一种扩张双状态观测器及相应控制器构成的控制策略制造技术

本发明专利技术公开了一种扩张双状态观测器及相应控制器构成的控制策略。扩张双状态观测器将总扰动(永磁同步电机转速模型的负载转矩和内部扰动)和控制输入增益(由极对数、永磁磁链以及永磁同步电机转速模型的转子和负载转动惯量构成)视为两个扩张状态。该观测器根据容易获得的控制器输出信号和永磁同步电机转速信号进行估计。基于该观测器的转速控制方案无需已知转速模型参数和永磁磁链，且能够在转速模型存在扰动情况下，辨识时变的控制输入增益，提高了永磁同步电机控制系统在复杂工况下的适应能力。另外，基于扩张双状态观测器设计了能够适应转动惯量、永磁磁链和干扰转矩时变的转速控制方案。转速控制方案。转速控制方案。

【技术实现步骤摘要】
一种扩张双状态观测器及相应控制器构成的控制策略


[0001]本专利技术属于电机控制领域，具体涉及一种扩张双状态观测器及相应控制器构成的控制策略。

技术介绍

[0002]永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor,PMSM)由于其结构简单、高效率、高功率密度、大扭矩惯性比、低噪音、免维护等特点被广泛应用于多种领域，例如：工业机械臂、电动汽车、数控机床、机器人。然而，在一些应用领域，负载转动惯量难以测量或负载转动惯量存在时变现象(例如：绕线机、二自由度以上的机械臂)。同时，永磁磁链随温度变化而发生改变。这种实际系统参数和控制器设计中系统参数不匹配现象将导致永磁同步电机控制性能降低。工业现场中永磁同步电机控制系统存在未知负载转矩。因此，在未知负载转矩存在情况下辨识永磁同步电机转速模型控制输入增益具有重要意义。
[0003]本专利技术提出一种扩张双状态观测器(Extended two
‑
state observer,ETSO)和相应控制器构成的控制策略。与现有的扩张状态观测器相比，该观测器不仅能够估计永磁同步电机转速模型的总扰动(负载转矩和内部扰动)还能估计控制输入增益(由转子和负载转动惯量、极对数和永磁磁链构成)。与采用多个扩张状态观测器或多个滑模观测器估计负载转矩和转动惯量的方法相比，本专利技术仅采用一个观测器，且能够在负载转矩时变情况下估计控制输入增益，提高了永磁同步电机控制系统在复杂工况下的适应能力。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是推动相应
发展，提出一种扩张双状态观测器及相应控制器构成的控制策略以及设置有该算法的永磁同步电机。
[0005]本说明中表示x(t)的时间导数dx(t)/dt，基于dq坐标系的永磁同步电机模型可表示为
[0006][0007][0008][0009][0010]其中i
d
(t)、i
q
(t)、ω(t)、L
d
、L
q
、R
s
、ψ
f
、J(t)、n
p
、T
e
(t)、d(t)、u
d
(t)、u
q
(t)分别表示d轴电流、q轴电流、转子转速、d轴电感、q轴电感、定子电阻、定子磁链、转动惯量、极对数、电磁转矩、扰动转矩、d轴电压和q轴电压。扰动转矩d(t)包含了除电磁转矩以外的影响电机转速的各种转矩，例如：负载转矩、摩擦产生的转矩、齿槽效应、电机未建模动态。
[0011]本专利技术重点是在未知干扰情况下永磁同步电机转速模型控制输入增益辨识问题。因此，dq轴电流控制器将采用基于反馈解耦的PI电流控制器，整体控制框架采用磁场定向控制(FOC)，如图1所示。令电机转速参考值为ω
*
(t)。令d轴电流跟踪误差q轴电流跟踪误差其中为d轴电流参考值，为q轴电流参考值。在电流控制器的作用下e
d
(t)和e
q
(t)为较小值。令q轴电流参考值为u(t)，则式(4)可重写为
[0012][0013]令永磁同步电机转速模型控制输入增益a(t)：＝3n
p
ψ
f
/2J(t)，总扰动则式(3)可重写为
[0014][0015]考虑到实际控制系统的特性，假设存在正常数D1、D2、D3、D4和D5使得|f(t)|≤D1，D2≤a(t)≤D3，该假设允许控制输入增益a(t)和总扰动f(t)存在时变。
[0016]为了便于设计，将转速模型(6)重写为
[0017][0018][0019][0020]其中x1(t):＝ω(t)，(t):＝ω(t)，另外a0∈[D2，D3]为a(t0)的预估值，为预估误差，t0表示初始时刻。
