一种永磁同步电机自抗扰复合型控制系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种永磁同步电机自抗扰复合型控制系统及其控制方法，属于高精度伺服控制系统的技术领域；本发明专利技术通过预先建立永磁同步电机(PMSM)的数学模型，结合自抗扰控制器(ADRC)控制思想，搭建转速环一阶自抗扰模型；采用NLSEF+ESO的复合型控制策略，通过将传统的线性反馈替换成更高效的非线性反馈；利用扩张状态观测器(ESO)观测系统扰动并进行前馈补偿，并保留了线性ESO的整定参数较少的特点；利用辨识算法辨识转动惯量，将辨识出的转动惯量对系统控制量增益b0进行调整，使系统能适应不同的惯量情况。最终通过引入非线性反馈(NLSEF)生成控制量，使系统能够兼顾跟踪性能和抗扰性能，并且提高误差收敛速度。并且提高误差收敛速度。并且提高误差收敛速度。

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机自抗扰复合型控制系统及其控制方法


[0001]本专利技术涉及一种永磁同步电机控制系统，特别涉及一种永磁同步电机自抗扰复合控制系统，属于高精度伺服控制系统的


技术介绍

[0002]永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率和可靠性高、良好的低速运行性能等优点，应用范围也越来越广泛，尤其是在对电机性能、控制精度要求较高的场合和领域(比如高速度、高精度、高可靠性及高抗干扰能力)受到越来越多的关注。
[0003]由于高性能伺服系统要求其具有位置分辨率高，定位精度高，调速范围宽，低速稳定运行，无爬行现象，转矩脉动小，响应速度快，峰值转矩高，过载能力强，运行稳定性好等特点，再加上其控制策略的先进、可靠性高、可工作于恶劣环境等优点，已渗透到国防科技和民用高新技术产业的各个环节。
[0004]然而，永磁同步电机却是一个非线性、多耦合且时变的被控对象，它的运行易受本身参数变化、外部负载扰动和许多其他不确定因素的影响，仅仅依靠传统的控制策略已经难以满足要求，需要更加高级的控制策略。自抗扰控制技术便是其中之一。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：通过将传统的线性反馈替换成更高效的非线性反馈，并保留了线性ESO的整定参数较少的特点。将其应用到伺服系统转速环，该方法利用ESO同时对转速和扰动进行观测，利用观测的转速和扰动转矩分别作为反馈量和前馈补偿量，再经过NLSEF输出控制量，从而解决系统的跟踪精度和抗扰性能不能同时兼顾的问题，
[0006]技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术的一种永磁同步电机自抗扰复合型控制系统，包括如下模块：
[0007]位置观测模块，用于读取电机轴部光电编码器信号，实时读取电机转子的空间位置θ
e
，并计算出电机的机械角速度ω
m
，可为速度调节器提供速度反馈信号以及为坐标变换模块提供角度信号θ
e
；
[0008]电流环PI调节器，根据给定的电流环的I
q*
以及坐标变换模块计算的电流反馈信号I
q
，由电流误差调制出永磁同步电机转速控制所需的电压信号U
q
；
[0009]坐标变换模块，包括采用Clark变换将采集到三相电流I
A
、I
B
、I
C
转换成两相坐标系下的I
α
、I
β
，采用Park变换将两相坐标系下的I
α
、I
β
变换成旋转坐标系下的I
d
、I
q
，以及采用反Park变换将给定参考电压矢量U
sd
与U
sq
变换成两相坐标系下的参考电压矢量U
sα
与U
sβ
；
[0010]扩张状态观测器模块，用于对测得的转速和系统的综合扰动进行观测，并分别作为反馈量和前馈补偿量；
[0011]非线性状态误差反馈控制模块，用于根据所得的状态误差，进行非线性函数调整，利用其“小误差大增益，大误差小增益”的特点，输出控制量；
[0012]转动惯量辨识模块，用于根据系统测得的转速和转矩，使用自适应算法，辨识出系
统惯量，并补偿给自抗扰控制系数b0；
[0013]空间矢量调制模块，用于将给定参考电压矢量U
sα
与U
sβ
，调制成驱动逆变器的PWM脉冲信号；
[0014]逆变器模块，用于为永磁同步电机提供电压，根据三相开关PWM脉冲实现对三相开关的控制。
[0015]进一步地，所述的一种永磁同步电机自抗扰复合型控制系统的控制方法，包括如下步骤：
[0016]1)根据永磁同步电机的数学模型搭建转速环一阶自抗扰控制模型；
[0017]2)根据朗道离散算法搭建转动惯量辨识模型；
[0018]3)采集永磁同步电机的转速和电流，电流经坐标变换反馈回输入，通过PI控制构成闭环；转速经扩张状态观测器(ESO)反馈回输入，通过ADRC构成闭环系统；
[0019]4)将辨识出的转动惯量经过计算关系b0＝K
t
/J对系统控制量增益b0进行调整，使系统能适应不同的惯量情况；
