【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種電機控制技術，尤其是涉及一種面向高自鎖力負載的電機自適應反步控制器設計方法。
技術介紹
1、電機負載自鎖力是其機械系統內所表現出的一種重要特性，它允許電機在停止運轉后保持一定的位置或角度，不受外力干擾。這種特性在需要高精度定位、穩定運行和節能降耗的應用場合中至關重要。然而，電機負載的高自鎖力特性可能會在負載快速變化時影響電機電流的平滑性，從而產生電機噪音。此外，電機負載自鎖力受到電機轉速、機械潤滑等因素的影響，存在一定的不確定性，這給電機控制帶來了額外的挑戰。因此，針對時變未知負載的自鎖力，設計電流慢變的控制器具有重要意義。
2、現有的電機控制算法通常假設負載模型是已知的或者時不變的。例如，申請號為202410596409.8的中國專利申請和專利號為202410866719.7的中國專利均提出了基于自適應算法的電機控制方法，但是這些方法要求電機負載是已知的。時變未知負載會給電機控制系統帶來較大的擾動，增加電機控制系統的不穩定性。如果電機控制算法不能有效地抑制這些擾動，那么可能會導致電機控制系統出現振蕩、失穩等現象，嚴重時甚至可能損壞電機或相關設備。
3、為了應對未知的負載擾動，專利號為202110015527.1的中國專利提出了一種考慮電流限幅的永磁同步電機魯棒位置控制方法。然而，該方法的有效性建立在負載擾動及其一階導數和二階導數都存在已知上界且比較小的前提之上，限制了其適用范圍。針對未知時變的負載擾動，申請號為202211635151.5的中國專利申請提出了無模型協調自適應最優輸出調節
4、綜上所述，現有的專利和科技文獻中還尚未見有效的針對時變未知高自鎖力負載的電機控制算法，尤其是對于電流變化率存在約束的電機系統，仍然缺少有效的控制算法。這表明在電機控制系統的設計中，仍需進一步的研究和創新，以適應更加復雜和多變的負載條件。
技術實現思路
1、本專利技術所要解決的技術問題是提供一種面向高自鎖力負載的電機自適應反步控制器設計方法，其能夠實時估計時變未知參數，并實現直流電機靜音控制。
2、本專利技術解決上述技術問題所采用的技術方案為：一種面向高自鎖力負載的電機自適應反步控制器設計方法，其特征在于包括以下步驟：
3、步驟1：針對高自鎖力負載與直流電機的角速度之間的特性，基于作為高自鎖力負載轉矩模型的lugre摩擦模型，建立含有時變未知參數的高自鎖力負載轉矩數學模型；其中，lugre摩擦模型具有時變未知的鬃毛最小阻尼系數和粘滯摩擦系數；
4、步驟2：基于直流電機的等效電路和電路原理，并結合含有時變未知參數的高自鎖力負載轉矩數學模型，建立直流電機數學模型；
5、步驟3：基于反步法控制理論，定義虛擬控制量，并結合直流電機數學模型，建立系統狀態與控制目標、虛擬控制量的誤差數學模型；
6、步驟4：利用微分原理，設計兩個分段投影函數；
7、步驟5：針對步驟1中建立的高自鎖力負載轉矩數學模型中含有的時變未知參數，利用步驟4中設計的分段投影函數設計自適應律，實現時變未知參數的實時估計；
8、步驟6：基于步驟5中時變未知參數的實時估計，面向步驟3中建立的誤差數學模型，針對每一項誤差設計不同的二次型lyapunov函數；
9、步驟7：基于步驟6中設計的二次型lyapunov函數，設計系統收斂速度和執行器抖振可調的自適應反步控制器的表達式；
10、步驟8：基于系統收斂速度指標，建立求解自適應反步控制器參數的優化問題；
11、步驟9：使用梯度下降法實時求解步驟8中的優化問題，最小化電流變化率，得到自適應反步控制器參數的值；
12、步驟10：將步驟9得到的自適應反步控制器參數的值代入步驟7中的自適應反步控制器中，得到自適應反步控制器的實時控制輸出，實現電機靜音控制。
13、所述步驟1中，含有時變未知參數的高自鎖力負載轉矩數學模型描述為：
14、
15、其中，t表示時間變量，t(t)表示時變未知的高自鎖力負載的轉矩，e表示高自鎖力負載的力臂，σ0表示鬃毛彈性剛度，f(t)表示鬃毛微小位移，a(t)表示lugre摩擦模型的時變未知的鬃毛最小阻尼系數，b(t)表示lugre摩擦模型的時變未知的粘滯摩擦系數，表示f(t)的一階導數，g()表示用于描述stribeck效應的泛函數，ωm表示直流電機的角速度，符號“|?|”為求模運算符號，fc表示庫倫摩擦力，fs表示最大靜摩擦力，e為自然常數，ωs表示stribeck速度，n表示stribeck曲線指數。
16、所述步驟2中，直流電機數學模型描述為：
17、
18、其中，j表示高自鎖力傳動系統機械轉動綜合慣量，表示ωm的一階導數，te表示直流電機的電磁轉矩，d表示直流電機的阻轉矩阻尼系數，ud表示直流電機的輸入電壓，r表示電樞回路總電阻，id表示直流電機的輸入電流，l表示電樞回路總電感，表示id的一階導數，e表示感應電動勢，cm表示直流電機在額定磁通下的轉矩系數，表示θm的一階導數，θm表示直流電機的轉動角度。
