基于时变干扰抑制的永磁无刷直流电机调速系统控制方法技术方案

本发明专利技术请求保护一种基于时变干扰抑制的永磁无刷直流电机调速系统控制方法，该方法主要包括以下三步：首先，在永磁无刷直流电机系统状态方程基础上得到系统二阶模型；其次，利用模型中的速度信号设计干扰观测器，用来估计系统中的时变干扰；最后，基于干扰估计设计最终的时变干扰抑制控制器。与传统的串级结构控制方法相比，该方法不仅控制器设计简单，而且调参容易，还具有强的干扰抑制能力，能够满足永磁无刷直流电机调速系统在高性能领域的应用需求。

Control Method of Permanent Magnet Brushless DC Motor Speed Regulation System Based on Time-varying Interference Suppression

The invention requests the protection of a control method of a permanent magnet brushless DC motor speed regulating system based on time-varying interference suppression. The method mainly includes three steps: first, the second-order model of the system is obtained on the basis of the state equation of the permanent magnet brushless DC motor system; secondly, the disturbance observer is designed by using the speed signal in the model to estimate the time-varying interference in the system; finally, based on the state equation of the permanent magnet brush The final time-varying disturbance rejection controller is designed by disturbance estimation. Compared with the traditional cascade structure control method, this method not only has simple controller design, easy parameter adjustment, but also has strong interference suppression ability, which can meet the application requirements of permanent magnet brushless DC motor speed control system in high performance field.

