一种考虑电流饱和以及干扰抑制的永磁同步电机速度控制方法技术

本发明专利技术属于永磁同步电机控制技术领域，提供了一种考虑电流饱和以及干扰抑制的永磁同步电机速度控制方法，旨在有效保证电机电流始终处于所给定范围内，避免电流陷入饱和状态所导致的控制性能下降问题，同时保证系统的安全性，且无需使用电机加速度等难以获得的状态量，并能对永磁同步电机系统中存在的参数不确定性以及未知负载转矩扰动等干扰进行有效的估计并补偿，最终实现电机转速的快速、精准控制。在实际工业应用中无需配置多个传感器，一方面有利于减少系统搭建的成本，另一方面有助于提高系统的稳定性。综上所述，本发明专利技术所提出的技术方案具有重要的现实应用意义。的技术方案具有重要的现实应用意义。的技术方案具有重要的现实应用意义。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑电流饱和以及干扰抑制的永磁同步电机速度控制方法


[0001]本专利技术属于永磁同步电机控制
，更具体地，涉及一种能够有效避免电流饱和现象以及精准克服系统内、外干扰影响的永磁同步电机速度控制技术。

技术介绍

[0002]永磁同步电机具有功率因数高、动态响应快、效率高、损耗低、温升低等众多优点，在航空航天、医疗器械以及工业生产等领域起着重要的作用，诸如航空发动机作动筒、医疗机器人和多种机械设备都需要永磁同步电机作为动力源。近来，工业现代化的快速发展对永磁同步电机的工作效率以及控制精度等性能提出了更高的要求，因此设计高效率、高精度的永磁同步电机控制方法则显得尤为关键。然而，永磁同步电机系统具有复杂非线性、多变量以及强耦合等特点，给控制系统的设计带来了极大的挑战性。
[0003]目前，在工业领域内应用最为广泛的永磁同步电机速度环控制算法为PI控制方案，其一方面具有结构简单，易于调节等优点，但另一方面，其无法有效克服永磁同步电机系统中存在的因电机参数真实值与标称值不对应带来的参数不确定性以及由于负载突变造成的转矩扰动等干扰。为弥补PI控制策略在面对多源干扰时性能急剧下降的缺陷，众多研究者开始致力于设计具有高抗干扰能力以及强鲁棒性的控制方法，一些十分具有研究价值的控制方案也被陆续提出。需要指出的是，通过对现有技术的分析与总结，虽然永磁同步电机的控制取得了一定的进展，但其还存在一些重要的问题值得被深入分析且亟待解决：
[0004]1)大多数现有技术在进行永磁同步电机控制器设计时，忽略电流饱和问题，假定电机电流可以达到任意给定值，且未充分考虑电机在不合理电流工作状态下的安全问题。若在控制方法设计时，不考虑电流饱和及安全防护问题，一方面，在实际应用中，永磁同步电机电流不可能任意大，一旦计算出的电流值超过电机所能提供的电流上限值或者限幅值，控制算法将陷入饱和而失去调节能力，进而破坏控制效果，甚至导致系统不稳定；另一方面，永磁同步电机长时间工作于不合理的高电流状态下，会使电机温度急剧升高导致电机烧坏，进而可能造成严重的工业事故。
[0005]2)永磁同步电机在实际应用中面临着系统参数不确定性以及外界干扰等多种扰动的影响。一般而言，现有处理系统干扰的方法大多是采用的滑模控制策略，其在理论上具有克服系统干扰影响的强鲁棒性。然而，滑模控制需要高增益开关函数项来实现对干扰的抑制，这也带来了其在工业应用中的最大障碍—抖振问题。抖振现象不仅会影响控制精度，也会增加系统能耗，而且容易激发系统的高频未建模动态导致系统失稳。
[0006]3)部分现有技术在控制器设计时需要引入电机的加速度信号等难以直接测量的状态量，这给控制器的具体实现带来了困难。目前，随着传感技术的高速发展，已有部分之前无法直接获得的状态量可以通过相应传感器进行测量，然而此类高精度传感器的价格不菲，增加了永磁同步电机控制系统的成本，而昂贵的技术方案在实际工业应用中往往不被推崇。
[0007]综上所述，为在实现永磁同步电机高性能转速控制的同时，能够有效保证电机电流始终处于给定范围之内，且在避免或削弱滑模控制所带来抖振问题的前提下实现对系统干扰的高效抑制，同时不需要难以测量或测量成本高等一类状态量的使用，亟需一种有效的控制算法，进一步提高永磁同步电机系统的控制性能。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中永磁同步电机速度控制方法存在的不足，本专利技术提供了一种考虑电流饱和以及干扰抑制的永磁同步电机速度控制方法，旨在有效保证电机电流始终处于所给定范围内，且无需使用电机加速度等难以获得的状态量，并能对永磁同步电机系统中存在的参数不确定性以及未知负载转矩扰动等干扰进行有效的估计并补偿，最终实现电机转速的快速、精准控制。