19、所述步驟3中，系統狀態與控制目標、虛擬控制量的誤差數學模型描述為：
20、z1(t)＝x1(t)-θr
21、z2(t)＝x2(t)-u2(t)；
22、z3(t)＝x3(t)-u3(t)
23、其中，[x1(t)x2(t)x3(t)]t表示系統狀態向量，x1(t)表示第1個系統狀態，x2(t)表示第2個系統狀態，x3(t)表示第3個系統狀態，[x1(t)x2(t)x3(t)]t＝[θmωm?id]t，x1(t)的一階導數為x2(t)的一階導數為x3(t)的一階導數為u(t)表示自適應反步控制器的控制輸出，θr表示控制目標，為目標轉動角度，u2(t)表示x2(t)的虛擬控制量，u3(t)表示x3(t)的虛擬控制量，z1(t)表示x1(t)與θr的誤差，z2(t)表示x2(t)與u2(t)的誤差，z3(t)表示x3(t)與u3(t)的誤差，上標“t”表示向量的轉置運算。
24、所述步驟4中，兩個分段投影函數分別為和
25、其中，表示a(t)的實時估計值，表示b(t)的實時估計值，λ表示分段投影函數的輸入，表示的投影上界，σ表示投影容許上界，表示的一階導數，表示的投影上界，為的一階導數。
26、所述步驟5中，針對a(t)和b(t)，利用對應的分段投影函數設計自適應律，a(t)和b(t)的實時估計實現如下：
27、
28、其中，表示的一階導數，替換中的λ得到，表示的一階導數，為替換中的λ得到。
29、所述步驟6中，針對z1(t)設計的二次型lyapunov函數v1(t)描述為：針對z2(t)設計的二次型lyapunov函數v2(t)描述為本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種面向高自鎖力負載的電機自適應反步控制器設計方法，其特征在于包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的面向高自鎖力負載的電機自適應反步控制器設計方法，其特征在于所述步驟1中，含有時變未知參數的高自鎖力負載轉矩數學模型描述為：
3.根據權利要求2所述的面向高自鎖力負載的電機自適應反步控制器設計方法，其特征在于所述步驟2中，直流電機數學模型描述為：
4.根據權利要求3所述的面向高自鎖力負載的電機自適應反步控制器設計方法，其特征在于所述步驟3中，系統狀態與控制目標、虛擬控制量的誤差數學模型描述為：
5.根據權利要求4所述的面向高自鎖力負載的電機自適應反步控制器設計方法，其特征在于所述步驟4中，兩個分段投影函數分別為和其中，表示a(t)的實時估計值，表示b(t)的實時估計值，λ表示分段投影函數的輸入，表示的投影上界，σ表示投影容許上界，表示的一階導數，表示的投影上界，為的一階導數。
6.根據權利要求5所述的面向高自鎖力負載的電機自適應反步控制器設計方法，其特征在于所述步驟5中，針對a(t)和b(t)，利用對應的分段投影函數設
7.根據權利要求6所述的面向高自鎖力負載的電機自適應反步控制器設計方法，其特征在于所述步驟6中，針對z1(t)設計的二次型Lyapunov函數V1(t)描述為：針對z2(t)設計的二次型Lyapunov函數V2(t)描述為：針對z3(t)設計的二次型Lyapunov函數V3(t)描述為：其中，是a(t)的上界，是b(t)的上界。
8.根據權利要求7所述的面向高自鎖力負載的電機自適應反步控制器設計方法，其特征在于所述步驟7中，自適應反步控制器的表達式為：
9.根據權利要求8所述的面向高自鎖力負載的電機自適應反步控制器設計方法，其特征在于所述步驟8中，優化問題描述為：
...【技術特征摘要】
1.一種面向高自鎖力負載的電機自適應反步控制器設計方法，其特征在于包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的面向高自鎖力負載的電機自適應反步控制器設計方法，其特征在于所述步驟1中，含有時變未知參數的高自鎖力負載轉矩數學模型描述為：
3.根據權利要求2所述的面向高自鎖力負載的電機自適應反步控制器設計方法，其特征在于所述步驟2中，直流電機數學模型描述為：
4.根據權利要求3所述的面向高自鎖力負載的電機自適應反步控制器設計方法，其特征在于所述步驟3中，系統狀態與控制目標、虛擬控制量的誤差數學模型描述為：
5.根據權利要求4所述的面向高自鎖力負載的電機自適應反步控制器設計方法，其特征在于所述步驟4中，兩個分段投影函數分別為和其中，表示a(t)的實時估計值，表示b(t)的實時估計值，λ表示分段投影函數的輸入，表示的投影上界，σ表示投影容許上界，表示的一階導數，表示的投影上界，為的...
【專利技術屬性】
技術研發人員：沈錢，陳安寧，何杭鋒，陳勇旗，
申請(專利權)人：寧波信躍電子科技有限公司，
類型：發明
國別省市：
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