一种移动机器人用伺服电机自抗扰位置控制方法

本发明涉及伺服电机控制，尤其涉及一种移动机器人用伺服电机自抗扰位置控制方法。

背景技术：

1、永磁同步电机具有功率密度高、运行效率高和转矩响应快等特点，已广泛应用于移动机器人关节高精度伺服控制系统。移动机器人在运行过程中，电机常处于频繁启停、低速运行及负载快速变化状态，其位置控制性能容易受到负载转矩突变和电机参数摄动等因素影响。传统位置、速度和电流三闭环控制多采用pi调节器，主要依靠跟踪误差形成反馈控制量，对未知扰动缺少直接观测与主动补偿能力。自抗扰控制通过跟踪微分器、扩张状态观测器和状态误差反馈控制律，将参数失配、外部负载和未建模动态统一归结为集总扰动，并实时估计和补偿，为移动机器人永磁同步电机实现高精度位置跟踪、快速扰动恢复和稳态位置保持提供了有效技术途径。

2、传统误差反馈控制通常在位置偏差产生后才进行调节，难以及时抑制快速变化的内外扰动。因此，需要提高控制系统对集总扰动的实时观测、准确估计和主动补偿能力。围绕永磁同步电机自抗扰位置控制，现有研究主要从扩张状态观测器结构和非线性误差校正函数两个方面进行设计。

3、而且现有非级联自抗扰控制方案通常仅设置一个线性扩张状态观测器或非线性扩张状态观测器，将负载转矩、参数摄动、摩擦及未建模动态统一作为集总扰动进行估计和补偿。该方案结构较为简单，但单级观测器需要同时承担位置、速度和全部扰动的估计任务，其扰动观测性能容易受到观测器带宽限制。观测带宽较低时，对负载突变和快速时变扰动的跟踪存在滞后，扰动补偿不及时，易造成位置偏差增大、恢复时间延长；提高带宽虽然能够加快扰动估计速度，但会放大误差噪声，使速度估计量和扰动估计量产生高频波动。此外，单级线性观测器缺少非线性增益调节能力，对小幅剩余扰动的估计精度有限；单级非线性观测器在大扰动下又可能受到参数配置和非线性增益变化的影响。因此，非级联方案难以同时兼顾大扰动下的稳定性、小扰动下的估计精度以及高频噪声抑制能力。

4、而且现有自抗扰位置控制方案多采用传统fal函数对观测误差进行校正。该函数虽然具有“小误差大增益、大误差小增益”的特性，但其小误差线性段与大误差幂次段在分界位置的变化不够平滑，一阶导数通常不能连续。当编码器误差或机械振动使观测误差在分界点附近反复变化时，非线性校正增益容易发生突变，进而造成速度估计值、剩余扰动估计值和q轴参考电流的高频波动。与此同时，传统fal函数的非线性指数和线性区间相互耦合，当为了提高小误差观测精度而减小线性区间时，容易放大测量噪声；扩大线性区间虽然可以减小抖振，却会降低微小扰动的辨识灵敏度。

技术实现思路

1、本发明克服了现有技术的不足，提供了一种移动机器人用伺服电机自抗扰位置控制方法。

2、为达上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、本发明提供了一种移动机器人用伺服电机自抗扰位置控制方法，包括以下步骤：

4、采用q轴电流为0的矢量控制方式，在同步旋转坐标系下，构建永磁同步电机位置控制模型，结合电流环跟踪误差、永磁体磁链变化、转动惯量变化、负载转矩变化、摩擦及未建模动态构建位置控制系统的扩张状态模型；

5、构建最速控制综合函数，利用跟踪微分器在第k个运算周期的位置输出和速度输出构建离散状态更新方程，利用离散状态更新方程改变跟踪微分器对位置给定信号的跟踪速度；

6、采用前级三阶线性扩张状态观测器和后级三阶改进非线性扩张状态观测器构成级联观测结构，利用前级三阶线性扩张状态观测器对位置、速度及主体扰动进行初步观测；

7、利用后级三阶改进非线性扩张状态观测器对前级三阶线性扩张状态观测器未能准确估计的剩余扰动进行二次观测；

8、利用状态误差反馈将跟踪微分器输出的参考状态与扩张状态观测器得到的估计状态进行组合，生成系统的基础控制量，并选择lsef生成基础控制量，并结合级联扩张状态观测器输出的总扰动估计值进行补偿。

9、进一步的，在移动机器人用伺服电机自抗扰位置控制方法中，采用q轴电流为0的矢量控制方式，在同步旋转坐标系下，构建永磁同步电机位置控制模型，结合电流环跟踪误差、永磁体磁链变化、转动惯量变化、负载转矩变化、摩擦及未建模动态构建位置控制系统的扩张状态模型，具体为：

10、采用q轴电流为0的矢量控制方式，在同步旋转坐标系下，构建永磁同步电机位置控制模型，根据所述永磁同步电机位置控制模型联立，得到机械角位置的二阶动态方程；

11、定义电流到机械角加速度的实际增益，并结合所述电流环跟踪误差、永磁体磁链变化、转动惯量变化、负载转矩变化、摩擦及未建模动态对所述机械角位置的二阶动态方程进行重建；

