CN109889113A - 一种基于自抗扰控制的永磁电机变数扫描控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自抗扰控制的永磁电机变数扫描控制系统，所述控制系统采用速度‑电流q‑d双轴闭环控制结构，包括自抗扰控制模块、第一电流控制器、第二电流控制器、第一PARK逆变换模块、第二PARK逆变换模块、CLARK变换模块、空间矢量脉宽调制器SVPWM、三相逆变器、速度与角度计算模块；所述自抗扰控制模块、第一电流控制器、第一PARK逆变换模块、空间矢量脉宽调制器SVPWM和三相逆变器形成连接链路，所述第一PARK逆变换模块还连接第二电流控制器和第二PARK逆变换模块；所述第二PARK逆变换模块还与CLARK变换模块相连。本发明所述的永磁电机变速扫描控制系统中，得到了优于PID控制的系统性能，证明了自抗扰控制策略在复杂环境下变速扫描控制的性能优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种电机控制系统，特别涉及到一种基于自抗扰控制的永磁电机变数扫描控制系统。
背景技术
永磁同步电机(PMSM)具有转矩脉动小，调速范围大，高精度高效率，低惯量低噪声等特点，自上个世纪末开始在不同领域的控制系统中得到了广泛的应用。在工程上，目前控制系统最普遍采用的调速控制策略仍然是经典的PID控制，其工作原理是，根据被控量与给定参考指标的偏差，利用比例参数及积分参数，生成控制量，达到缩减误差并消除稳态误差的控制效果。PID控制策略具有结构简单，控制性能较好，参数少且物理意义明确等优点，但也带来了快速响应和超调之间的矛盾。此外，PID控制策略特定参数不能适应于变化的转速范围，应用于电机变速转速跟踪时，其局限性较大，需要实时调整。
永磁同步电机是时变，强耦合性的非线性系统，为适应复杂环境下的电机变速跟踪扫描，需要为永磁同步电机调速系统引入性能更好、适用性更强的控制算法，提高电机的转速响应，稳定性及抗干扰能力等系统性能。针对这一需求，韩京清教授提出了自抗扰控制技术。自抗扰控制技术保留了传统PID控制根据误差生成控制量来消除误差的核心思想，具有有响应平滑，参数适应性广，抗扰动能力强等优点，同时也因为算法参数较多，计算逼近状态量，不能即时输出而导致滞后，应用于匀速扫描时其稳定性较高，但对于变速扫描跟踪，滞后性会导致跟踪失准的问题。
发明内容
本发明提出了一种自抗扰控制的永磁电机变数扫描控制系统，有效简化了自抗扰控制模块对扰动估测的算法，既能做到电机的快速响应，又可以实时减少扰动带来的影响。
为此，本发明采用如下技术方案：
一种基于自抗扰控制的永磁电机变数扫描控制系统，如图1所示，所述控制系统采用速度-电流q-d双轴闭环控制结构，包括自抗扰控制模块、第一电流控制器、第二电流控制器、第一PARK逆变换模块、第二PARK逆变换模块、CLARK变换模块、空间矢量脉宽调制器SVPWM、三相逆变器、速度与角度计算模块；所述自抗扰控制模块、第一电流控制器、第一PARK逆变换模块、空间矢量脉宽调制器SVPWM和三相逆变器形成连接链路，所述第一PARK逆变换模块还连接第二电流控制器和第二PARK逆变换模块；所述第二PARK逆变换模块还与CLARK变换模块相连；
所述自抗扰控制模块获取误差信号及扰动估计量，计算输出控制量作为电流环q轴电流参考值输入，经过第一电流控制器输出控制量作为q轴电压参考输入量，保持d轴电流为0，经过第二电流控制器输出控制量作为d轴电压参考输入量，此时q轴和d轴的电压输入量经过第一PARK逆变换模块、和空间矢量脉宽调制器SVPWM生成PWM波形，并通过三相逆变器生成电机三相电流，实现电机的矢量控制；所述电机三相电流还经CLARK变换模块转换为静止坐标下的电流量，再经第二PARK逆变换模块转换为旋转的d和q轴电流值，用以控制系统的计算输出；所述速度与角度计算模块用于同步获取角度信息，计算得到控制系统所需速度反馈量。
