基于误差插入的永磁同步电机变结构自抗扰控制方法技术

本发明专利技术提出基于误差插入的永磁同步电机变结构自抗扰控制方法，在基于变结构原理设计的扩张状态观测器中引入位置、速度的观测误差以实现状态变量的无差估计；采用基于指数趋近律设计的非线性状态误差反馈控制律实现线性控制与非线性控制的平滑过渡，并在此基础上引入位置跟踪误差，提高伺服系统的跟踪性能，以解决同时更好、更准确的减小永磁同步电机变结构自抗扰控制中的位置跟踪误差并提高系统抑制外界扰动能力的难题。制外界扰动能力的难题。制外界扰动能力的难题。

【技术实现步骤摘要】
基于误差插入的永磁同步电机变结构自抗扰控制方法


[0001]本专利技术涉及电机
，尤其是基于误差插入的永磁同步电机变结构自抗扰控制方法。

技术介绍

[0002]永磁同步电动机(PMSM)作为典型的非线性多变量强耦合系统，特别是作为伺服驱动应用受到齿槽间隙、摩擦及未知机械参数等非线性因素的影响，使得线性控制难以满足高控制性能的要求。为实现高性能伺服控制，增强系统的控制精度、鲁棒性和响应速度，各类非线性控制算法不断被提出。在各类非线性控制策略中，自抗扰控制(ADRC)具有较好的鲁棒性，较高的控制精度以及较弱的模型依赖度，在众多控制领域得到了广泛应用。针对永磁同步电动机交流伺服系统，在自抗扰控制策略的基础上结合滑模变结构算法构成复合控制策略，既能克服单一控制策略存在的缺陷，又能提高伺服闭环控制系统的整体性能。
[0003]传统滑模变结构自抗扰控制器具有实现形式简单、动态响应快等优点。但传统变结构扩张状态观测器(ESO)由于其观测精度很大程度上取决于观测的扰动项，使其在观测过程中存在较大的估计误差；此外传统变结构非线性状态误差反馈控制律(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于误差插入的永磁同步电机变结构自抗扰控制方法，其特征在于：所述自抗扰控制方法基于的控制系统包括采集电路、三相逆变器、三相永磁同步电动机、转子位置角检测电路、三相绕组电流采集电路、控制器、隔离驱动、人机交互模块；采集电路包括电流检测电路、电压采样电路，其输出信号送到控制器的A/D转换模块，转子位置角检测电路输出的脉冲信号送给控制器QEP模块；转子位置角检测电路获得转子位置角θ
m
、转速ω
m
；电流检测电路获得的永磁同步电动机电流信号i
a
、i
b
、i
c
经坐标变换后分别得到d、q轴定子电流i
d
、i
q
；所述电机伺服驱动结构包括电流闭环控制模块和基于误差插入的位置环变结构自抗扰控制模块；所述位置环变结构自抗扰控制模块包括跟踪微分器TD、基于误差插入的滑模变结构ESO以及基于误差插入的滑模变结构NLSEF；所述控制方法以预设的程序产生位置给定θ
m*
并输入跟踪微分器TD求解，把控制器的最终输出量和转子位置数据输入滑模变结构ESO求解，滑模变结构NLSEF根据求解结果来计算电流闭环控制环节所需的跟踪量，通过联合基于误差插入的位置环变结构自抗扰控制和电流闭环控制，来提升伺服控制的速度和精度。2.根据权利要求1所述的基于误差插入的永磁同步电机变结构自抗扰控制方法，其特征在于：所述基于误差插入的滑模变结构ESO工作时，得到电动机转子位置角的观测值z
p1
、转速的观测值z
p2
以及扰动的观测值z
p3
，并将观测值z
p1
、z
p2
以及z
p3
与实际测量的转子位置角θ
m
、转速ω
m
以及计算得到的总扰动a
p1
作差，分别输出位置角观测误差e
p1
、转速观测误差e
p2
、总扰动观测误差e
p3
；选择ESO滑模切换函数s1′
＝c1e
p1
+c2e
p2
+e
p3
，c1、c2为ESO滑模面参数；基于李雅普诺夫稳定性定理，设计ESO观测器的趋近律函数
‑
c1e
p2
‑
c2e
p3
‑
k1sign(s1′
)，对该趋近律函数积分输出总扰动观测值z
p3
