一种无人车用基于负载转矩观测器的抗负载扰动控制方法

摘要

本发明公开了一种无人车用基于负载转矩观测器的抗负载扰动控制方法，控制方法包括如下：S1，负载转矩观测器：考虑负载转矩时变的特性，利用UKF滤波和极大后验估计器Sage‑Husa的原理，设计基于UKF滤波的新型负载转矩观测器，并将负载转矩的观测值作为前馈补偿；S2，速度补偿：将负载转矩观测值作为控制系统的前馈补偿，通过改善电机负载转矩的输出能力来补偿负载扰动对系统造成的影响；S3，仿真试验：基于以上的分析和设计，为了验证所提基于负载转矩观测器的PMSM抗负载扰动控制策略的有效性。该无人车用基于负载转矩观测器的抗负载扰动控制方法，提高无人搬运车在负载转矩改变时的稳定性和抗干扰性，解决了无人搬运车抖动和电机转速不协调等问题。

说明书

技术领域

本发明涉及无人车抗负载技术领域，具体为一种无人车用基于负载转矩 观测器的抗负载扰动控制方法。

背景技术

永磁同步电机以其电流平稳、噪声小、转矩脉动小、转矩/惯量比大、效 率高等优点成为高性能调速系统的首选。在交流伺服控制系统中，如何在无 速度传感器的情况下实现PMSM转速和转子位置的高精度辨识一直是研究的热 点之一。传统的转子信息是通过机械式传感器获得，但其会造成系统稳定性 下降、系统成本高等缺点，使得无位置传感器的控制系统成为了研究的主流。

高性能的交流伺服系统不仅仅需要具有敏捷的速度响应能力，更需要具 备较强的抗干扰能力和自调节能力。电机在运行过程中可能会受到各种突发 扰动的影响，特别是当负载突变时，电磁转矩和负载转矩瞬间失衡，会导致 转速调节滞后，进而影响系统的动态性能。因此，如何确保控制系统在负载 扰动存在的情况下依旧响应快、无超调是高性能调速系统的关键。

PMSM传统的控制系统中，通常忽略负载扰动的影响，将其视为0或固定 值。事实上，负载扰动不仅影响PMSM的稳定精度，而且影响整个控制系统的 动态性能和调速范围等性能指标，因此设计一种具有抗负载扰动的控制方案 具有重要的实际意义。电机在实际运行中，负载转矩时变且难以预测，单纯 依靠PI调节器无法很好地抑制负载扰动造成的转速波动问题。目前，国内外 学者相继提出一些对负载转矩进行观测的方案。利用一阶微分结构，设计扰 动观测器，并对转矩电流进行补偿，但是微分运算放大了测量误差，影响观 测值和反馈值的精度。提出一种改进的降阶负载转矩观测器，提高了辨识的 收敛性能。采用滑模变结构对负载转矩进行观测，提高了系统的抗干扰性能， 却无法削弱系统的抖振现象。提出一种新型的全阶滑模观测器，有效地解决 了积分初值、积分漂移和系统抖振的问题。在卡尔曼滤波的基础上，提出一 种基于扩展卡尔曼滤波算法的负载转矩观测器，能有效地观测到转子和负载 转矩信息，并将观测值作为调速系统的前馈补偿提高系统的动态性能。但扩 展卡尔曼滤波存在计算繁琐、滤波精度低等缺点。通过对无迹卡尔曼滤波原 理及其应用的深入学习，在扩展卡尔曼滤波全阶观测器的基础上，提出一种 基于无迹卡尔曼滤波的负载转矩观测器。该观测器考虑系统噪声的影响，对 转子位置、转速和负载转矩进行观测，并设计负载反馈补偿环节，实现对电 流调节器的前馈补偿作用。该方案结合状态反馈和负载补偿环节，以提高控 制系统的响应调节速度和抗干扰能力。

目前，现有的无人车用基于负载转矩观测器的抗负载扰动控制方法存在 如下问题：四轮驱动转向无人搬运车在运行时由于装卸货物使电机负载瞬时 变化导致电机转速突变，无人搬运车在负载转矩改变时的稳定性低和抗干扰 性大，负载突变引起无人搬运车失稳，无人搬运车抖动和电机转速不协调。 为此，需要设计相应的技术方案给予解决。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种无人车用基于负载转矩观测器 的抗负载扰动控制方法，解决了四轮驱动转向无人搬运车在运行时由于装卸 货物使电机负载瞬时变化导致电机转速突变，无人搬运车在负载转矩改变时 的稳定性低和抗干扰性大，负载突变引起无人搬运车失稳，无人搬运车抖动 和电机转速不协调的技术问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种无人车用基 于负载转矩观测器的抗负载扰动控制方法，控制方法包括如下：

S1，负载转矩观测器：考虑负载转矩时变的特性，利用UKF滤波和极大 后验估计器Sage-Husa的原理，设计基于UKF滤波的新型负载转矩观测器， 并将负载转矩的观测值作为前馈补偿，以提高系统的抗负载扰动能力和控制 性能，在PMSM的数学模型和UKF滤波原理的基础上，搭建的状态观测器；

S2，速度补偿：将负载转矩观测值作为控制系统的前馈补偿，通过改善 电机负载转矩的输出能力来补偿负载扰动对系统造成的影响，提高负载转矩 突变时的速度响应；

S3，仿真试验：基于以上的分析和设计，为了验证所提基于负载转矩观 测器的PMSM抗负载扰动控制策略的有效性，采用无负载补偿环节和有负载补 偿环节的控制系统，在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模型，分别进行仿 真验证，为了验证所设计的负载观测器的观测性能，在负载转矩处于稳定值、 突增、突卸、最终又趋于稳定值的情况下进行仿真验证。