12、通过重建，得到重构的机械角位置的二阶动态方程，结合所述电流到机械角加速度的实际增益构建位置控制系统的扩张状态模型。

13、进一步的，在移动机器人用伺服电机自抗扰位置控制方法中，构建最速控制综合函数，利用跟踪微分器在第k个运算周期的位置输出和速度输出构建离散状态更新方程，利用离散状态更新方程改变跟踪微分器对位置给定信号的跟踪速度，具体包括：

14、构建最速控制综合函数，采用基于最速控制综合函数fhan的二阶非线性跟踪微分器，位置给定信号首先经过跟踪微分器，生成平滑的位置参考值和参考速度值；

15、利用跟踪微分器计算在第k个运算周期的位置输出和速度输出，根据所述在第k个运算周期的位置输出和速度输出构建二阶非线性跟踪微分器的离散状态更新方程；

16、基于所述二阶非线性跟踪微分器的离散状态更新方程，通过调节速度因子，改变跟踪微分器对位置给定信号的跟踪速度。

17、进一步的，在移动机器人用伺服电机自抗扰位置控制方法中，利用前级三阶线性扩张状态观测器对位置、速度及主体扰动进行初步观测，具体包括：

18、定义前级三阶线性扩张状态观测器的位置观测误差，同时，定义前级三阶线性扩张状态观测器，并设前级观测器带宽；

19、将观测器的三个极点配置在预设位置，生成前特征多项式，根据所述特征多项式得到前级观测器增益。

20、进一步的，在移动机器人用伺服电机自抗扰位置控制方法中，利用后级三阶改进非线性扩张状态观测器对前级三阶线性扩张状态观测器未能准确估计的剩余扰动进行二次观测，具体为：

21、定义后级位置观测误差，同时，构建后级三阶改进非线性扩张状态观测器，设置前级观测器带宽，采用fal函数对观测误差进行非线性校正；

22、在低于预设误差阈值区间引入反双曲正弦函数和正弦函数的加权组合，利用反双曲正弦函数和正弦函数连续、平滑且原点附近近似线性的特点对误差进行平滑校正；

23、在高于误差阈值范围内继续采用幂次非线性函数，利用分段函数在预设函数值和一阶导数连续，得到方程，利用拟合法求解权重系数；

24、将后级非线性扩张状态观测器中的fal非线性函数替换为改进平滑非线性函数ifal，得到改进型nleso。

25、进一步的，在移动机器人用伺服电机自抗扰位置控制方法中，利用状态误差反馈将跟踪微分器输出的参考状态与扩张状态观测器得到的估计状态进行组合，生成系统的基础控制量，并选择lsef生成基础控制量，并结合级联扩张状态观测器输出的总扰动估计值进行补偿，具体包括：

26、利用状态误差反馈将跟踪微分器输出的参考状态与扩张状态观测器得到的估计状态进行组合，生成系统的基础控制量；

27、将目标机械位置指令输入跟踪微分器，通过最速控制综合函数对突变的位置指令进行平滑规划，得到平滑位置参考值和参考机械角速度；

28、采集永磁同步电机的实际机械角位置，并将位置反馈信号输入前级三阶线性扩张状态观测器和后级三阶改进非线性扩张状态观测器中；

29、利用前级三阶线性扩张状态观测器和后级三阶改进非线性扩张状态观测器对电机位置、机械角速度和主体集总扰动进行初步估计，得到扰动估计值，并根据所述扰动估计值进行补偿。

30、进一步的，在移动机器人用伺服电机自抗扰位置控制方法中，根据所述扰动估计值进行补偿，具体包括：

31、将所述扰动估计值作为已知扰动输入后级改进nleso，并利用改进平滑非线性函数ifal对观测误差进行校正，进一步获得机械角位置估计值、机械角速度估计值和前级剩余扰动估计值；

32、利用线性状态误差反馈计算出基础控制量，同时将前级主体扰动估计值与后级剩余扰动估计值叠加，得到总扰动估计值并将其从基础控制量中前馈补偿；

33、再经换算得到q轴参考电流，同时令d轴参考电流等于0，将d、q轴参考电流分别与经过坐标变换得到的实际d、q轴电流作差，经两个电流比例积分控制器得到d、q轴参考电压；

34、通过反park变换和空间矢量脉宽调制生成pwm1～pwm6六路驱动信号，控制三相逆变器驱动永磁同步电机运行。

35、本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：

36、针对现有非级联扩张状态观测器存在扰动估计带宽受限、难以兼顾观测精度与噪声抑制，以及传统fal函数分段边界不平滑、参数整定复杂和易引起高频抖振等问题，本发明的核心目的是针对性解决上述矛盾。首先，通过构建前级线性扩张状态观测器与后级改进非线性扩张状态观测器相结合的级联结构，由前级观测器快速估计位置、速度及主体集总扰动，再将前级扰动估计值作为后级观测器的已知输入，对剩余扰动进行二次精细估计，从而降低单级观测器的带宽压力，兼顾大扰动下的稳定性与小扰动下的观测精度；其次，采用由反双曲正弦函数和正弦函数加权构成的平滑ifal函数替代传统fal函数，改善小误差区间及分段边界的连续性，减小非线性增益突变、扰动估计抖振和q轴参考电流波动；最后，将两级扰动估计结果叠加后进行前馈补偿，并结合线性状态误差反馈生成转矩电流指令，实现永磁同步电机在负载突变条件下的快速扰动恢复与高精度位置控制。