CN108306568B - 电梯用pmsm抗负载扰动的自适应积分反步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电梯用PMSM抗负载扰动的自适应积分反步控制方法。将电机速度w与给定电机速度w^*相比较，得到转速误差e；根据反馈的电机速度w和电磁转矩T_e估算出负载转矩τ_L；将估算出的负载转矩τ_L和转速误差e输入到自适应积分反步控制器里进行调节，消除速度的稳态误差从而得到定子电流在旋转坐标系d‑q下q轴的虚拟控制量

将励磁电流分量

作为参考值输入电流环中，与经过坐标变换之后的定子电流i_d作差，得到d轴定子电流误差e_d；根据q轴定子电流误差e_q和d轴定子电流误差e_d计算获得控制电压u_d和u_q；将u_d和u_q通过park逆变之后输入到SVPWM脉宽调制模块产生驱动逆变器所需的脉冲信号，从而驱动电机运行。本发明提高了电梯电动系统的鲁棒性，并且增强电梯的舒适性和快速性。

Description

电梯用PMSM抗负载扰动的自适应积分反步控制方法

技术领域

本发明属于电机智能控制技术领域，特别是一种电梯用PMSM抗负载扰动的自适应积分反步控制方法。

背景技术

电梯是建筑中常见的一种交通工具。随着时代的日益发展，人们对电梯的高速性、稳定性及节能性提出了更高的要求。由于永磁同步电机(PMSM)具有结构简单、运行可靠、体积小、效率高等优点，因此被广泛应用于电梯速度控制系统中。不断变化的各种复杂应用环境，使得电梯电动系统的控制策略需要不断地优化与更新。

在电梯曳引调速系统中，经常使用PI控制器来对系统调速。该控制器虽然使用起来较为方便，但是说到底还是属于线性控制器。而永磁同步电机是一个非线性时变系统，且对参数变化比较敏感。因此，虽然PI控制算法简单，但在类似电机这种要求高精度控制系统中效果并不好。自适应反步控制作为一种新型的非线性控制方法，可将复杂的模型分成若干个子系统，简化了设计。同时针对参数的不确定性进行估算，对速度的稳态误差进行改进，提升电梯运行时的舒适性和快速性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电梯用PMSM抗负载扰动的自适应积分反步控制方法，针对永磁同步电机非线性、参数不确定性、负载扰动等因素，采用基于抗负载扰动的自适应基本反步控制方法，提高了电梯电动系统的鲁棒性，并且增强电梯的舒适性和快速性。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种电梯用PMSM抗负载扰动的自适应积分反步控制方法，步骤如下：

步骤1，建立同步旋转坐标系d-q下的永磁同步电机数学模型，转换成状态方程；将反馈得到的电机速度w与给定的电机速度w^*相比较，得到转速误差e；根据反馈的电机速度w和电磁转矩T_e，通过负载转矩观测器估算出负载转矩τ_L；然后将估算出的负载转矩τ_L和转速误差e输入到自适应积分反步控制器里进行调节，消除速度的稳态误差从而得到定子电流在旋转坐标系d-q下q轴的虚拟控制量

步骤2，将电机三相电流i_a、i_b、i_c经clark变换和park变换得到实际定子电流在旋转坐标系d-q下的分量i_d、i_q，将i_q与

作差得到q轴定子电流误差e_q；将励磁电流分量

作为参考值输入电流环中，与经过坐标变换之后的定子电流i_d作差，得到d轴定子电流误差e_d；定子电压计算模块根据输入的q轴定子电流误差e_q和d轴定子电流误差e_d计算获得控制电压u_d和u_q；

步骤3，将获得的控制电压u_d和u_q通过park逆变之后输入到SVP WM脉宽调制模块产生驱动逆变器所需的脉冲信号，从而驱动电机运行；

步骤4，重复步骤1-3，直至电机转速达到给定指标。

进一步，所述同步旋转坐标系d-q下的永磁同步电机数学模型如下式所示，

式中：i_d、i_q、u_d、u_q为曳引机定子电流和定子电压在d、q轴上的分量，w为曳引机转子的机械角速度，R、L、ψ_f分别为定子电阻、电感和永磁磁链，n_p为磁极对数，B为曳引机的粘滞摩擦系数，J为调速系统等效在曳引轮上的转动惯量，T_e为电磁转矩，T_f为制动轮与抱闸间的摩擦力矩，T_l为钢丝绳与曳引轮间的摩擦力矩，T_μ为其他未知因素引起的摩擦力矩；τ_L为等效在曳引轮上的摩擦转矩，且有：