[0020]5)采用非线性状态误差反馈，提升系统的跟踪性能和抗扰性能。
[0021]进一步地，所述步骤1)中，具体为：转速环一阶自抗扰控制模型包括一阶跟踪微分控制器，二阶线性扩张状态观测器和非线性状态误差反馈控制律；
[0022]一阶跟踪微分器模型为其中，z
11
为过渡后的信号；为z
11
地微分；r为速度因子；n为速度给定；
[0023]二阶线性扩张状态观测器模型为其中，z
21
为系统输出量y的观测值；z
22
为系统综合扰动得观测值；和分别为z
21
，z
22
的微分；β
01
和β
02
为观测器的可调参数，根据实际情况进行调整；b0为系统控制量增益；e1为观测误差。
[0024]非线性状态误差反馈控制律模型为其中，u0为误差反馈率的输出；β
11
为反馈比例系数；fal(e2,α,δ)为非线性函数，u为经过扰动补偿后的控制量输出。
[0025]进一步地，所述步骤2)中，转动惯量辨识模型包括：
[0026]参考模型，包括可调模型和梯度算法；
[0027]所述的参考模型为ω
m
(k)＝2ω
m
(k
‑
1)
‑
ω
m
(k
‑
2)+T
s
/J[T
e
(k
‑
1)
‑
T
e
(k
‑
2)]，所述可调模型为
[0028]所述梯度算法为其中，ω
m
(k)为当前时刻的实际转速；ω
m
(k
‑
1)上个时刻的实际转速；ω
m
(k
‑
2)为上上个时刻的实际转速；T
e
(k
‑
1)为
上个时刻的电磁转矩；T
e
(k
‑
2)为上上时刻的电磁转矩；为当前时刻的可调模型的转速；为k时刻可调模型的转动惯量；为k
‑
1时刻可调模型的转动惯量；T
s
为采样时间；U(k)＝T
e
(k
‑
1)
‑
T
e
(k
‑
2)；β为自适应增益。
[0029]进一步地，所述的步骤3)中，包括坐标变换矩阵如下，包括三相静止至两相静止的Clark变化T
3s/2s
、两相静止本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机自抗扰复合型控制系统，其特征在于，包括如下模块：位置观测模块，用于读取电机轴部光电编码器信号，实时读取电机转子的空间位置θ
e
，并计算出电机的机械角速度ω
m
，可为速度调节器提供速度反馈信号以及为坐标变换模块提供角度信号θ
e
；电流环PI调节器，根据给定的电流环的I
q*
以及坐标变换模块计算的电流反馈信号I
q
，由电流误差调制出永磁同步电机转速控制所需的电压信号U
q
；坐标变换模块，包括采用Clark变换将采集到三相电流I
A
、I
B
、I
C
转换成两相坐标系下的I
α
、I
β
，采用Park变换将两相坐标系下的I
α
、I
β
变换成旋转坐标系下的I
d
、I
q
，以及采用反Park变换将给定参考电压矢量U
sd
与U
sq
变换成两相坐标系下的参考电压矢量U
sα
与U
sβ
；扩张状态观测器模块，用于对测得的转速和系统的综合扰动进行观测，并分别作为反馈量和前馈补偿量；非线性状态误差反馈控制模块，用于根据所得的状态误差，进行非线性函数调整，输出控制量；转动惯量辨识模块，用于根据系统测得的转速和转矩，使用自适应算法，辨识出系统惯量，并补偿给自抗扰控制系数b0；空间矢量调制模块，用于将给定参考电压矢量U
sα
与U
sβ
，调制成驱动逆变器的PWM脉冲信号；逆变器模块，用于为永磁同步电机提供电压，根据三相开关PWM脉冲实现对三相开关的控制。2.基于权利要求1所述的一种永磁同步电机自抗扰复合型控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：1)根据永磁同步电机的数学模型搭建转速环一阶自抗扰控制模型；2)根据朗道离散算法搭建转动惯量辨识模型；3)采集永磁同步电机的转速和电流，电流经坐标变换反馈回输入，通过PI控制构成闭环；转速经扩张状态观测器ESO反馈回输入，通过ADRC构成闭环；4)将辨识出的转动惯量经过计算关系b0＝K
t
/J对系统控制量增益b0进行调整，使系统能适应不同的惯量情况；5)采用非线性状态误差反馈，提升系统的跟踪性能和抗扰性能。3.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机自抗扰复合型控制方法，其特征在于，所述步骤1)中，具体为：转速环一阶自抗扰控制模型包括一阶跟踪微分控制器，二阶线性扩张状态观测器和非线性状态误差反馈控制律；一阶跟踪微分器模型为其中，z
11
为过渡后的信号；为z
11
地微分；r为速度因子；n为速度给定；二阶线性扩张状态观测器模型为其中，z
21
为系统输出量y的观
测值；z
22
为系统综合扰动得观测值；和分别为z
21
，z
22
的微分；β...

【专利技术属性】
技术研发人员：白晨光，樊温新，邱鑫，杨建飞，葛浩锐，金振，李飞，陈秋仲，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：