其中，所述自抗扰控制模块如图2所示，由跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO和非线性状态误差反馈控制律NLSEF组成，
所述跟踪微分器TD的输入值为电机参考转速w*,输出值为v1，其控制形式如下：
其中，e1为跟踪微分器TD的输入值与输出值的差值，因输入值与输出值相等，则为e1等于0；
所述扩张状态观测器ESO的控制形式如下：
其中，w为电机输出实际转速；z1为跟踪信号；z2为对系统扰动量的估计值；e2为跟踪信号z1与电机输出实际转速w的差值；β1为扩张状态观测器ESO对实测转速w的逼近参数；β2为扩张状态观测器ESO扰动观测的逼近参数；h为计算步长，等于执行频率的倒数；b为扰动补偿系数，u为系统实测电流；
所述非线性状态误差反馈控制律NLSEF的控制形式如下：
其中，e3为电机参考转速w*与电机实测转速w的差值；e4为e3的误差积分项；k1为比例系数，k2为积分系数，u0为通过线性组合得到的非线性状态误差反馈控制律输出项，u为z2作为扰动项进行前馈补偿后得到控制量。
本发明采用以上技术方案，具有如下优势：
1.将自抗扰控制模块应用于永磁电机变数扫描控制系统中，得到了优于PID控制的系统性能，证明了自抗扰控制策略在复杂环境下变速扫描控制的性能优势。
2.自抗扰控制模块用线性函数代替非线性函数，有效减少可调参数，降低算法复杂度；NLSEF中参考PID控制器增加积分项参与计算，以消除静差，并在参数整定时引入积分系数，将参数细化，小误差大增益，大误差小增益，防止震荡；变速扫描状态下，TD环节提供的平滑过程及ESO的逼近计算导致延时跟踪的效果，因此取消TD环节，参考转速直接作为TD输出，同时保留ESO模块的计算方式，用实测转速取代输出，状态量观测计算过程用于得到对扰动项的估测量，参与计算得到控制量输出。
附图说明
图1为本发明基于自抗扰控制的永磁电机变数扫描控制系统框图。
图2为本发明自抗扰控制模块框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、特征和优点更加的清晰，以下结合附图及实施例，对本发明的一种具体实施方式做出更为详细的说明，在下面的描述中，阐述了很多具体的细节以便于充分的理解本发明，但是本发明能够以很多不同于描述的其它方式来实施，因此，本发明不受以下公开的具体实施例的限制。
我们以下面的永磁同步电机为例，所要求的永磁同步电机工作状态下需要实现周期严格精确的慢扫快回摆扫，匀速慢扫转速7.5°/s；而为保证相机高稳定性成像质量，要求电机零速启动响应快，稳态精度高于±2.5％。将快速回扫速度设定为正弦曲线，使电机快速回到起始位置，同时转速调整至7.5°/s继续下个周期的慢速，因此要求其跟踪准确，超调小，抗扰能力强，相应指标为：角度定位精度高于0.005°，扫描周期时间波动小于±0.005s。
所选用的永磁同步电机控制系统PMSM选用如图1所示：电流环依然采用传统PID控制，用自抗扰控制模块作为速度环控制。永磁同步电机搭载钛合金惯量盘，其参数如下：峰值转矩2.55Nm，极对数6，峰值电流10A，线电阻8.05Ω，线电感10mH，磁链强度0.389Wb，永磁同步电机惯量盘及转子惯量之和0.14kg·m2。
实际用于控制时需要调节的参数有TD速度因子r、扩张状态观测器ESO对实测转速w的逼近参数β1、扩张状态观测器ESO扰动观测的逼近参数β2、为比例系数k1，为积分系数k2。其中TD速度因子r决定了跟踪信号趋近于给定参考量的速度，β1和β2主要决定了ESO的收敛性能，满足：w0为ESO带宽。
