一种基于内模观测器的异步电机控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于内模观测器的异步电机控制方法，具体为：首先重构控制对象估计模型，得到异步电机电流环的模型，进而根据内模控制原理，设计出内模控制器；并在得到的内模控制器基础上设计二自由度内模控制器；然后在异步电机状态方程的基础上设计内模观测器，最后将二自由度内模控制器与内模观测器相配合，实现对异步电机的控制。本发明专利技术通过将内模观测器运用到二自由度内模控制中，内模控制器的设计与控制对象的估计模型息息相关，而控制对象的估计模型中含有电机参数，电机运行过程中会存在一些模型失配、参数摄动等不确定扰动，通过引入内模观测器，利用内模观测器观测出扰动，对电流环进行补偿，从而提高系统鲁棒性。

An asynchronous motor control method based on internal model observer

The invention discloses a control method of asynchronous motor, based on internal model observer details are as follows: firstly, reconfigurable control object estimation model, asynchronous motor current loop model, and then according to the internal model control principle, design internal model controller; and the design of two degree of freedom internal model controller based on internal model controller is obtained; then the design based on the state equation of asynchronous motor in mode observer, finally matched with two degree of freedom internal model and internal model controller observer, to achieve control of asynchronous motor. The observer is applied to the internal model of two degree of freedom internal model control, model design and the control object is closely related to estimation of internal model controller, and the estimation model of the controlled object contains the parameters of the motor, the motor operation process there will be some model mismatch, parameter perturbation and uncertain disturbance, by introducing internal model the observer, by using the internal model that the disturbance observer, the current loop compensation, so as to improve the robustness of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于内模观测器的异步电机控制方法
本专利技术属于交流电机传动
，涉及一种基于内模观测器的异步电机控制方法。
技术介绍
在现代电机控制
