CN107994815A - 永磁无刷直流电机调速系统的不匹配时变干扰抑制方法 - Google Patents

永磁无刷直流电机调速系统的不匹配时变干扰抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明请求保护一种永磁无刷直流电机调速系统的不匹配时变干扰抑制方法，该方法主要包括以下三步：首先，基于永磁无刷直流电机系统状态空间方程，在无干扰情况下设计基准控制器；其次，利用系统可测信息设计两个干扰观测器，分别用来估计系统匹配和不匹配时变干扰；最后，基于基准控制器并结合匹配和不匹配时变干扰估计值，设计最终的复合控制器。与传统线性控制方法相比，该方法既适用于多种类型时变干扰抑制情况，又可以同时抑制系统的匹配和不匹配时变干扰，满足了永磁无刷直流电机调速系统在高性能领域的应用需求。

Description

永磁无刷直流电机调速系统的不匹配时变干扰抑制方法
技术领域
本发明涉及永磁无刷直流电机的干扰抑制方法，尤其是一种永磁无刷直流电机调速系统的不匹配时变干扰抑制方法。
背景技术
永磁无刷直流电机是随着电力电子技术、制造业和新型材料的迅速发展而发展起来的一种新型直流电机，因其结构简单、运行可靠、维护方便、效率高、无励磁损耗以及调速性能好等一系列优点，广泛应用于航空航天、家用电器、仪器仪表、化工、医疗器械等工业领域。
干扰抑制技术一直是永磁无刷直流电机控制系统研究的热点之一，国内外众多学者已对此开展了相关研究，并取得了一定成果。如PI控制、自抗扰控制等(Sun Xiaokang，YiYang,Zheng Weixing,et al.Robust PI speed tracking control for PMSM systembased on convex optimization algorithm[C].Proceedings of 33rd Chinese ControlConference，Nanjing,China,2014:4294-4299.Han J Q.From PID to activedisturbance rejection control[J].IEEE Trans on Industrial Electronics,2009,56(3):900-906.)。然而传统的PI控制通常只能处理常值干扰，无法有效抑制斜坡、多项式、谐波等高阶形式干扰。自抗扰控制虽然能够实时估计干扰并抑制系统干扰，但是它只能处理慢变干扰，同样无法处理高阶形式干扰，同时，许多实际系统包括永磁无刷直流电机系统，往往存在不匹配干扰的情况，即干扰和控制输入不在同一通道，然而传统的PI及自抗扰控制无法有效处理系统中的不匹配干扰。
因此，设计一种永磁无刷直流电机调速系统的不匹配时变干扰抑制方法，可以实时估计并抑制匹配和不匹配干扰，对提高系统的抗扰性能非常重要。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种有效处理不匹配时变干扰，提高系统的抗扰性能的永磁无刷直流电机调速系统的不匹配时变干扰抑制方法。本发明的技术方案如下：
一种永磁无刷直流电机调速系统的不匹配时变干扰抑制方法，其包括以下步骤：
首先，基于永磁无刷直流电机系统状态空间方程，在无干扰情况下设计基准控制器；其次，利用系统可测信息设计两个干扰观测器，分别用来估计系统匹配时变干扰和不匹配时变干扰；最后，基于基准控制器并结合匹配时变干扰估计值和不匹配时变干扰估计值，设计最终的复合控制器，并根据该复合控制器进行变干扰抑制。
进一步的，所述在无干扰情况下设计基准控制器，具体包括步骤：
根据永磁无刷直流电机系统状态空间表达式：
y＝Cx
其中，C＝[1 0]，a11＝-B/J，a12＝kt/J，a21＝-ke/L，a22＝-R/L,b＝1/L，ke＝npψf，kt＝3npψf/2，u为控制量,J为转动惯量，B为粘滞摩擦系数，L为定子电感，R定子电阻，np为磁极对数，ψf为转子磁链，wr为给定转速，w，i分别为电机实际输出转速和电流，分别为输出转速和电流的导数。
根据上面所述的状态表达式可以设计基准控制器μb
μb＝krwr+k1w+k2i，
其中，wr为给定转速，w，i分别为电机实际输出转速和电流，kr,k1,k2为基准控制器参数，需满足：
kr＝(a11(a22+k2b)-a12(a21+k1b))/a12b，
k2<-(a11+a22)/b，