[0021]由于实际控制系统中电流控制器输出存在物理限制，因此dq轴电流只能属于有限区间内。由于q轴电流环参考值因此在转速控制器设计中将u(t)设计为有界值，即存在一个正常数k1使得任意t≥t0都有|u(t)|≤k1。因此可得|h1(t)|≤D4+k1D5，|h2(t)|≤D5。
[0022]针对转速模型(7)
‑
(9)，扩张双状态观测器设计为
[0023][0024][0025][0026]其中和分别为x1(t)、x2(t)和x3(t)的估计值，α1、α2、α3、β1、β2和ε
为正常数，且α1α2＞α3，β1＞β2。非线性函数Γ1(α1，β1)、Γ2(α2，β2)和分别定义为
[0027][0028][0029][0030]上述激励条件共有四个，别称为激励A、激励B、激励C和激励D。如果激励条件都成立，根据转速模型(7)
‑
(9)和扩张双状态观测器(10)
‑
(12)得观测器误差模型
[0031][0032][0033][0034]其中为状态估计误差。
[0035]如果激励条件不都成立，根据转速模型(7)
‑
(9)和扩张双状态观测器(10)
‑
(12)得观测器误差模型
[0036][0037][0038]其中
[0039]根据转速模型(7)
‑
(9)中的参数定义和状态估计误差的定义可得
[0040]a(t)：＝x3(t)+a0ꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0041]f(t):＝x2(t)
‑
x3(t)u(t)
ꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0042]令为a(t)的估计，为f(t)的估计，可得
[0043][0044][0045]其中为a(t)估计误差，为f(t)估计误差。
[0046]令和则当激励条件都成立时式(13)
‑
(15)可重写为
[0047][0048]其中η(t)：＝[η1(t) η2(t) η3(t)]T
，A1(t)和B1(t)定义为
[0049][0050]如果A1(t)为Hurwib矩阵，则存在对称正定矩阵P1(t)使得李雅普诺夫方程A
1T
(t)P1(t)+P1(t)A1(t)+I＝0成立，其中
[0051][0052][0053][0054][0055][0056][0057]令激励A为|u
*
(t)|＜k1，激励B为其中u
*
(t)为控制器中间变量，σ1和σ2为正可调系数，且σ1≤σ2。根据B1(t)和P1(t)的定义，如果激励B满足，则存在一个正常数D6使得
[0058]||B
1T
(t)P1(t)||≤D6ꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0059]如果激励B满足，则A1(t)为Hurwib矩阵，进而得P1(t)为对称正定矩阵。令和分别为P1(t)在激励B满足情况下的最大和最小特征根。令Λ
max
为λ
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种扩张双状态观测器及相应控制器构成的控制策略，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，扩张双状态观测器根据转速控制器输出u(t)和预设的控制参数判断激励条件是否均满足；步骤2，若激励条件均满足则扩张双状态观测器为：步骤2，若激励条件均满足则扩张双状态观测器为：步骤2，若激励条件均满足则扩张双状态观测器为：其中和分别为x1(t)、x2(t)和x3(t)的估计值，α1、α2、α3和ε为正常数，且α1α2＞α3。状态变量x1(t)：＝ω(t)，其中ω(t)为电机转速，f(t)为总扰动，为预估误差；另外a0为a(t0)的预估值，t0表示初始时刻；若激励条件不都满足则扩张双状态观测器为若激励条件不都满足则扩张双状态观测器为若激励条件不都满足则扩张双状态观测器为其中β1和β2为正常数，且β1＞β2；步骤3，由于为控制输入增益a(t)的估计值，为f(t)的估计值；根据扩张双状态观测器获得的和以及控制器输出u(t)计算出和步骤4，根据转速参考信号、转速信号、和计算控制器输出u(t)；控制器输出u(t)根据下式获取；(t)根据下式获取；其中k1、k2、k3和k4为正常数，e(t)：＝x
r
(t)
‑
x1(t)为速度跟踪误差，x
r
(t)为参考速度，函数步骤5，以控制器输出u(t)为依据，计算q轴电流参考值且令d轴电流参考值
...

【专利技术属性】
技术研发人员：付兴贺，熊嘉鑫，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：