[0009]本专利技术的技术方案：
[0010]一种考虑电流饱和以及干扰抑制的永磁同步电机速度控制方法，步骤如下：
[0011]步骤1：确定永磁同步电机速度环数学模型：
[0012]以电机的转子坐标d-q轴为参考坐标系，在充分考虑系统参数不确定性以及未知负载转矩干扰的前提下，建立永磁同步电机速度环数学模型：
[0013][0014]其中，w为电机转速，i
q
为q轴定子电流，也即待设计的永磁同步电机速度控制器，T
L
表示系统未知负载转矩，J
o
、K
to
以及B
o
分别表示转动惯量、转矩常数以及粘性摩擦系数的标称值，而J、K
t
和B则分别指的是转动惯量、转矩常数以及粘性摩擦系数的真实值，同时，Δa＝K
t
/J-K
to
/J
o
和Δb＝B/J-B
o
/J
o
表示系统参数真实值与标称值之间的差值；
[0015]将因系统参数不确定性带来的干扰以及未知负载转矩扰动集中表示为集总干扰项：
[0016]其满足如下有界条件：|d(t)|＜l1，其中，l1和l2为正常数；
[0017]则将永磁同步电机速度环数学模型进一步表示为
[0018]步骤2：永磁同步电机调速系统控制目标的确定：
[0019]2-1)电机转速快速精准追踪：
[0020]式中，w
*
表示永磁同步电机的给定速度；
[0021]2-2)电流饱和约束：
[0022]其中，I
max
表示永磁同步电机正常工作时所能允许的电流最大值；
[0023]2-3)干扰估计：利用干扰观测器，在线估计包括参数不确定性以及未知负载转矩在内的系统干扰；
[0024]步骤3：设计超螺旋干扰观测器，对永磁同步电机集总干扰进行精确估计：定义转速估计误差信号：
[0025]式中，表示永磁同步电机的估计速度；
[0026]进而给出如下所示的积分滑模面：
[0027]式中，λ为大于0的正常数；
[0028]所设计的超螺旋干扰观测器形式如下：
[0029]其中，f(t)为超螺旋干扰观测器的控制律，当干扰观测器趋于稳定时，其等效为集总干扰d(t)的观测值，f(t)的具体结构如下：
[0030]式中，sign(
·
)为开关函数，k1以及k2为满足如下条件的正常数：
[0031]步骤4：基于考虑系统参数不确定性以及未知负载转矩影响的系统模型，构造永磁同步电机速度控制器：
[0032]定义电机速度追踪误差：e＝w
*-w；
[0033]为实现电流约束的控制目标，引入饱和函数：
[0034]其中，n为大于等于0的常数；易知|Ψ(
·
)|≤1；
[0035]在避免引入电机加速度信号等难以获得状态量的前提下，构造如下类积分信号：
[0036]其中，Λ为辅助信号，k
i
表示正的常数，也为后续给出的永磁同步电机速度控制器的控制增益，则不难得知类积分信号的动态方程为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑电流饱和以及干扰抑制的永磁同步电机速度控制方法，其特征在于，步骤如下：步骤1：确定永磁同步电机速度环数学模型：以电机的转子坐标d-q轴为参考坐标系，在充分考虑系统参数不确定性以及未知负载转矩干扰的前提下，建立永磁同步电机速度环数学模型：其中，w为电机转速，i
q
为q轴定子电流，也即待设计的永磁同步电机速度控制器，T
L
表示系统未知负载转矩，J
o
、K
to
以及B
o
分别表示转动惯量、转矩常数以及粘性摩擦系数的标称值，而J、K
t
和B则分别指的是转动惯量、转矩常数以及粘性摩擦系数的真实值，同时，Δa＝K
t
/J-K
to
/J
o
和Δb＝B/J-B
o
/J
o
表示系统参数真实值与标称值之间的差值；将因系统参数不确定性带来的干扰以及未知负载转矩扰动集中表示为集总干扰项：其满足如下有界条件：|d(t)|＜l1，其中，l1和l2为正常数；则将永磁同步电机速度环数学模型进一步表示为步骤2：永磁同步电机调速系统控制目标的确定：2-1)电机转速快速精准追踪：式中，w
*
表示永磁同步电机的给定速度；2-2)电流饱和约束：其中，I
max
表示永磁同步电机正常工作时所能允许的电流最大值；2-3)干扰估计：利用干扰观测器，在线估计包括参数不确定性以及未知负载转矩在内的系统干扰；步骤3：设计超螺旋干扰观测器，对永磁同步电机集总干扰进行精确估计：定义转速估计误差信号：式中，表示永磁同步电机的估计速度；进...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙希明，张建一，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：