k1<(a11(a22+k2b)-a12a21)/a12b，
进一步的，所述干扰观测器设计具体包括：利用电机电流和转速设计干扰观测器GPIOⅠ如下：
其中，分别为的估计，m为正整数，lm,lm-1,lm-2,...,l0为观测器系数。
相应地，设计干扰观测器GPIOⅡ：
其中，u为控制量，分别为的估计，n为正整数，λn,λn-1,λn-2,...,λ0为观测器系数。
进一步的，所述复合控制器的设计具体包括步骤：基于基准控制器并结合匹配和不匹配时变干扰估计值，设计复合控制器为：
其中，kd＝[kd1 kd2]＝-[C(A+BKx)-1B]-1C(A+BKx)-1D，kx＝[k1 k2]，A,B,C,D为永磁无刷直流电机系统状态空间表达式的相关矩阵，kd为干扰估计的系数矩阵，kx基准控制器中系数矩阵，k1,k2为基准控制器中系数，kd1,kd2为为干扰估计的系数。
因此复合控制器可写为：
其中，kd1＝(a22+bk2)/a12b，kd2＝-1/b。
进一步的，所述干扰观测器GPIOⅠ和GPIOⅡ都为广义比例积分观测器。
本发明的优点及有益效果如下：
1、该方法能够对匹配干扰和不匹配干扰进行估计是一种主动控制方法。
2、该方法能够运用一个控制器实现对控制对象的控制及干扰抑制。
3、该方法能够同时估计并抑制匹配干扰及不匹配干扰。
4、相比于传统的PI控制器，该方法可以有效抑制高阶形式干扰，能够提高永磁无刷直流电机系统的抗扰性能。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例是控制系统框图。
图2是控制系统详细框图。
图3是复合控制器框图。
图4是在PI控制器和复合控制器下的转速曲线。
图5是在PI控制器和复合控制器下的电流曲线。
图6是在PI控制器和复合控制器下的控制量曲线。
图7是电机实际转速及其估计曲线。
图8是电机实际电流及其估计曲线。
图9是不匹配干扰d1的估计曲线。
图10是匹配干扰d2的估计曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本发明所述一种永磁无刷直流电机调速系统的不匹配时变干扰抑制方法，首先基于永磁无刷直流电机系统状态空间方程，在无干情况下设计基准控制器；其次，利用系统可测信息设计两个干扰观测器，分别用来估计系统匹配和不匹配时变干扰；最后，基于基准控制器，结合匹配和不匹配时变干扰估计值，设计最终的复合控制器。通过复合控制器对永磁直流无刷电机进行控制，能够实时估计并抑制匹配和不匹配干扰，从而可以提高电机系统的抗扰性能。
本实施例包括以下几个步骤：
步骤1：结合图1和图2组建一个永磁无刷直流电机调速系统。
如图1所示，控制系统包括复合控制器和广义对象，其中wr为给定转速，w输出转速，i输出电流，u为控制量，广义对象包含逆变器和电机。如图2所示，永磁无刷直流电机调速系统的不匹配时变干扰抑制方法是一种控制方法，包括基准控制器和两个干扰观测器，干扰观测器分别为GPIOⅠ和GPIOⅡ。
步骤2：如图3所示设计复合控制器。
如图3所示，复合控制器可设计为：
其中，kr,k1,k2,kd1,kd2为控制器参数，wr为给定转速，w为输出转速，i为输出电流，为不匹配干扰估计，为匹配干扰估计。
具体包括以下三个步骤：
(1)基准控制器的设计：在无干扰情况下永磁无刷直流电机系统建立系统状态空间表达式：
y＝Cx
其中，C＝[1 0]，a11＝-B/J，a12＝kt/J，a21＝-ke/L，a22＝-R/L,b＝1/L，ke＝npψf，kt＝3npψf/2，u为控制量,J为转动惯量，B为粘滞摩擦系数，L为定子电感，R定子电阻，np为磁极对数，ψf为转子磁链，wr为给定转速，w，i分别为电机实际输出转速和电流，分别为输出转速和电流的导数。。
根据上面所述的状态表达式可以设计基准控制器μb
μb＝krwr+k1w+k2i，
其中，wr为给定转速，w，i分别为电机实际输出转速和电流，kr,k1,k2为基准控制器参数，需满足：
kr＝(a11(a22+k2b)-a12(a21+k1b))/a12b，
k2<-(a11+a22)/b，
k1<(a11(a22+k2b)-a12a21)/a12b，
(2)干扰观测器设计：利用电机电流和转速设计干扰观测器GPIOⅠ如下：
其中，分别为的估计，m为正整数，lm,lm-1,lm-2,...,l0为观测器系数。
