一種電力機器人驅(qū)動系統(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器人驅(qū)動系統(tǒng)的高性能控制方法，將無位置環(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，對電力機器人的驅(qū)動電機進行控制。本發(fā)明方法提高了電力機器人驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確度和動態(tài)響應(yīng)能力，同時實現(xiàn)了無位置傳感器技術(shù)。
【專利說明】一種電力機器人驅(qū)動系統(tǒng)的高性能控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電力機器人驅(qū)動系統(tǒng)的高性能控制方法，將無位置環(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，對電力機器人的驅(qū)動電機進行控制。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，在各種結(jié)構(gòu)的機器人系統(tǒng)中，由于采用永磁同步電機(PMSM)的方案效率較高，因此這種方案具有著重要的地位。特別是在電力機器人和小型機器人中，由于永磁同步電機具有高功率密度以及快速、精確的高控制性能，使其成為電動汽車的首選。對于這種電機控制方法的研究一直以來是一個熱點，例如采用魯棒控制技術(shù)來克服控制系統(tǒng)的各種擾動，但這種方法是基于精確模型參數(shù)的控制方法，而永磁同步電機的模型具有諸多不確定性而且有些參數(shù)難以測量，且電機需要采用機械式位置傳感器來檢測電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置，然后機械式傳感器的存在帶來了許多弊端。尤其在電力機器人中，因為機器人所進行的操作為基本為高壓操作，檢測的線路非常危險，如果控制系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行，會造成電力機器人系統(tǒng)故障，結(jié)果有可能因為誤操作破壞整個電力線路和機器人，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)控制等近年來已經(jīng)被研究者應(yīng)用于驅(qū)動控制中，并取得了理想的運動控制性能，但是目前還沒有將無位置傳感器技術(shù)、模糊控制、切換時SVPWM技術(shù)以及矢量控制結(jié)合在一起的技術(shù)用于電力機器人驅(qū)動系統(tǒng)中。
[0003]1999年，依托山東電力集團及山東電力研究院，成立電力機器人技術(shù)實驗室，正式啟動“高壓帶電作業(yè)機器人”項目，是我國最早開展電力機器人研究的機構(gòu)之一。2004年7月，實驗室被山東省科技廳正式批準(zhǔn)為“山東省電力智能機器人工程技術(shù)研究中心。2007年4月，機器人實驗室正式被命名為“國家電網(wǎng)公司電力機器人重點實驗室”。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”，中國工程院士、機器人專家蔡鶴皋院士進站工作。2012年I月，山東省科技廳批準(zhǔn)成立“山東省中加電力機器人合作研究中心”，與加拿大魁北克水電研究院在電力機器人領(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)明提供一種電力機器人驅(qū)動系統(tǒng)的高性能控制方法，以提高電力機器人驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確度和動態(tài)響應(yīng)能力，同時實現(xiàn)無位置傳感器技術(shù)。
[0005]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0006]一種電力機器人驅(qū)動系統(tǒng)的高性能控制方法，將無位置環(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，對電力機器人的驅(qū)動電機進行控制，具體包括如下步驟:
[0007](I)無位置環(huán)采用無位置傳感器技術(shù)，即采用SVPWM(基于空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù))的反電動勢法對驅(qū)動電機的位置信息實時進行檢測，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，對應(yīng)著不同的相電流變化值Λ im、A in和Λ I1，通過測量不同電壓矢量下對應(yīng)的相電流變化值率，獲取反電動勢，最后求出機器人驅(qū)動電機的位置信息；同時為避免電力機器人的凸極效應(yīng)的抵賴的誤差，對凸極效應(yīng)所帶來的誤差進行補償，根據(jù)SVPWM技術(shù)帶來的線性無關(guān)的電壓矢量Vm、\、V1對應(yīng)著不同的響應(yīng)電流值變匕^^匕“^^”根據(jù)前后兩次線性無關(guān)的電壓矢量而產(chǎn)生的電流響應(yīng)值計算出電感矩陣，構(gòu)建凸極效應(yīng)補償觀測器，對反電動勢進行補償，使得檢測到的位置信息更為精準(zhǔn)；
[0008](2)將檢測到的喂猴子信息經(jīng)過模型參考歸一化算法處理后，得到驅(qū)動電機的轉(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，采用模糊控制器對檢測到的q軸電流分量和觀測到的q軸電流分量進行模糊化處理，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，對SVPWM技術(shù)的穩(wěn)定性和魯棒性進行改進；采用切換式SVPWM技術(shù)，在驅(qū)動電機高速運行時，采用傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制，在驅(qū)動電機低速運行時，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，反饋信號檢測模塊將電流互感器測定的相電流信號傳輸給電流控制環(huán)，對電機的輸出轉(zhuǎn)矩進行調(diào)整。
[0011]有益效果:本發(fā)明提供的電力機器人驅(qū)動系統(tǒng)的高性能控制方法，具有如下特點:
