能控制方法，將無(wú)位置環(huán)、速度控制環(huán)、電流控制環(huán)、模糊控制器、R-PI調(diào)節(jié)器和切換式SVPWM技術(shù)控制結(jié)合在一起，對(duì)電力機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制，具體包括如下步驟:
[0007](I)無(wú)位置環(huán)采用無(wú)位置傳感器技術(shù)，即采用SVPWM(基于空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù))的反電動(dòng)勢(shì)法對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的位置信息實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，采用SVPWM技術(shù)控制，每一次PWM周期中都有三種V1不同的電壓矢量，其中每一種電壓矢量，對(duì)應(yīng)著不同的相電流變化值Λ im、A in和Λ I1，通過(guò)測(cè)量不同電壓矢量下對(duì)應(yīng)的相電流變化值率，獲取反電動(dòng)勢(shì)，最后求出機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)的位置信息；同時(shí)為避免電力機(jī)器人的凸極效應(yīng)的抵賴的誤差，對(duì)凸極效應(yīng)所帶來(lái)的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)SVPWM技術(shù)帶來(lái)的線性無(wú)關(guān)的電壓矢量Vm、\、V1對(duì)應(yīng)著不同的響應(yīng)電流值變匕^^匕“^^”根據(jù)前后兩次線性無(wú)關(guān)的電壓矢量而產(chǎn)生的電流響應(yīng)值計(jì)算出電感矩陣，構(gòu)建凸極效應(yīng)補(bǔ)償觀測(cè)器，對(duì)反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行補(bǔ)償，使得檢測(cè)到的位置信息更為精準(zhǔn)；
[0008](2)將檢測(cè)到的喂猴子信息經(jīng)過(guò)模型參考?xì)w一化算法處理后，得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息，將轉(zhuǎn)速信息傳輸?shù)剿俣瓤刂骗h(huán)，其估算速度與給定速度的誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后與q軸分量的誤差信號(hào)一起傳輸給電流控制環(huán)；
[0009](3)為準(zhǔn)確獲得q軸電流誤差信號(hào)，采用模糊控制器對(duì)檢測(cè)到的q軸電流分量和觀測(cè)到的q軸電流分量進(jìn)行模糊化處理，將跟蹤誤差ε和誤差變化率CU作為模糊控制器的輸入，并且加入?yún)⒖寄Ｐ团c校正單元，最終e作為模糊控制器的輸出傳輸給電流控制環(huán)；
[0010](4)電流控制環(huán)采用帶有R-PI調(diào)節(jié)器的切換式SVPWM技術(shù)，R-PI調(diào)節(jié)器是將RP和PI調(diào)節(jié)器結(jié)合起來(lái)，對(duì)SVPWM技術(shù)的穩(wěn)定性和魯棒性進(jìn)行改進(jìn)；采用切換式SVPWM技術(shù)，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，采用傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，采用9段式SVPWM調(diào)制技術(shù)使得磁鏈軌跡盡量逼近理想圓形，反饋信號(hào)檢測(cè)模塊將電流互感器測(cè)定的相電流信號(hào)傳輸給電流控制環(huán)，對(duì)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)整。
[0011]有益效果:本發(fā)明提供的電力機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高性能控制方法，具有如下特點(diǎn):
1、采用無(wú)位置傳感器技術(shù)，克服了機(jī)械式傳感器所帶來(lái)的弊端，節(jié)約了硬件成本和維修成體，同時(shí)提高了的抗干擾性和魯棒性；2、基于SVPWM調(diào)制控制并加入了凸極效應(yīng)補(bǔ)償器，使得檢測(cè)更為準(zhǔn)確，無(wú)需其他的額外硬件，且無(wú)需額外復(fù)雜的控制算法，使得成本很低，非常適合于工業(yè)應(yīng)用中；3、速度控制環(huán)與電流控制環(huán)連接處采用模糊控制器，可以有效地抑制各種擾動(dòng)和不確定性對(duì)控制系統(tǒng)的影響，提高了電力機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度，同時(shí)提高了電力機(jī)器人的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力；4、電流控制環(huán)采用R-PI調(diào)節(jié)器和切換時(shí)SVPWM控制技術(shù)結(jié)合的方法，改善電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，使得磁鏈盡量的接近圓形，從而達(dá)到抑制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)的目的；
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為電機(jī)模型和α - β軸坐標(biāo)系；
[0013]圖2為空間電壓矢量分布；
[0014]圖3為SVPWM控制策略相電流與電壓矢量對(duì)應(yīng)圖；
[0015]圖4為參考模型歸一化算法的轉(zhuǎn)速估計(jì)器框圖；
[0016]圖5為9段式空間電壓矢量位置圖
[0017]圖6電力機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體控制框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0019] 