【技术实现步骤摘要】
基于时变干扰抑制的永磁无刷直流电机调速系统控制方法
本专利技术属于永磁无刷直流电机调速系统控制方法，尤其是一种基于时变干扰抑制的永磁无刷直流电机调速系统控制方法。
技术介绍
永磁无刷直流电机是随着半导体电子技术发展而出现的新型机电一体化电机，它是现代电子技术(包括电力电子、微电子技术)、控制理论和电机技术相结合的产物，不仅限于交直流领域，还涉及电动、发电的能量转换和信号传感等领域，因其具有结构简单、运行效率高、无励磁损耗、调速性能好、重量轻、惯性小、控制精确、运行可靠以及维护方便等一系列优点，在伺服控制、航空航天、家用电器、机器人及工厂自动化等领域得到了广泛应用。干扰抑制技术一直是永磁无刷直流电机调速系统的研究热点问题，受到了国内外专家学者的高度关注。很多专家学者对此开展了相关研究，取得了一定成果。如PI控制、自抗扰控制等(温嘉斌，麻宸伟.无刷直流电机模糊PI控制系统设计[J].电机与控制学报，2016，20(3)：102-108.夏长亮，李正军，杨荣，等.基于自抗扰控制器的无刷直流电机控制系统[J].中国电机工程学报，2005，25(2)：82-86.)。然而，传统的PI控制算法特点是利用误差的比例来减小误差，用积分消除稳态误差，所以在缩短跟踪时间的同时却会带来超调增大的问题，即无法解决快速性和稳定性的矛盾。同时，PI控制器中同一个参数无法适用于不同的转速，当转速发生变化时，PI参数也要相应的改变。自抗扰控制虽然能够实时估计干扰并抑制系统干扰，但是它只能处理慢变干扰，同样无法处理高阶形式干扰。因此，设计一种效率高、算法简单的基于时变干扰抑制的永磁无刷直流电机调速系统的控制方法非常重要。
技术实现思路
本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种有效处理时变干扰、提高系统的抗扰性能的基于时变干扰抑制的永磁无刷直流电机调速系统控制方法。本专利技术的技术方案如下：一种基于时变干扰抑制的永磁无刷直流电机调速系统控制方法，其包括以下步骤：首先，建立永磁无刷直流电机系统状态空间方程，并在系统状态空间方程基础上得到系统二阶模型；其次，利用系统二阶模型中的速度信号设计干扰观测器，用来估计系统中的时变干扰；最后，基于时变干扰估计值，设计最终的控制器，并利用该控制器对系统的时变干扰进行抑制。进一步的，所述建立永磁无刷直流电机系统状态空间表达式如下：其中，C＝[10]，x为系统状态，包括电机实际转速ω和母线电流i，u为控制量，y为控制输出，J为转动惯量，B为粘滞摩擦系数，L为定子电感，kt为电机转矩常数，R为定子电阻，np为磁极对数，为转子磁链，ωr为给定转速，TL为负载转矩。进一步的，根据系统状态空间方程(1)，得如下系统二阶模型：其中，定义x1＝ω，z1＝d(t)，…，zn＝d(n-1)(t)，方程(2)可以扩张为如下形式：进一步的，所述对方程(3)设计广义比例积分干扰观测器观测器GPIO如下：其中，分别为x1，x2的估计，分别为z1，z2，…，zn的估计，(c1，c2，…，cn+2)为观测器系数。进一步的，根据GPIO观测器的估计结果，控制器形式如下：其中，e＝ωr-ω，ωr为参考速度信号，为干扰d(t)的估计值，k1和k2为控制器系数。本专利技术的优点及有益效果如下：1、相比传统的永磁无刷直流电机调速系统串级结构控制方法，该方法只需要一个控制器，并且控制器设计简单，调参容易，控制系统能够达到良好的动态和稳态性能。2、相比传统的反馈控制系统，该控制系统设计为基于干扰估计和前馈补偿的控制方法，可以有效地提高系统的抗干扰能力。3、考虑到永磁无刷直流电机易受各类未知时变干扰的影响，该控制方法可以有效抑制表现形式为常值、斜坡、抛物线等多种类型的时变干扰。附图说明图1是本专利技术提供优选实施例优选实施控制系统框图。图2是控制系统详细框图。图3是控制器框图。图4是PI控制和GPIO控制下转速变化曲线。图5是PI控制和GPIO控制下电流变化曲线。图6是PI控制和GPIO控制下控制量变化曲线。图7和图8是PI控制和GPIO控制下电机转速状态估计值变化曲线。图9、图10和图11是PI控制和GPIO控制下对时变干扰的估计值变化曲线。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例。本专利技术解决上述技术问题的技术方案是：本专利技术所述一种基于时变干扰抑制的永磁无刷直流电机调速系统控制方法，该方法主要包括以下三步：首先，在永磁无刷直流电机系统状态方程基础上得到系统二阶模型；其次，利用系统模型中的速度信号干扰观测器，用来估计系统中的时变干扰；最后，基于干扰估计设计最终的时变干扰抑制控制器。与传统的串级结构控制方法相比，该方法不仅控制器设计简单，而且调参容易，还具有强的干扰抑制能力，能够满足永磁无刷直流电机调速系统在高性能领域的应用需求。本实施例包括以下几个步骤：步骤1：根据图1，2建立一个永磁无刷直流电机系统模型。如图1所示，永磁无刷直流电机调速控制系统包括控制器和广义对象，其中ωr为给定转速，ω为电机实际输出转速，u为控制量，广义对象包括三相逆变器和永磁无刷直流电机。如图2所示，基于时变干扰抑制的永磁无刷直流电机调速系统控制方法是一种时变干扰抑制方法，包括观测器和控制器。步骤2：如图3所示设计控制器。如图3所示，建立永磁无刷直流电机系统状态空间表达式：其中，C＝[10]，x为系统状态，包括电机实际转速ω和母线电流i，u为控制量，y为控制输出，J为转动惯量，B为粘滞摩擦系数，L为定子电感，kt为电机转矩常数，R为定子电阻，np为磁极对数，为转子磁链，ωr为给定转速，TL为负载转矩。根据系统状态空间方程(6)，可得如下系统二阶模型：其中，定义x1＝ω，z1＝d(t)，…，zn＝d(n-1)(t)，方程(7)可以扩张为如下形式：对方程(8)设计广义比例积分观测器(GPIO)如下：其中，分别为x1，x2的估计，分别为z1，z2，…，zn的估计，(c1，c2，…，cn+2)为观测器系数。进一步地，根据观测器的估计结果，设计基于时变干扰抑制的永磁无刷直流电机调速系统控制方法，所述控制器形式如下：其中，e＝ωr-ω，ωr为参考速度信号，为干扰d(t)的估计值，k1和k2为控制器系数。从图4可以看出，启动时，永磁无刷直流电机调速系统在控制器的控制下迅速达到稳定值，系统超调量小，调节时间短。当在电机运行至15s施加干扰，由图4可以明显看出，与PI控制器相比，时变干扰抑制控制器的抗扰性能更好。图5，6为电机在PI控制和GPIO控制方法下电流和控制量变化曲线。从图7，8可以看出，GPIO观测器对电机转速的估计效果良好。图9,10,11为干扰估计的曲线。以上这些实施例应理解为仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的保护范围。在阅读了本专利技术的记载的内容之后，技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本专利技术权利要求所限定的范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于时变干扰抑制的永磁无刷直流电机调速系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，建立永磁无刷直流电机系统状态空间方程，并在系统状态空间方程基础上得到系统二阶模型；其次，利用二阶模型中的速度信号设计干扰观测器，用来估计系统中的时变干扰；最后，基于时变干扰估计值，设计最终的控制器，并利用该控制器对系统的时变干扰进行抑制。

【技术特征摘要】
1.一种基于时变干扰抑制的永磁无刷直流电机调速系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，建立永磁无刷直流电机系统状态空间方程，并在系统状态空间方程基础上得到系统二阶模型；其次，利用二阶模型中的速度信号设计干扰观测器，用来估计系统中的时变干扰；最后，基于时变干扰估计值，设计最终的控制器，并利用该控制器对系统的时变干扰进行抑制。2.根据权利要求1所述的基于时变干扰抑制的永磁无刷直流电机调速系统控制方法，其特征在于，所述建立永磁无刷直流电机系统状态空间表达式如下：其中，C＝[10]，x为系统状态，包括电机实际转速ω和母线电流i，u为控制量，y为控制输出，J为转动惯量，B为粘滞摩擦系数，L为定子电感，kt为电机转矩常数，R为定子电阻，np为磁极对数，为转子磁链，ωr为给定转速，TL为负载转矩。3.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：王会明，张琪垚，王礼勃，郑帅，陈红，李清都，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50