1、采用無位置傳感器技術(shù)，克服了機械式傳感器所帶來的弊端，節(jié)約了硬件成本和維修成體，同時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)補償器，使得檢測更為準(zhǔn)確，無需其他的額外硬件，且無需額外復(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和不確定性對控制系統(tǒng)的影響，提高了電力機器人驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度，同時提高了電力機器人的動態(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SVPWM控制技術(shù)結(jié)合的方法，改善電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的運動平穩(wěn)性，使得磁鏈盡量的接近圓形，從而達到抑制驅(qū)動系統(tǒng)振動的目的；
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為電機模型和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應(yīng)圖；
[0015]圖4為參考模型歸一化算法的轉(zhuǎn)速估計器框圖；
[0016]圖5為9段式空間電壓矢量位置圖
[0017]圖6電力機器人驅(qū)動系統(tǒng)整體控制框圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0019] 一種電力機器人驅(qū)動系統(tǒng)的高性能控制方法，應(yīng)用系統(tǒng)包括三層結(jié)構(gòu)，即位置檢測環(huán)，速度控制環(huán)與電流控制環(huán)，其中位置檢測環(huán)中，機器人基于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，對應(yīng)著不同的相電流變化值，通過測量不同電壓矢量下對應(yīng)的相電流變化值，并結(jié)合電壓值獲取反電動勢，最后實時獲取機器人位置信息，將檢測到的位置信息進過模型參考歸一化算法處理后，得到機器人的轉(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，速度控制環(huán)與電流控制環(huán)的鏈接環(huán)節(jié)采用模糊控制器對給定q軸電流分量和觀測的q軸電流分量進行模糊化處理，用模糊控制器的輸出作為兩者的誤差信號，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，進而控制電機的輸出轉(zhuǎn)矩；反饋信號檢測模塊將反饋信號輸出給電流控制環(huán)，對電機的輸出轉(zhuǎn)矩進行調(diào)整。
[0020]下面結(jié)合發(fā)明的實現(xiàn)原理，對本發(fā)明作出進一步的說明。
[0021]在機器人啟動之前，向機器人的驅(qū)動電機施加兩次電壓脈沖，其電壓脈沖作用時間分別為T1, T2，且要求在此階段，機器人不能因電壓脈沖的注入而產(chǎn)生晃動，因此要求T1,T2都小于電機時間常數(shù)，隨后利用電流傳感器檢測T1,1~2時刻驅(qū)動電機在α-β軸坐標(biāo)系下所對應(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，通過計算得到與驅(qū)動電機轉(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)出機器人啟動之前的驅(qū)動電機位置角，具體的原理和算法如下:
[0022]機器人驅(qū)動電機的數(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】
1.一種電力機器人驅(qū)動系統(tǒng)的高性能控制方法，其特征在于:將無位置環(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，對電力機器人的驅(qū)動電機進行控制，具體包括如下步驟: (1)無位置環(huán)采用無位置傳感器技術(shù)，即采用SVPWM的反電動勢法對驅(qū)動電機的位置信息實時進行檢測，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，對應(yīng)著不同的相電流變化值Λ ?ω>Δ in和Λ I1，通過測量不同電壓矢量下對應(yīng)的相電流變化值率，獲取反電動勢，最后求出機器人驅(qū)動電機的位置信息；同時為避免電力機器人的凸極效應(yīng)的抵賴的誤差，對凸極效應(yīng)所帶來的誤差進行補償，根據(jù)SVPWM技術(shù)帶來的線性無關(guān)的電壓矢量Vm、\、V1對應(yīng)著不同的響應(yīng)電流值變ia 0m、ia0n> iaei，根據(jù)前后兩次線性無關(guān)的電壓矢量而產(chǎn)生的電流響應(yīng)值計算出電感矩陣，構(gòu)建凸極效應(yīng)補償觀測器，對反電動勢進行補償，使得檢測到的位置信息更為精準(zhǔn)； (2)將檢測到的喂猴子信息經(jīng)過模型參考歸一化算法處理后，得到驅(qū)動電機的轉(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，采用模糊控制器對檢測到的q軸電流分量和觀測到的q軸電流分量進行模糊化處理，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，對 SVPWM技術(shù)的穩(wěn)定性和魯棒性進行改進；采用切換式SVPWM技術(shù)，在驅(qū)動電機高速運行時，采用傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制，在驅(qū)動電機低速運行時，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，反饋信號檢測模塊將電流互感器測定的相電流信號傳輸給電流控制環(huán)，對電機的輸出轉(zhuǎn)矩進行調(diào)整。
【文檔編號】H02P25/02GK103997269SQ201410232511
【公開日】2014年8月20日 申請日期: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, 黃磊 申請人:東南大學(xué)