一种基于高通滤波线性反馈控制器优化的自抗扰控制方法技术

本发明专利技术涉及电机控制技术领域，具体的是一种基于高通滤波线性反馈控制器优化的自抗扰控制方法，包括以下步骤：S1、基于电机运动方程得到状态空间方程，将电机驱动系统中的总扰动扩展为新的状态变量，根据新的状态变量构建新的状态空间方程；S2、由新的状态空间方程构建扩张状态观测器，利用观测器观测出的转速反馈值和总扰动，利用总扰动进行前馈补偿；S3、设计高通滤波器、线性反馈控制器实现转速参考信号跟踪，抑制由于电机驱动系统内部扰动造成的转速周期性波动。本发明专利技术保留了线性ESO的整定参数较少的特点，减小了转速波动，降低了电机低速运行时转速中的谐波含量，使系统能够兼顾跟踪性能和抗扰性能，可以使得转速波动范围和谐波含量同时减小。波含量同时减小。波含量同时减小。

【技术实现步骤摘要】
一种基于高通滤波线性反馈控制器优化的自抗扰控制方法


[0001]本专利技术涉及电机控制
，具体的是一种基于高通滤波线性反馈控制器优化的自抗扰控制方法。

技术介绍

[0002]永磁同步电机具有结构简单，运行损耗低，功率密度高等优点，在低速伺服领域获得广泛应用和不断发展。在低速运行时，永磁同步电机本身的摩擦、齿槽转矩、负载转矩波动、反馈元件的误差等非线性因素影响更加明显，导致电机出现爬坡抖动现象，严重影响系统的控制性能。因此，永磁同步电机在低速运行时，速度平稳性和控制精度成为低速伺服系统的重要指标。
[0003]电机控制系统中存在大量周期性扰动，如齿槽转矩、磁链谐波、电压标定误差等。扩张状态观测器能够观测出的扰动频率随着带宽的增加而增大，然而增大带宽会引入噪声，降低系统稳定性能。相比于电机高速运行，在低速运行时，扩张状态观测器带宽引入的噪声对转速波动的影响较高，系统的稳定性能也较低。