进一步，负载转矩观测器的方程如下：

其中，

为状态变量估计值，

为w的观测值，

为负载转矩τ_L的观测值，

是对

求导，T为转置。

进一步，虚拟控制量

计算方法如下所示，

其中，速度跟踪误差

其中k_I为正常数，k为可调参数，k＞0。

进一步，获得控制电压u_d和u_q的方法为：

其中，k1和k2为可调参数，k1、k2＞0。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明在矢量控制的基础上，通过自适应积分反步控制对电机转速、转矩进行控制，有助于对电梯用永磁同步电机非线性模型进行解耦控制，在定子转矩电流中加入积分项进行补偿，提高电机的跟踪精度；

(2)本发明同时针对电梯负载扰动，将一种新型的负载转矩观测加入转矩电流中，减小扰动对系统的影响；

(3)本发明适用于电梯用永磁同步电机系统，考虑到电梯的舒适性和快速性。不仅满足电梯高精度的控制要求，而且可以减小运行中的各种扰动，具有很强的鲁棒性能。

附图说明

图1为适用本发明的电梯用PMSM抗负载扰动的自适应积分反步控制系统示意图。

图2为本发明的新型负载转矩观测器的设计流程图。

图3为本发明的自适应积分反步控制器设计流程图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明电梯用PMSM抗负载扰动的自适应积分反步控制方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

结合图1-3，电梯用PMSM抗负载扰动的自适应积分反步控制方法，将转矩观测器和自适应反步积分控制应用于基于SVPWM(电压空间矢量)的矢量控制系统中，其工作过程包括以下步骤：

步骤1，建立同步旋转坐标系d-q下的永磁同步电机(PMSM)数学模型，转换成状态方程；给电机一个给定速度w^*，将反馈得到的电机速度w与给定速度w^*相比较，得到转速误差e；根据电动机反馈的速度w与电磁转矩T_e，通过负载转矩观测器估算出负载转矩τ_L；然后将估算出的负载转矩τ_L和转速误差e输入到自适应积分反步控制器里进行调节，消除速度的稳态误差从而得到定子电流在旋转坐标系d-q下q轴的虚拟控制量

。

步骤1-1：建立同步旋转坐标系d-q下的永磁同步电机数学模型，其如下式所示，

式中：i_d、i_q、u_d、u_q为曳引机定子电流和定子电压在d、q轴上的分量，w为曳引机转子的机械角速度，R、L、ψ_f分别为定子电阻、电感和永磁磁链，n_p为磁极对数，B为曳引机的粘滞摩擦系数，J为调速系统等效在曳引轮上的转动惯量，T_e为电磁转矩，T_f为制动轮与抱闸间的摩擦力矩，T_l为钢丝绳与曳引轮间的摩擦力矩，T_μ为其他未知因素引起的摩擦力矩；τ_L为等效在曳引轮上的摩擦转矩(包括扰动转矩)，且有：

由式(1)可知PMSM的运动方程为：

当电机的控制周期很短，频率高，认为在同一个周期内的负载转矩τ_L不变，即有：

将电机转速和负载转矩作为观测对象，根据式(3)和式(4)得到系统的状态方程为：

其中，x＝[w τ_L]^T，

D＝[1 0]，输入u＝T_e，输出y＝w。

步骤1-2：构造新型负载转矩观测器，即在传统的观测器基础上增加了比例项，

负载转矩观测器的方程如下：

其中，

为状态变量估计值，

为w的观测值，

为负载转矩τ_L的观测值，通过式(7)设计观测器可得到负载转矩输出

是对

求导。

步骤1-3：获取定子电流q轴的虚拟控制量

在自适应反步控制中结合反步法与自适应控制思想，定义速度跟踪误差为e＝w^*-w(w为反馈得到的速度，w^*为给定速度)求导并结合式(1)可得：

为了消除速度误差，构造如下加入速度误差积分作用的Lyapunov函数

其中，

其中k_I为正常数，对式(9)求导可得：

为了使式(10)满足

系统稳定条件，令

其中k为可调参数k＞0，可得定子电流q轴的虚拟控制量：

步骤2，根据使用传感器测量获得的三相电流i_a、i_b、i_c，经过clark变换和park变换得到实际定子电流i_d、i_q，将i_q与

作差得到q轴定子电流误差e_q；将励磁电流分量

作为参考值输入电流环中，与经过坐标变换之后的定子电流i_d作差，得到d轴定子电流误差e_d；定子电压计算模块根据输入的q轴定子电流误差e_q和d轴定子电流误差e_d计算获得控制电压u_d和u_q。