一種電力機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高性能控制方法，應(yīng)用系統(tǒng)包括三層結(jié)構(gòu)，即位置檢測(cè)環(huán)，速度控制環(huán)與電流控制環(huán)，其中位置檢測(cè)環(huán)中，機(jī)器人基于SVPWM控制技術(shù)，其每一次PWM周期中都有三種不同的電壓矢量，其中每一種電壓矢量，對(duì)應(yīng)著不同的相電流變化值，通過(guò)測(cè)量不同電壓矢量下對(duì)應(yīng)的相電流變化值，并結(jié)合電壓值獲取反電動(dòng)勢(shì)，最后實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人位置信息，將檢測(cè)到的位置信息進(jìn)過(guò)模型參考?xì)w一化算法處理后，得到機(jī)器人的轉(zhuǎn)速信息，將轉(zhuǎn)速信息傳輸?shù)剿俣瓤刂骗h(huán)，其估算速度與給定速度的誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后與q軸分量的誤差信號(hào)一起傳輸給電流控制環(huán)，為準(zhǔn)確獲得q軸電流誤差信號(hào)，速度控制環(huán)與電流控制環(huán)的鏈接環(huán)節(jié)采用模糊控制器對(duì)給定q軸電流分量和觀測(cè)的q軸電流分量進(jìn)行模糊化處理，用模糊控制器的輸出作為兩者的誤差信號(hào)，電流控制環(huán)采用帶有R-PI調(diào)節(jié)器的切換式SVPWM技術(shù)，控制逆變器輸出電流的大小，進(jìn)而控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；反饋信號(hào)檢測(cè)模塊將反饋信號(hào)輸出給電流控制環(huán)，對(duì)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)整。
[0020]下面結(jié)合發(fā)明的實(shí)現(xiàn)原理，對(duì)本發(fā)明作出進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0021]在機(jī)器人啟動(dòng)之前，向機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)施加兩次電壓脈沖，其電壓脈沖作用時(shí)間分別為T1, T2，且要求在此階段，機(jī)器人不能因電壓脈沖的注入而產(chǎn)生晃動(dòng)，因此要求T1,T2都小于電機(jī)時(shí)間常數(shù)，隨后利用電流傳感器檢測(cè)T1,1~2時(shí)刻驅(qū)動(dòng)電機(jī)在α-β軸坐標(biāo)系下所對(duì)應(yīng)的電流變化率Λ ial/I\、A ia2/T2、A IylA1和Λ iy2/T2，隨后根據(jù)這四種電流變化率和已知道的電壓矢量，通過(guò)計(jì)算得到與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置構(gòu)成函數(shù)關(guān)系的電感值Ln、L12、L21和L22，最后根據(jù)以上電感值，初步推導(dǎo)出機(jī)器人啟動(dòng)之前的驅(qū)動(dòng)電機(jī)位置角，具體的原理和算法如下:
[0022]機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型如圖1所示，其在α 軸坐標(biāo)系下的電壓方程為:
【權(quán)利要求】
1.一種電力機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高性能控制方法，其特征在于:將無(wú)位置環(huán)、速度控制環(huán)、電流控制環(huán)、模糊控制器、R-PI調(diào)節(jié)器和切換式SVPWM技術(shù)控制結(jié)合在一起，對(duì)電力機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制，具體包括如下步驟: (1)無(wú)位置環(huán)采用無(wú)位置傳感器技術(shù)，即采用SVPWM的反電動(dòng)勢(shì)法對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的位置信息實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，采用SVPWM技術(shù)控制，每一次PWM周期中都有三種Vm、Vn和V1不同的電壓矢量，其中每一種電壓矢量，對(duì)應(yīng)著不同的相電流變化值Λ ?ω>Δ in和Λ I1，通過(guò)測(cè)量不同電壓矢量下對(duì)應(yīng)的相電流變化值率，獲取反電動(dòng)勢(shì)，最后求出機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)的位置信息；同時(shí)為避免電力機(jī)器人的凸極效應(yīng)的抵賴的誤差，對(duì)凸極效應(yīng)所帶來(lái)的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)SVPWM技術(shù)帶來(lái)的線性無(wú)關(guān)的電壓矢量Vm、\、V1對(duì)應(yīng)著不同的響應(yīng)電流值變ia 0m、ia0n> iaei，根據(jù)前后兩次線性無(wú)關(guān)的電壓矢量而產(chǎn)生的電流響應(yīng)值計(jì)算出電感矩陣，構(gòu)建凸極效應(yīng)補(bǔ)償觀測(cè)器，對(duì)反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行補(bǔ)償，使得檢測(cè)到的位置信息更為精準(zhǔn)； (2)將檢測(cè)到的喂猴子信息經(jīng)過(guò)模型參考?xì)w一化算法處理后，得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息，將轉(zhuǎn)速信息傳輸?shù)剿俣瓤刂骗h(huán)，其估算速度與給定速度的誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后與q軸分量的誤差信號(hào)一起傳輸給電流控制環(huán)； (3)為準(zhǔn)確獲得q軸電流誤差信號(hào)，采用模糊控制器對(duì)檢測(cè)到的q軸電流分量和觀測(cè)到的q軸電流分量進(jìn)行模糊化處理，將跟蹤誤差ε和誤差變化率CU作為模糊控制器的輸入，并且加入?yún)⒖寄Ｐ团c校正單元，最終e作為模糊控制器的輸出傳輸給電流控制環(huán)； (4)電流控制環(huán)采用帶有R-PI調(diào)節(jié)器的切換式SVPWM技術(shù)，R-PI調(diào)節(jié)器是將RP和PI調(diào)節(jié)器結(jié)合起來(lái)，對(duì) SVPWM技術(shù)的穩(wěn)定性和魯棒性進(jìn)行改進(jìn)；采用切換式SVPWM技術(shù)，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，采用傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，采用9段式SVPWM調(diào)制技術(shù)使得磁鏈軌跡盡量逼近理想圓形，反饋信號(hào)檢測(cè)模塊將電流互感器測(cè)定的相電流信號(hào)傳輸給電流控制環(huán)，對(duì)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)整。
【文檔編號(hào)】H02P25/02GK103997269SQ201410232511
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】余海濤, 孟高軍, 胡敏強(qiáng), 黃磊 申請(qǐng)人:東南大學(xué)