自抗扰控制模块参数的选取如下：1)速度环自抗扰控制模块：考虑到匀速和慢扫快回扫描测试转速不超过60°/s，取速度因子r＝100；步长根据速度环执行频率1kHz取h＝0.001；取ESO带宽w0＝80～120°/s，有2倍裕量，实验中取100°/s，则有β1＝2w0＝200,比例系数k1＝100，积分系数k2＝0.0015。
电机转速为零条件下，给定参考转速10°/s，待电机稳定后再使其转速增至20°/s，经实验分析得出，采用PID控制，电机零速启动至10°/s，超调9.5％，转速稳定后误差保持在±1.5％。而采用ADRC控制算法，电机从零速到10°/s，增至20°/s响应时间均为75ms，零速启动超调为6％，变速几乎无超调，稳态误差在±1.0％范围内波动，相比于PID控制器，稳态精度提高三分之一，做到了快速且超调较小的阶跃响应。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于自抗扰控制的永磁电机变数扫描控制系统，其特征在于：所述控制系统采用速度-电流q-d双轴闭环控制结构，包括自抗扰控制模块、第一电流控制器、第二电流控制器、第一PARK逆变换模块、第二PARK逆变换模块、CLARK变换模块、空间矢量脉宽调制器SVPWM、三相逆变器、速度与角度计算模块；所述自抗扰控制模块、第一电流控制器、第一PARK逆变换模块、空间矢量脉宽调制器SVPWM和三相逆变器形成连接链路，所述第一PARK逆变换模块还连接第二电流控制器和第二PARK逆变换模块；所述第二PARK逆变换模块还与CLARK变换模块相连；
所述自抗扰控制模块获取误差信号及扰动估计量，计算输出控制量作为电流环q轴电流参考值输入，经过第一电流控制器输出控制量作为q轴电压参考输入量，保持d轴电流为0，经过第二电流控制器输出控制量作为d轴电压参考输入量，此时q轴和d轴的电压输入量经过第一PARK逆变换模块、和空间矢量脉宽调制器SVPWM生成PWM波形，并通过三相逆变器生成电机三相电流，实现电机的矢量控制；所述电机三相电流还经CLARK变换模块转换为静止坐标下的电流量，再经第二PARK逆变换模块转换为旋转的d和q轴电流值，用以控制系统的计算输出；所述速度与角度计算模块用于同步获取角度信息，计算得到控制系统所需速度反馈量。
2.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰控制的永磁电机变数扫描控制系统，其特征在于：所述自抗扰控制模块由跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO和非线性状态误差反馈控制律NLSEF组成，
所述跟踪微分器TD的输入值为电机参考转速w*,输出值为v1，其控制形式如下：
其中，e1为跟踪微分器TD的输入值与输出值的差值，因输入值与输出值相等，则为e1等于0；
所述扩张状态观测器ESO的控制形式如下：
其中，w为电机输出实际转速；z1为跟踪信号；z2为对系统扰动量的估计值；e2为跟踪信号z1与电机输出实际转速w的差值；β1为扩张状态观测器ESO对实测转速w的逼近参数；β2为扩张状态观测器ESO扰动观测的逼近参数；h为计算步长，等于执行频率的倒数；b为扰动补偿系数，u为系统实测电流；
所述非线性状态误差反馈控制律NLSEF的控制形式如下：
其中，e3为电机参考转速w*与电机实测转速w的差值；e4为e3的误差积分项；k1为比例系数，k2为积分系数，u0为通过线性组合得到的非线性状态误差反馈控制律输出项，u为z2作为扰动项进行前馈补偿后得到控制量。
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