在实现了速度控制的基础上，需要对定子电流实现跟踪，考虑到电机参数R、B、L、J、f的不确定性，其中L、J、f可以通过相应的实验估算测得，而电机在运行过程中定子电阻R和摩擦因数B变化较大，可以设计自适应率进行在线估算，解决参数的不确定性，同时将观测到的负载转矩

代入。

令

其中

和

为估计值，R和B为标称值，ΔR和ΔB为估计误差。

此时选择的d、q轴的参考电流如下：

定义电流跟踪误差：

其中，e_q为q轴定子电流误差，e_d为d轴定子电流误差。

此时，e、e_d、e_q构成新的方程，分别对式(13)中e_d、e_q和e求导有：

为了使整个曳引系统快速无误差跟踪，构造如下Lyapunov函数：

其中，r₁、r₂＞0，对式(15)求导可得：

为了使式(16)满足

设计实际的定子电压d、q轴的控制量为：

其中，k1和k2为可调参数，k1、k2＞0。自适应率为：

将式(17)和式(18)代入式(16)中，可以得到此时

恒成立，说明加入积分和负载观测的自适应反步控制器是收敛的，电机调速系统可以实现转速和电流的跟踪。

步骤3，将得到的控制电压u_d和u_q通过park逆变之后输入到SVP WM脉宽调制模块，这样就可以产生驱动逆变器所需的脉冲信号，从而驱动电机运行。

步骤4，重复步骤1-3，直至电机转速达到给定指标。

Claims (1)

1.电梯用PMSM抗负载扰动的自适应积分反步控制方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1，建立同步旋转坐标系d-q下的永磁同步电机数学模型，转换成状态方程；将反馈得到的电机速度w与给定的电机速度w^*相比较，得到转速误差e；根据反馈的电机速度w和电磁转矩T_e，通过负载转矩观测器估算出负载转矩τ_L；然后将估算出的负载转矩τ_L和转速误差e输入到自适应积分反步控制器里进行调节，消除速度的稳态误差从而得到定子电流在旋转坐标系d-q下q轴的虚拟控制量

步骤2，将电机三相电流i_a、i_b、i_c经clark变换和park变换得到实际定子电流在旋转坐标系d-q下的分量i_d、i_q，将i_q与

作差得到q轴定子电流误差e_q；将励磁电流分量

作为参考值输入电流环中，与经过坐标变换之后的定子电流i_d作差，得到d轴定子电流误差e_d；定子电压计算模块根据输入的q轴定子电流误差e_q和d轴定子电流误差e_d计算获得控制电压u_d和u_q；

步骤3，将获得的控制电压u_d和u_q通过park逆变之后输入到SVPWM脉宽调制模块产生驱动逆变器所需的脉冲信号，从而驱动电机运行；

步骤4，重复步骤1-3，直至电机转速达到给定指标；

所述同步旋转坐标系d-q下的永磁同步电机数学模型如下式所示，

式中：i_d、i_q、u_d、u_q为曳引机定子电流和定子电压在d、q轴上的分量，w为曳引机转子的机械角速度，R、L、ψ_f分别为定子电阻、电感和永磁磁链，n_p为磁极对数，B为曳引机的粘滞摩擦系数，J为调速系统等效在曳引轮上的转动惯量，T_e为电磁转矩，T_f为制动轮与抱闸间的摩擦力矩，T_l为钢丝绳与曳引轮间的摩擦力矩，T_μ为其他未知因素引起的摩擦力矩；τ_L为等效在曳引轮上的摩擦转矩，且有：

负载转矩观测器的方程如下：

其中，

为状态变量估计值，

为w的观测值，

为负载转矩τ_L的观测值，

是对

求导，T为转置；

虚拟控制量

计算方法如下所示，

其中，速度跟踪误差e＝w^*-w，

其中k_I为正常数，k为可调参数，k>0；

获得控制电压u_d和u_q的方法为：

其中，k1和k2为可调参数，k1、k2>0，

为R的估计值，

为B的估计值。

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