优选的，将电流环等效为一阶惯性环节，将负载观测器的输出作为扰动 的补偿控制引入电流的输入端。

优选的，无论处于负载恒定还是负载突变的情况下，观测器能跟踪给定 的负载转矩的变化，仿真结果表明该观测器具有良好的观测性能。

优选的，充分验证负载转矩前馈补偿对提高观测精度和系统稳定性的有 效性，当给定相同负载扰动的情况下，在低速120r/min和高速800r/min时， 分别进行无负载扰动前馈补偿和有负载扰动前馈补偿的仿真试验。

优选的，状态反馈和转矩补偿相结合的控制策略，弥补了传统PI控制器 不能较好地兼顾转速跟踪性能和抗负载扰动性能的缺点。

(三)有益效果

该无人车用基于负载转矩观测器的抗负载扰动控制方法，四轮驱动转向 无人搬运车在运行时，解决了在运行过程中由于装卸货物使电机负载瞬时变 化导致电机转速突变的问题，设计了基于负载转矩观测器的抗负载扰动控制 策略，来抑制负载突变引起无人搬运车失稳问题，提高无人搬运车在负载转 矩改变时的稳定性和抗干扰性，并且包括无人搬运车抖动问题和电机转速不 协调等问题，解决了无人搬运车运行时由于装卸货物引起电机负载转矩突变、 造成转速突变和引起小车失去稳态的问题。

附图说明

图1为本发明的状态观测器原理框图；

图2为本发明的电机速度环等效结构示意图；

图3为本发明的基于UKF滤波器的负载转矩观测器的系统框图；

图4为本发明的负载转矩观测图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图4，本发明实施例提供一种技术方案：一种无人车用基于 负载转矩观测器的抗负载扰动控制方法，控制方法包括如下：

S1，负载转矩观测器：考虑负载转矩时变的特性，利用UKF滤波和极大 后验估计器Sage-Husa的原理，设计基于UKF滤波的新型负载转矩观测器， 并将负载转矩的观测值作为前馈补偿，以提高系统的抗负载扰动能力和控制 性能，在PMSM的数学模型和UKF滤波原理的基础上，搭建的状态观测器；

S2，速度补偿：将负载转矩观测值作为控制系统的前馈补偿，通过改善 电机负载转矩的输出能力来补偿负载扰动对系统造成的影响，提高负载转矩 突变时的速度响应；

S3，仿真试验：基于以上的分析和设计，为了验证所提基于负载转矩观 测器的PMSM抗负载扰动控制策略的有效性，采用无负载补偿环节和有负载补 偿环节的控制系统，在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模型，分别进行仿 真验证，为了验证所设计的负载观测器的观测性能，在负载转矩处于稳定值、 突增、突卸、最终又趋于稳定值的情况下进行仿真验证。基于UKF滤波器的 负载转矩观测器的系统框图如图3所示。

PMSM闭环控制中，通常假设负载转矩为0或固定值，并由此得到转速的 实际值与观测值之间的传递函数。此方式忽略了负载转矩扰动对滤波观测值 的影响，增大了观测误差，降低了系统的动态性能。

在PMSM的数学模型和UKF滤波原理的基础上，搭建的状态观测器的原理 框图，如图1。

由于负载转矩突变时，电机转速跌落的外在表现会造成速度环和电流环 的反馈误差变大，且仅依靠速度环的响应调节，速度迟缓，因此为进一步提 高系统的动态性能。

进一步改进地，将电流环等效为一阶惯性环节，将负载观测器的输出作 为扰动的补偿控制引入电流的输入端。电机速度环等效结构图如图2所示。 有负载扰动时，将观测到的Tl作为电流环的前馈补偿。

进一步改进地，无论处于负载恒定还是负载突变的情况下，观测器能跟 踪给定的负载转矩的变化，仿真结果表明该观测器具有良好的观测性能。

进一步改进地，充分验证负载转矩前馈补偿对提高观测精度和系统稳定 性的有效性，当给定相同负载扰动的情况下，在低速120r/min和高速800r/min 时，分别进行无负载扰动前馈补偿和有负载扰动前馈补偿的仿真试验。

具体改进地，状态反馈和转矩补偿相结合的控制策略，弥补了传统PI控 制器不能较好地兼顾转速跟踪性能和抗负载扰动性能的缺点，降低了观测误 差，提高了系统的鲁棒性。

考虑负载脉动的影响，利用UKF算法对转子位置、转速和负载转矩进行最 优估计，并有负载扰动前馈补偿仿真图设计负载转矩前馈补偿环节，改善负载 突变时速度调节器的控制性能，提高系统的抗负载扰动能力。

综上，四轮驱动转向无人搬运车在运行时，解决了在运行过程中由于装 卸货物使电机负载瞬时变化导致电机转速突变的问题，设计了基于负载转矩 观测器的抗负载扰动控制策略，来抑制负载突变引起无人搬运车失稳问题， 提高无人搬运车在负载转矩改变时的稳定性和抗干扰性，并且包括无人搬运 车抖动问题和电机转速不协调等问题，解决了无人搬运车运行时由于装卸货 物引起电机负载转矩突变、造成转速突变和引起小车失去稳态的问题。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于 本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在 不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发 明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限 制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落 在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将 权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实 施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起 见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也 可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。