一种永磁同步电机迭代反馈整定控制及其优化方法技术

本发明专利技术公开了一种永磁同步电机迭代反馈整定控制及其优化方法，涉及伺服控制优化领域，该方法在永磁同步电机矢量控制系统“三闭环”的控制框架下，通过引入基于脉冲响应模型的闭环子空间辨识方法，设计位置环双循环迭代反馈整定PI控制器，并进一步进行双循环迭代反馈整定算法的收敛性及收敛速度分析，从而在有效的改善永磁同步电机伺服系统的定位性能及鲁棒性的基础上，满足了伺服系统快速性的需求。

An iterative feedback tuning control and its optimization method for permanent magnet synchronous motor

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机迭代反馈整定控制及其优化方法
本专利技术涉及一种永磁同步电机迭代反馈整定控制及其优化方法，属于伺服控制优化领域。
技术介绍
永磁同步电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机，在数控设备、工业机器人及激光雕刻等领域，永磁同步电机(Permanentmagneticsynchronousmachine,PMSM)以其高效率、优秀的动态性能及轻量化等特点，广泛应用于以高速、精确跟踪定位为主要目标的位置伺服系统中。针对永磁同步电机位置伺服系统典型的“三闭环”结构，近年来国内外学者在优化传统PID控制器的方案上做了大量的工作。其中包括遗传算法、模糊控制和神经网络等方法都能够有效的改善永磁同步电机伺服系统的定位性能及鲁棒性，但这些方法或难以满足系统的快速性要求，或需要足够的建模精度，都在一定程度上制约了该方法下永磁同步电机在工业中的实际应用。永磁同步电机本身所固有的非线性及不确定因素，使得难以对其进行精确的数学建模，基于模型的方法通常对建模的精确度都具有较高的敏感性。在搜索最小化性能准则函数对应的控制器参数时，传统IFT(Ite本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁同步电机迭代反馈整定控制及其优化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：/n第一步、构建永磁同步电机的运动学方程及矢量控制系统；/n第二步、基于双循环迭代反馈整定算法设计永磁同步电机伺服系统位置环PI控制器；/n第三步、进行所述双循环迭代反馈整定算法的收敛性及收敛速度分析；/n第四步、给出所述位置环的双循环迭代反馈整定控制方案的具体实施；/n第一步、构建永磁同步电机的运动学方程及矢量控制系统：/n忽略谐波、磁滞及涡流损耗的前提下，同步旋转坐标系d-q下的永磁同步电机定子电压方程如式(1)所示：/n

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机迭代反馈整定控制及其优化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
第一步、构建永磁同步电机的运动学方程及矢量控制系统；
第二步、基于双循环迭代反馈整定算法设计永磁同步电机伺服系统位置环PI控制器；
第三步、进行所述双循环迭代反馈整定算法的收敛性及收敛速度分析；
第四步、给出所述位置环的双循环迭代反馈整定控制方案的具体实施；
第一步、构建永磁同步电机的运动学方程及矢量控制系统：
忽略谐波、磁滞及涡流损耗的前提下，同步旋转坐标系d-q下的永磁同步电机定子电压方程如式(1)所示：



式中ud、uq分别为定子电压矢量的d-q轴分量，id、iq分别为定子电流矢量的d-q轴分量，R为定子电阻，ψd、ψq分别为定子磁链矢量的d-q轴分量，ωc是电角速度；进一步得到定子磁链方程为：



其中Ld、Lq分别为d-q轴电感分量，ψf代表永磁体磁链；式(2)代入式(1)中得到定子电压方程为：



根据机电转化原理，电磁转矩T为磁场储能对机械角位移的偏导，则永磁同步电机电磁转矩方程为：



其中pn为永磁同步电机的极对数；进一步得到所述永磁同步电机的运动学方程为：



其中ωm为永磁同步电机的机械角速度，J为转动惯量，B为阻尼系数，TL为负载转矩；
所述永磁同步电机的矢量控制系统为位置环、速度环和电流环构成的“三闭环”结构，所述位置环的PI控制器依据所述矢量控制系统的输入输出数据及跟踪误差，运用所述双循环迭代反馈整定算法进行参数整定；
第二步、基于双循环迭代反馈整定算法设计永磁同步电机伺服系统位置环PI控制器：
针对所述永磁同步电机的矢量控制系统位置环设计所述位置环的PI控制器，使用所述双循环迭代反馈整定算法优化参数，所述位置环的PI控制器C(z-1,ρ)可以线性化为：



其中控制器参数ρ＝[Kp,KI]T，控制器线性化系数Kp、KI为PI控制器的比例及积分系数，Ts为采样时间；令S(z-1,ρ)＝(P(z-1)C(z-1,ρ)+1)-1，T(z-1,ρ)＝P(z-1)S(z-1,ρ)，P(z-1)为所述永磁同步电机的位置环模型；若r为系统输入，v为均值为零的白噪声，可以得到位置环的跟踪误差e为：
e＝S(z-1)(1-P(z-1))r-S(z-1)v(7)
所述永磁同步电机的速度环数学模型可认为是一个典型的二阶系统，对于一个有限时间输入线性定常系统而言，其初始状态下可表示为：



式(8)中u、y分别为输入输出，n为采样点个数，是由脉冲响应系数hs(s＝1,2,3…)组成的Toeplitz子空间矩阵，hi于闭环状态下加入单位脉冲激励获得；
为了提高所述位置环的跟踪效果，不妨定义性能准则函数J(ρ)为：
J(ρ)＝eQeT(9)
N为采样点总数，e为所述位置环的跟踪误差矩阵；Ly为滤波器，通常为Ly＝1，Q为单位阵；通过所述双循环迭代反馈整定算法将所述性能准则函数J(ρ)最小化用于求取所述位置环的PI控制器的最佳参数ρ*，从而获得最佳的控制效果，关于获取ρ*的迭代方式，传统的迭代反馈整定IFT算法通常用Gauss–Newton算法计算下一次迭代更新值：



其中γi>0表示步长；Ri为正定Hessian矩阵表示优化搜索方向，为J(ρ)关于控制器参数ρ的偏导数，Ri及通常由给与所述矢量控制系统的三次参考输入来进行无偏估计；
为了简化写作，将第i次迭代的Ci(z-1,ρ)、Si(z-1,ρ)及Ti(z-1,ρ)表示为Ci、Si和Ti，外加上P(z-1)其对应的Toeplitz矩阵为和若ρi+1＝ρi+Δρi+1，即已知第i次迭代时控制器参数为ρi，Δρi+1为ρi到最佳控制器参数ρ*的差值Δρi+1*时，J(Δρi+1)的梯度为零，即：



由式(7)可得，第i次迭代的误差...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶洪峰，刘巍，张秀赟，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32