一种用于永磁同步电机矢量控制的自抗扰控制器参数自动调节系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于永磁同步电机矢量控制的自抗扰控制器参数自动调节系统，包括：自抗扰控制器参数选取指标计算模块(COM)与自抗扰控制器参数寻优模块(OPT)。所述的COM负责对转速、d轴电流、q轴电流的误差以及它们的自抗扰控制器的输出信号进行采样并对参数选取指标H进行计算；所述的OPT以H为目标函数对3个控制器的参数进行寻优，最后输出优化后的转速、d轴电流、q轴电流自抗扰控制器的参数组给控制器。本发明专利技术基于狮群算法这种性能卓越的群智能算法，可以实现更加高效的控制器参数自整定；用自整定代替传统的人工调节，从而大大降低了操作人员的工作量。

An automatic parameter adjustment system of ADRC for vector control of PMSM

【技术实现步骤摘要】
一种用于永磁同步电机矢量控制的自抗扰控制器参数自动调节系统
本专利技术属于电机控制领域，具体涉及一种用于永磁同步电机矢量控制的自抗扰控制器参数自动调节系统。
技术介绍
永磁同步电机(PermanentMagnetSynchronousMachine,PMSM)是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机，永磁体作为转子产生旋转磁场，三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应，感应出三相对称电流。对PMSM进行建模，假设：(1)没有铁心饱和；(2)没有绕组漏感；(3)没有磁滞和涡流损耗；(4)没有磁场的高次谐波；(5)电机转子上没有阻尼绕组；(6)永磁体的电导率为零。由此可以建立PMSM在三相坐标系中的数学模型，包括电压方程、磁链方程、转矩方程与运动方程。电压方程为磁链方程为转矩方程为运动方程为假设PMSM的三相绕组为无中性线星型联结，若为三角形联结，可等效为星型联结。则可以得到以下约束条件由此可知，在上述条件下，三相变量中只有两相是独立的，因此三相数学模型并不是物理对象最简洁的描述，因此有必要用两相模型来代替。将三相静止坐标系下的模型方程经过Clarke、Park坐标变换后，可以得到永磁同步电动机在d-q坐标系下的数学模型。由于PMSM的控制系统多采用矢量控制系统，而矢量控制系统的基本思想就是按转子磁链定向，也就是将d轴与转子磁链矢量重合，由此得到d-q坐标系下PMSM的数学模型。电压方程为磁链方程为转矩方程为Te＝pn[ψfiq+(Ld-Lq)idiq](8)运动方程为这里为了对控制方式进行简化，常采用id＝0控制策略。如果d轴电流在稳态时为0，那么PMSM稳态时的方程为由此可以看出，电机的转矩只与q轴电流的大小有关，电磁转矩中只存在永磁转矩分量，而不含有磁阻转矩分量。电枢反应中没有直轴去磁分量，不会因为退磁而使电机性能变坏。若果不考虑d轴的电压分量的话，从uq来看，此时的电机相当于一台他励直流电机，d轴绕组相当于断路，从而实现了d轴与电机转矩及定子绕组间的完全解耦，电机的模型更加的简化，从而更有利于控制。然而这种控制策略也存在一定的缺点，比如当负载增加时，漏感压降会增大，从而功率因数会降低；缺少磁阻转矩也会使电机无法达到理论的最大转矩，同时也无法做到弱磁调速，调速范围十分有限。这种控制策略非常适用于PMSM这种容量小、调速范围窄的电机。id＝0控制策略下的PMSM状态方程为这里需要对转速ω、d轴电流id以及q轴电流iq这3个量进行控制。一般工业应用场合中常采用PID控制器。PID控制技术由英国的考伦德(A·Callender)和斯蒂文森(A·Stevenson)等人在1936年正式提出，该技术在自动控制技术中占有非常重要的地位。基于PID控制器的PMSM矢量控制系统的整体控制结构图如图1所示。随着科学技术的迅猛发展，对控制器的要求越来越高，传统的PID控制技术存在的以下缺陷逐渐暴露出来:(1)误差的取法可能会使初始误差很大，易引起超调；(2)微分部分易扩大干扰，污染信号失真从而产生巨大误差；(3)经典PID控制中的积分环节，对抑制常值扰动的效果显著，但是无扰动时，积分环节使得系统的动态特性变差(闭环系统的反应迟钝、容易产生震荡和控制量饱和的副作用)，而对于随时间变化的扰动，积分环节的抑制能力又不显著；(4)经典PID控制是误差的现在(P)、过去(I)和将来(D)的加权组合(即简单的线性组合)，对于很多复杂的被控对象来说这种组合是不合理的。实际应用中基于PID控制器的PMSM控制系统的电流环和转速环在很多情况下也存在上述问题，对于一些对电机性能要求比较高的场合(比如超高音速飞行器、坦克火控系统等)，PID控制器就会很难适用。为了解决PID控制技术的缺陷，韩京清先生在2002年正式提出自抗扰控制技术(Auto-DisturbanceRejectionControl,ADRC)。自抗扰控制既使用可古典控制中的“用误差反馈来消除误差”，同时又使用了现代控制中对系统状态量进行观测。结合两种控制方法的精髓，自抗扰控制器可以快速、高精度、无超调、稳定地对各种对象进行控制。目前ADRC已在多个领域使用，如高超音速飞行器、磁悬浮、超导粒子加速器、大型射电望远镜、坦克火控系统、核电站冷却系统等等，又如工业机器人、伺服电机驱动器、无人机飞控系统、扫地机器人，甚至网站搜索引擎等等。自抗扰控制器主要包括跟踪微分器(TD)、非线性状态误差反馈控制规律(NLSEF)以及扩张状态观测器(ESO)。TD：通过TD安排闭环系统的过渡过程，降低系统的超调量。因为实际工程中常常出现不连续和随机噪声的输入信号，通过提取信号安排合理过渡过程可以将复杂的输入跟踪信号过渡为平稳的连续输入信号,从而提高系统的控制品质。NLSEF：PID控制器使用形式最为简单的线性叠加法对误差信号进行计算，控制效率和效果难以达到人们的需求，所以自抗扰控制器通过NLSEF进行误差信号的非线性计算。经过数学推导和仿真证明，线性叠加法处理误差信号的控制性能不如NLSEF的非线性算法。ESO：观测器难以对系统状态的直接观测，因此通过ESO对系统内部状态和干扰进行实时观测，大大提高系统的可控可观性能。干扰是系统所受到的外界干扰和系统内部的干扰因素，只需要整定合适的扩张状态观测器中的参数，便由系统的输出量直接估计出系统的内部状态和系统内部未建模部分的状态,对干扰进行实时估计和补偿。综上所述，因为以上三部分的改进自抗扰控制器可以提高响应速度、减少超调量地控制其他控制器难以高精度控制的非线性系统，提高了其在实际工程中的应用能力。当被控对象为一阶系统时，假设其状态方程为其中，x为状态变量，f(x)为与状态变量x有关的多项式，u为控制量，w为扰动量。那么自抗扰控制器的TD、NLSEF以及ESO的表达式为其中r为速度因子，决定跟踪速度。r越大跟踪速度越快，但同时也会增大超调量。k1为反馈增益，增大k1可以加快系统的响应速度，但若取值过大，则会引起系统振荡甚至不稳定。β1与β2为输出误差校正因子，很大程度影响着系统的动态性能。状态变量的估计主要受β1的影响，系统扰动的估计主要受β2的影响。β1和β2越大，状态变量与系统扰动的估计就会收敛越快；但若取值过大，ESO的输出会产生振荡发散并产生高频噪声信号。α为非线性因子，α越小，fal函数的非线性越强。α1、α2、α3分别为TD非线性因子、NLSEF非线性因子、ESO非线性因子。δ为滤波因子，增大δ可使滤波效果变好，但同时也增加了跟踪的延迟。δ1、δ2、δ3分别为TD滤波因子、NLSEF滤波因本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于永磁同步电机矢量控制的自抗扰控制器参数自动调节系统，其特征在于包括自抗扰控制器参数选取指标计算模块(COM)与自抗扰控制器参数寻优模块(OPT)；/n所述的自抗扰控制器参数选取指标计算模块(COM)获取转速误差(e