，随着矢量控制理论不断实用化，通过对复杂的异步电机数学模型进行解耦控制，异步电机矢量控制技术获得了广泛应用。异步电机矢量控制方法包括转速外环和电流内环两个部分，控制器一般选用传统PI控制器。传统的PI控制器以其结构简单，较易实现而广泛应用到了电机控制系统之中。但传统的PI控制器易受系统参数的影响，存在模型失配、参数摄动、抗扰性差等问题，因此对一些高性能控制系统难以达到期望的性能要求。针对一般的异步电机矢量控制系统对电机参数变化的鲁棒性差，提出一种基于内模观测器的二自由度内模控制方法。二自由度内模控制是对传统内模控制的改进，传统内模控制只有一个可调滤波器参数，只能在系统的跟踪性能和抗扰性能之间折衷处理，二自由度内模就是在传统内模控制器基础上增加一个前置滤波器，实现系统抗扰性能与跟踪性能分开调节。但是传统二自由度内模控制器无法有效消除由于模型失配、参数摄动等带来的不确定性扰动，所以本专利技术在二自由度内模控制器的基础上，设计了内模观测器来估计扰动，从而实现电流环的精确控制。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于内模观测器的异步电机控制方法，解决了传统内模控制存在的模型失配、参数摄动、抗扰性差的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种基于内模观测器的异步电机控制方法，具体按以下步骤实施：步骤1，设计内模控制器：通过给被控对象并联一个与被控对象尽量一致的估计模型，重构控制对象估计模型，得到异步电机电流环的模型，根据内模控制原理，结合异步电机电流环的模型，设计出内模控制器；步骤2，在步骤1得到的内模控制器基础上设计二自由度内模控制器；步骤3，在异步电机状态方程的基础上设计内模观测器；步骤4，根据步骤2得到的内模观测器估计出电流内环扰动fd和fq，根据步骤2得到的二自由度内模控制器输出转矩电压Ud和励磁电压Uq，进而得到参考转矩电压和参考励磁电压即实现对异步电机的控制。本专利技术特点还在于，步骤1，具体为：通过给被控对象并联一个与被控对象尽量一致的估计模型。给出重构的控制对象估计模型，即异步电机电流环的模型为：式中：Rs、Rr分别为定子电阻和转子电阻，ωs为磁场同步旋转角速度，为漏磁系数，Ls、Lr、Lm分别为感应电机的定子电感、转子电感和定转子之间的互感，s为微分算子。异步电机电流输出表达式为：式中：C(s)为内模控制器，G(s)为被控制对象，Gn(s)为被控对象的估计模型，E(s)为反馈误差信号，R(s)为控制系统的输入，Y(s)为控制系统的输出，d(s)为干扰输入；通过闭环反馈后，系统能有效抑制扰动量的影响，提高抗干扰能力；根据内模控制原理，当模型匹配时，即G(s)＝Gn(s)，如果取内模控制器为控制对象模型的逆，即内模控制器设计为：步骤2具体为：给步骤1设计得到的内模控制器增加一个前置滤波器，使得抗扰性能与跟踪性能分开调节，得到二自由度内模控制器。步骤3具体为：异步电机在矢量变换后的d-q相正交坐标系下的数学模型为：式中：usd、usq分别为定子电压在d、q轴上的分量，isd、isq分别为定子电流在d、q轴上的分量，ψsd、ψsq分别为定子磁链在d、q轴上的分量，ω1为磁场同步旋转角速度；其中，电机运行时忽略转子电流，磁链方程为：令L＝σLs，通过以上两式，并结合实际系统发生可加性的参数摄动和干扰，电流环模型可重新表示为：式中：Ud、Uq为d-q相定子电压，ΔL、ΔR为系统参数波动量；定义系统总的不确定量为：即完成内模观测器的设计，式中：fd、fq表示系统的不确定量。步骤4中参考转矩电压和参考励磁电压的表达是为：本专利技术的有益效果是，本专利技术通过将内模观测器运用到二自由度内模控制中，内模控制器的设计与控制对象的估计模型息息相关，而控制对象的估计模型中含有电机参数，电机运行过程中会存在一些模型失配、参数摄动等不确定扰动，通过引入内模观测器，利用内模观测器观测出扰动，对电流环进行补偿，从而提高系统鲁棒性。附图说明图1是本专利技术控制系统的结构框图；图2是本专利技术内模控制等效反馈框图；图3是本专利技术二自由度内模控制框图；图4是本专利技术内模观测器控制框图。具体实施方式下面结合和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术提供了一种基于内模观测器的异步电机控制方法，采用矢量控制，矢量控制系统包括速度外环和电流内环两部分。如图1所示，为了对基于内模观测器的二自由度内模控制策略在感应电机上进行深入研究，用二自由度内模控制器取代了矢量控制系统中电流环的PI控制器，转速环采用传统的PI控制器，本专利技术在二自由度内模控制器的基础上，设计内模观测器来实现电流补偿。具体按以下步骤实施：步骤1，建立异步电机电流环的模型，设计内模控制器：通过给被控对象并联一个与被控对象尽量一致的估计模型。给出重构的控制对象估计模型，即异步电机电流环的模型为：式中：Rs、Rr分别为定子电阻和转子电阻，ωs为磁场同步旋转角速度，为漏磁系数，Ls、Lr、Lm分别为定子电感、转子电感和定转子之间的互感，s为微分算子。