技术实现思路

[0004]为解决上述
技术介绍
中提到的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于高通滤波线性反馈控制器优化的自抗扰控制方法。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0006]一种基于高通滤波线性反馈控制器优化的自抗扰控制方法，所述自抗扰控制方法包括以下步骤：
[0007]S1、基于电机运动方程得到状态空间方程，将电机驱动系统中的总扰动扩展为新的状态变量，根据新的状态变量构建新的状态空间方程；
[0008]S2、由新的状态空间方程构建扩张状态观测器，利用观测器观测出的转速反馈值和总扰动，利用总扰动进行前馈补偿；
[0009]S3、设计高通滤波器、线性反馈控制器实现转速参考信号跟踪，抑制由于电机驱动系统内部扰动造成的转速周期性波动。
[0010]进一步地，所述S1具体实施方式如下：
[0011]电机的运动方程表达式为：
[0012][0013]式中，ω
r
为电机的转速，J为电机的转动惯量，n
p
为电机的极对数，ψ
f
是电机的永磁体磁链，i
q
为q轴电流，T
L
为电机的负载转矩，B为电机的粘滞系数，f1是电机驱动系统中的未知扰动，其中，为电机系统的总扰动；
[0014]将电机的总扰动f扩张为新的状态变量x2，构建新的状态空间方程的表达式为：
[0015][0016]式中：x1，x2是系统的状态变量，b是控制增益，u是电机驱动系统速度环的控制量，y为电机驱动系统的输出，且x1＝ω
r
，x2＝f，
[0017]进一步地，所述S2的具体实施方式如下：
[0018]根据状态空间方程，对二阶系统建立对应的扩张状态观测器为：
[0019][0020]式中：β1，β2是扩张状态观测器的增益，z1，z2分别是状态变量x1，x2的观测值，e是中间变量。
[0021]进一步地，所述S2中采用带宽法确定观测器的增益：
[0022]令其中β1,β2是扩张状态观测器的增益，ω
b
是扩张状态观测器的带宽，根据系统动态性能的要求确定扩张状态观测器的带宽，从而确定观测器的增益，选择合适的扩张状态观测器增益，利用扩张状态观测器观测出的总扰动进行前馈补偿。
[0023]进一步地，所述S3中的具体过程如下：
[0024]利用高通滤波器提取转速反馈值中的高频信号，将其与原有反馈信号叠加，消除高频干扰，抑制电机控制系统中各类扰动造成的转速周期性波动，设计比例控制器实现无稳态静差控制；
[0025]所采用的自抗扰控制器的控制率如下：
[0026][0027]式中：ω
*
为给定转速，k
p
为比例系数，k
b
和ω0为高通滤波器的增益和截止频率，u0是未补偿的控制量。
[0028]进一步地，所述S3中得到扰动观测值z2和实际扰动f之间的传递函数：
[0029][0030]进而得到如下表达式：
[0031][0032]本专利技术的有益效果：
[0033]本专利技术对线性自抗扰控制器进行改进，将线性自抗扰控制算法与高通滤波器结合，将转速的观测值在高通滤波后与原有反馈叠加，实现对永磁同步电机的转速控制；与传
统线性自抗扰控制相比，可以有效抑制转速波动中的谐波含量。
[0034]因此，本专利技术能较大提高永磁同步电机驱动系统在低速下的转速稳定性能和抗扰性能。
附图说明
[0035]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
[0036]图1是本专利技术自抗扰控制方法的流程示意图；
[0037]图2是本专利技术自抗扰控制结构示意图；
[0038]图3是本专利技术高通滤波器的伯德示意图；
[0039]图4是本专利技术中传统PI控制、线性自抗扰控制、基于高通滤波器的线性自抗扰控制，三种控制方法下电机的转速波形对比示意图；
[0040]图5是本专利技术中传统PI控制、线性自抗扰控制、基于高通滤波器的线性自抗扰控制，三种控制方法下电机的谐波成分分析示意图。
具体实施方式
[0041]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0042]一种基于高通滤波线性反馈控制器优化的自抗扰控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0043]S1、将电机运动方程改写为状态空间方程，将电机驱动系统中的总扰动扩展为新的状态变量，根据新的状态变量构建新的状态空间方程；
[0044]S2、利用S1中新的状态空间方程构建扩张状态观测器，并将扩张状态观测观测出的总扰动z2进行前馈补偿；
[0045]S3、设计高通滤波器、线性反馈控制器实现转速参考信号跟踪，抑制由于电机驱动系统内部扰动造成的转速周期性波动。
[0046]由于电机内部扰动造成的转速波动具有很强的周期性，本专利技术采用高通滤波器来补偿转速中的谐波成分，保留了传统线性自抗扰控制器能够有效的观测突变扰动和低频扰动、并进行前馈补偿的优点，同时实现了对系统内部周期扰动造成的转速波动的补偿，即实现了对系统的高性能控制。
[0047]本专利技术对传统线性自抗扰控制策略进一步改进以获得更强的抗扰性能，下面结合图2对基于高通滤波器的线性反馈控制器优化的自抗扰控制进行阐述分析：
[0048]S1具体实施方式：
[0049]电机的运动方程表达式为：
[0050][0051]式中，ω
r
为电机的转速，J为电机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高通滤波线性反馈控制器优化的自抗扰控制方法，其特征在于，所述自抗扰控制方法包括以下步骤：S1、基于电机运动方程得到状态空间方程，将电机驱动系统中的总扰动扩展为新的状态变量，根据新的状态变量构建新的状态空间方程；S2、由新的状态空间方程构建扩张状态观测器，利用观测器观测出的转速反馈值和总扰动，利用总扰动进行前馈补偿；S3、设计高通滤波器、线性反馈控制器实现转速参考信号跟踪，抑制由于电机驱动系统内部扰动造成的转速周期性波动。2.根据权利要求1所述的一种基于高通滤波线性反馈控制器优化的自抗扰控制方法，其特征在于，所述S1具体实施方式如下：电机的运动方程表达式为：式中，ω
r
为电机的转速，J为电机的转动惯量，n
p
为电机的极对数，ψ
f
是电机的永磁体磁链，i
q
为q轴电流，T
L
为电机的负载转矩，B为电机的粘滞系数，f1是电机驱动系统中的未知扰动，其中，为电机系统的总扰动；将电机的总扰动f扩张为新的状态变量x2，构建新的状态空间方程的表达式为：式中：x1，x2是系统的状态变量，b是控制增益，u是电机驱动系统速度环的控制量，y为电机驱动系统的输出，且x1＝ω
r
，x2＝f，3.根据权利要求2所述的一种基于高通滤波线性反馈控制器优化的自抗扰控制方法，其特征在于，所述S2的具体实施方式...

【专利技术属性】
技术研发人员：房淑华，万鹏，何诣婷，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：