【技术特征摘要】
1.一种用于永磁同步电机矢量控制的自抗扰控制器参数自动调节系统，其特征在于包括自抗扰控制器参数选取指标计算模块(COM)与自抗扰控制器参数寻优模块(OPT)；
所述的自抗扰控制器参数选取指标计算模块(COM)获取转速误差(e1)、转速自抗扰控制器(ADRC1)的输出信号(u1)、d轴电流误差(e2)、d轴电流自抗扰控制器(ADRC2)的输出信号(u2)、q轴电流误差(e3)、q轴电流自抗扰控制器(ADRC3)的输出信号(u3)；输出自抗扰控制器参数选取指标H；自抗扰控制器参数选取指标计算模块(COM)的工作状态由驱动信号控制；
所述的自抗扰控制器参数寻优模块(OPT)获取自抗扰控制器参数选取指标H，输出3组优化后的控制器参数组，即转速自抗扰控制器的参数组(p1)、d轴电流自抗扰控制器的参数组(p2)、q轴电流自抗扰控制器的参数组(p3)。


2.根据权利要求1所述的用于永磁同步电机矢量控制的自抗扰控制器参数自动调节系统，其特征在于自抗扰控制器参数选取指标计算模块(COM)求取自抗扰控制器参数选取指标H的过程具体为：
设转速自抗扰控制器参数选取指标为H1，通过实时选取e1、u1以及转速上升时间tu1来对H1进行计算，H1的表达式为



其中，Ts为采样周期，Ta为OPT一次迭代过程中对控制器状态的总采样时间，int为向下取整函数，w11、w21、w31为权值；e1(k)为e1的离散形式，u1(k)为u1的离散形式；
设d轴电流自抗扰控制器参数选取指标为H2，通过实时选取e2、u2以及d轴电流上升时间tu2对H2进行计算，H2的表达式为



其中，w12、w22、w32为权值，e2(k)为e2的离散形式，u2(k)为u2的离散形式；
设q轴电流自抗扰控制器参数选取指标为H3，通过实时选取e3、u3以及q轴电流上升时间tu3来对H3进行计算，H3的表达式为



其中，w13、w23、w33为权值，e3(k)为e3的离散形式，u3(k)为u3的离散形式；
然后COM通过对H1、H2、H3进行加权求和得到可以综合衡量3个自抗扰控制器性能的综合评价指标H，H的表达式如下



其中c1、c2、c3为权重；H越小，控制器性能越好。


3.根据权利要求2所述的用于永磁同步电机矢量控制的自抗扰控制器参数自动调节系统，其特征在于所述的转速上升时间tu1为转速ω从零时刻第一次到达稳态值所需的时间；d轴电流上升时间tu2为d轴电流id从零时刻第一次到达稳态值所需的时间；q轴电流上升时间tu3为q轴电流iq从零时刻第一次到达稳态值所需的时间。


4.根据权利要求2所述的用于永磁同步电机矢量控制的自抗扰控制器参数自动调节系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨家强，李博群，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33