相应地，设计干扰观测器GPIOⅡ：
其中，u为控制量，分别为的估计，n为正整数，λn,λn-1,λn-2,...,λ0为观测器系数。
(3)复合控制器的设计：在有干扰情况下永磁无刷直流电机状态方程为：
y＝Cx
其中，d1为不匹配干扰，d2为匹配干扰。
基于基准控制器并结合匹配和不匹配时变干扰估计值，设计复合控制器为：
其中，kd＝[kd1 kd2]＝-[C(A+BKx)-1B]-1C(A+BKx)-1D，kx＝[k1 k2]，A,B,C,D为永磁无刷直流电机系统状态空间表达式的相关矩阵，kd为干扰估计的系数矩阵，kx基准控制器中系数矩阵，k1,k2为基准控制器中系数，kd1,kd2为为干扰估计的系数。
因此复合控制器可写为：
其中，kd1＝(a22+bk2)/a12b，kd2＝-1/b。
附图4可以看出，启动时，永磁无刷直流电机调速系统在复合控制器控制下迅速达到稳定值，系统超调量小，调节时间短。当在电机运行至25s时施加干扰，由图4可以明显看出，与PI控制器相比，复合控制器的抗扰性能更好。
附图5,6为电机在PI控制和复合控制方法下的电流及控制量的曲线。
附图7,8可以看出，干扰观测器对电机的转速和电流的估计效果良好。
附图9,10为不匹配干扰估计和匹配干扰估计的估计曲线。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种永磁无刷直流电机调速系统的不匹配时变干扰抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，基于永磁无刷直流电机系统状态空间方程，在无干扰情况下设计基准控制器；其次，利用系统可测信息设计两个干扰观测器，分别用来估计系统匹配时变干扰和不匹配时变干扰；最后，基于基准控制器并结合匹配时变干扰估计值和不匹配时变干扰估计值，设计最终的复合控制器，并根据该复合控制器进行变干扰抑制。
2.根据权利要求1所述的永磁无刷直流电机调速系统的不匹配时变干扰抑制方法，其特征在于，所述在无干扰情况下设计基准控制器，具体包括步骤：
根据永磁无刷直流电机系统状态空间表达式：
y＝Cx
其中，C＝[10]，a11＝-B/J，a12＝kt/J，a21＝-ke/L，a22＝-R/L,b＝1/L，ke＝npψf，kt＝3npψf/2，u为控制量,J为转动惯量，B为粘滞摩擦系数，L为定子电感，R定子电阻，np为磁极对数，ψf为转子磁链，wr为给定转速，w，i分别为电机实际输出转速和电流，分别为输出转速和电流的导数；
根据上面所述的状态表达式可以设计基准控制器μb
μb＝krwr+k1w+k2i，
其中，wr为给定转速，w，i分别为电机实际输出转速和电流，kr,k1,k2为基准控制器参数，需满足：
kr＝(a11(a22+k2b)-a12(a21+k1b))/a12b，
k2<-(a11+a22)/b，
k1<(a11(a22+k2b)-a12a21)/a12b。
3.根据权利要求2所述的永磁无刷直流电机调速系统的不匹配时变干扰抑制方法，其特征在于，所述干扰观测器设计具体包括：利用电机电流和转速对不匹配干扰d1设计干扰观测器GPIOⅠ如下：
其中，z0＝w，分别为w,的估计，m为正整数，lm,lm-1,lm-2,...,l0为观测器系数；
相应地，对不匹配干扰d2设计干扰观测器GPIOⅡ：
其中，u为控制量，η0＝i，分别为i,的估计，n为正整数，λn,λn-1,λn-2,...,λ0为观测器系数。
4.根据权利要求3所述的永磁无刷直流电机调速系统的不匹配时变干扰抑制方法，其特征在于，所述复合控制器的设计具体包括步骤：基于基准控制器并结合匹配和不匹配时变干扰估计值，设计复合控制器为：
其中，kd＝[kd1 kd2]＝-[C(A+Bkx)-1B]-1C(A+Bkx)-1D，kx＝[k1 k2]，A,B,C,D为永磁无刷直流电机系统状态空间表达式的相关矩阵，kd为干扰估计的系数矩阵，kx基准控制器中系数矩阵，k1,k2为基准控制器中系数，kd1,kd2为干扰估计的系数；
因此复合控制器可写为：
其中，kd1＝(a22+bk2)/a12b，kd2＝-1/b。
5.根据权利要求3或4所述的永磁无刷直流电机调速系统的不匹配时变干扰抑制方法，其特征在于，所述干扰观测器GPIOⅠ和GPIOⅡ都为广义比例积分观测器。
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