，其中k1为ESO滑模切换函数增益、sign(
·
)为符号函数；把z
p2
、e
p1
通过c1负反馈值
‑
e
p1
c1同时送给积分器输出转子位置角观测值z
p1
；把z
p3
、e
p2
通过c2负反馈值
‑
e
p2
c2同时送给积分器输出转速观测值z
p2
，进一步提高观测器的观测精度。3.根据权利要求2所述的基于误差插入的永磁同步电机变结构自抗扰控制方法，其特征在于：所述基于误差插入的滑模变结构NLSEF工作时，把TD求解的位置给定值v
p1
、转速给定值v
p2
与ESO求解的转子位置观测值z
p1
、转速观测值z
p2
作差，分别得到转子位置跟踪误差ε
p1
、转速跟踪误差ε
p2
，选择NLSEF滑模切换函数s2′
＝c3ε
p1
+ε
p2
，c3为NLSEF滑模面参数；为确保被控电动机转子位置角能够快速且稳定地收敛到位置给定，设计NLSEF趋近律函数为
‑
c3ε
p2
‑
k3ε
p1
‑
k2sign(s2′
)
‑
k4s2′
，k2为NLSEF滑模切换函数增益，k3与k4均为正常数；其中基本控制量u0＝
‑
c3ε
p2
‑
k3ε
p1
‑
k2sign(s2′
)
‑
k4s2′
，经过扰动补偿后最终获得电流给定值4.根据权利要求3所述的基于误差插入的永磁同步电机变结构自抗扰控制方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤；步骤S1、位置给定θ
m*
输入跟踪微分器TD，输出位置给定滤波值v
p1
及速度给定v
p2
；步骤S2、把总扰动a
p1
、q轴电流给定与位置控制增益b
p
的乘积转子位置角θ
m
输入误差插入的滑模变结构ESO，输出位置角观测值z
p1
、速度观测值z
p2
、总扰动观测值z
p3
；步骤S3、v
p1
与z
p1
做差输出位置跟踪误差ε
p1
；v
p2
与z
p2
做差输出速度跟踪误差ε
p2
；把ε
p1
、ε
p2
送给误差插入的滑模变结构NLSEF输出基本控制量u0；u0与z
p3
做差后，再除以b
p
后输出
i
q*
；步骤S4、利用上述步骤所得值，以电流闭环控制环节实现电动机d轴电流i
d
、q轴电流i
q
分别跟踪对应的给定5.根据权利要求4所述的基于误差插入的永磁同步电机变结构自抗扰控制方法，其特征在于：步骤S1中，跟踪微分器TD输入及输出关系如下：式中，r
p
表示跟踪加速度因子，h0为滤波因子，取h0适当大于采样步长h以消除跟踪过程出现的抖颤现象，更快地对微分信号中存在的噪声进行过滤；为最速函数，其表达式为：式中，sign(
·
)为符号函数；d、a、a0、a1、a2、f
y
、f
a
、y均为中间变量。6.根据权利要求4所述的基于误差插入的永磁同步电机变结构自抗扰控制方法，其特征在于：步骤S3中：所述v
p1
与z
p1
做差输出位置跟踪误差ε
p1
、v
p2
与z
p2
做差输出速度跟踪误差ε
p2
，对应的公式为：其中，z
p1
为位置角观测值，z
p2
为速度观测值；所述把ε
p1
、ε
p2
送给误差插入的变结构NLSEF输出基本控制量u0，对应的公式为：
式中，c3为NLSEF滑模面参数，k2为NLSEF滑模切换函数增益，k3与k4均为正常数；所述u0与z
p3
做差后，再除以b
p
后输出i
q*
，对应的公式为i
q*
＝(u0‑
z
p3
)/b
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式五。7.根据权利要求4所述的基于误差插入的永磁同步电机变结构自抗扰控制方法，其特征在于：步骤S1、S2中，转子位置角θ
m
、转速ω
m
、总扰动a
p1
分别与对应观...

【专利技术属性】
技术研发人员：周扬忠，张臻，钟天云，屈艾文，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：