异步电机电流输出表达式为：式中：C(s)为内模控制器，G(s)为被控制对象，Gn(s)为被控对象的估计模型，E(s)为反馈误差信号，R(s)为控制系统的输入，Y(s)为控制系统的输出，d(s)为干扰输入。通过闭环反馈后，系统能有效抑制扰动量的影响，提高抗干扰能力。根据内模控制原理，当模型匹配时(不考虑扰动)，即G(s)＝Gn(s)，如果取内模控制器为控制对象模型的逆，即内模控制器设计为：其中为对象模型中的可逆部分，为了使控制系统正则，滤波器阶数要大于等于控制对象阶数，故一般选取一阶低通滤波器。内模控制等效反馈框图如图2所示，反馈控制器M(s)与C(s)之间的关系为：步骤2，根据步骤1得到的内模控制器设计二自由度内模控制器：如图3所示，通过给步骤1中所述的内模控制器增加一个前置滤波器，使得抗扰性能与跟踪性能分开调节。系统电流输出为：式中：二自由度内模控制器设计时，n应该选取为使得内模控制器C1(s)、C2(s)能实现的最小值。控制系统的跟踪性能与C1(s)、C2(s)同时相关，抗干扰性能只与C2(s)相关。因此，可以根据系统抗扰动性能设计C2(s)，在C2(s)整定优良的基础上，设计C1(s)以获取良好的输入跟踪性能。步骤3，设计基于二自由度内模控制器的内模观测器：内模观测器系统结构如图4所示，框图中的L、M、P分别为如下所述的矩阵，k1、k2为调节参数。异步电机在矢量变换后的d-q相正交坐标系下的数学模型为：式中：usd、usq分别为定子电压在d、q轴上的分量，isd、isq分别为定子电流在d、q轴上的分量，ψsd、ψsq分别为定子磁链在d、q轴上的分量，ω1为磁场同步旋转角速度。其中，磁链方程如式(8)所示：令L＝σLs，由式(7)和式(8)可得：对式(9)进行整理，可得其状态方程为：式中：x＝[idiq]T，v＝[vdvq]T,由式(9)可见模型的准确度依赖于系统参数。当实际系统发生可加性的参数摄动和干扰时，实际系统的状态空间方程重新表示为：式中：Ud、Uq为d-q相定子电压，ΔL、ΔR为系统参数波动量。定义系统总本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于内模观测器的异步电机控制方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：步骤1，设计内模控制器：通过给被控对象并联一个与被控对象尽量一致的估计模型，重构控制对象估计模型，得到异步电机电流环的模型，根据内模控制原理，结合异步电机电流环的模型，设计出内模控制器；步骤2，在步骤1得到的内模控制器基础上设计二自由度内模控制器；步骤3，在异步电机状态方程的基础上设计内模观测器；步骤4，根据步骤2得到的内模观测器估计出电流内环扰动f

【技术特征摘要】
1.一种基于内模观测器的异步电机控制方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：步骤1，设计内模控制器：通过给被控对象并联一个与被控对象尽量一致的估计模型，重构控制对象估计模型，得到异步电机电流环的模型，根据内模控制原理，结合异步电机电流环的模型，设计出内模控制器；步骤2，在步骤1得到的内模控制器基础上设计二自由度内模控制器；步骤3，在异步电机状态方程的基础上设计内模观测器；步骤4，根据步骤2得到的内模观测器估计出电流内环扰动fd和fq，根据步骤2得到的二自由度内模控制器输出转矩电压Ud和励磁电压Uq，进而得到参考转矩电压和参考励磁电压即实现对异步电机的控制。2.根据权利要求1所述的一种基于内模观测器的异步电机控制方法，其特征在于，所述步骤1，具体为：通过给被控对象并联一个与被控对象尽量一致的估计模型。给出重构的控制对象估计模型，即异步电机电流环的模型为：式中：Rs、Rr分别为定子电阻和转子电阻，ωs为磁场同步旋转角速度，为漏磁系数，Ls、Lr、Lm分别为定子电感、转子电感和定转子之间的互感，s为微分算子；异步电机电流输出表达式为：式中：C(s)为内模控制器，G(s)为被控制对象，Gn(s)为被控对象的估计模型，E(s)为反馈误差信号，R(s)为输入，Y(s)为输出，d(s)为干扰输入；通过闭环反馈后，系统能有效抑制扰动量的影响，提高抗干扰能力；根据内模控制原理，当模型匹配时，即G(s)＝Gn(s)，如果取内模控制器为控制对象模型的逆，即内模控制器设计为：3.根据权利要求1所述的一种基于内模...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹忠刚，杜娜，张延庆，刘静，钟彦儒，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61