CN110011582A - 一种永磁同步电机矢量控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机矢量控制方法，采集静止坐标系下的三相交流电流信号，依次经过Clark变换和Park变换处理后得到旋转坐标系下的id、iq，id、iq分别是在d‑q坐标系下的电流分量；将给定的电机转速ω*与电机转速ω作差后，获得速度偏差，将速度偏差作为重复自抗扰控制器的输入，得到电流给定值iq *；将iq *‑iq、id *＝0分别作为q轴和d轴电流环PI控制器的输入量，经过Park逆变换最终平稳地控制电机；本发明通过重复自抗扰控制器能够解决永磁同步电机控制系统响应缓慢、系统抖振以及抗扰能力差等问题。

Description

一种永磁同步电机矢量控制方法
技术领域
本发明属于永磁同步电机控制技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机矢量控制方法。
背景技术
永磁同步电机具有体积小、结构简单、效率高等诸多优点，使得其在数控机床、医疗器械、航空航天等领域得到广泛应用，但由于永磁同步电机是一个多变量、非线性、强耦合的复杂对象，当系统受到内部参数或外界扰动等因素影响时，常规的PI控制并不能满足高性能控制的要求。
自抗扰控制(ADRC)不依赖于被控对象精确的数学模型，能够消除系统外扰和内扰对系统的影响，并具有设计原理简单、鲁棒性强、控制性能好以及控制器设计灵活等优点，得到了国内外学者的关注。针对永磁同步直线电机控制系统易受外部不确定干扰影响的问题，将自抗扰控制用于控制系统，对系统受到的外部扰动实时估计并对控制系统给予动态补偿，减少了控制系统受外部扰动的影响，从而使系统具有很强的抗扰性和静动态特性。针对三电机强耦合控制系统，采用自抗扰控制方法，实现了速度和张力的解耦控制，获得了较快的响应速度、较强的抗干扰能力以及较好的鲁棒性。
然而，传统自抗扰控制存在一个缺陷，即控制效果与控制器内部参数的选取有直接关系，人为参数调试往往难以获得满意的性能。针对该问题，研究人员利用智能算法优化控制器参数的方法取得了一定的效果，如粒子群算法、遗传算法、蚁群算法。然而，智能算法的应用不仅会增加系统的复杂程度，而且大部分的智能算法属于离线优化的算法，缺乏在线优化的应变能力和实时性，因此解决该问题的根本方法是结合其他控制方法减少自抗扰控制对参数的依赖性。
发明内容
本发明根据现有技术中存在的问题，提出了一种永磁同步电机矢量控制方法，目的是解决永磁同步电机控制系统响应缓慢、系统抖振以及抗扰能力差等问题。
本发明所采用的技术方案如下：
采集静止坐标系下的三相交流电流信号，依次经过Clark变换和Park变换处理后得到旋转坐标系下的id、iq，id、iq分别是在d-q坐标系下的电流分量；将给定的电机转速ω*与电机转速ω作差后，获得速度偏差，将速度偏差作为重复自抗扰控制器的输入，得到电流给定值iq *；将iq *-iq、id *＝0分别作为q轴和d轴电流环PI控制器的输入量，经过Park逆变换最终平稳地控制电机。
进一步，所述重复自抗扰控制器的构造方法为：
将r(s)-y(s)作为重复自抗扰控制器的输入，先输入到重复控制器后获得重复控制器的输出v(s)，将v(s)输入自抗扰控制器处理后获得重复自抗扰控制器的输出y(s)，所述自抗扰控制器包括非线性反馈控制律(NLSEF)和扩张状态观测器(ESO)，所述非线性反馈控制律(NLSEF)通过模糊控制器在线修改自抗扰参数，自动调整参数β3，其中，r(s)＝ω*-ω。
进一步，所述重复控制器的数学模型为：
其中，Q(s)为低通滤波器，S(s)为动态补偿器，ω为扰动频率，K为稳态精度指标，T为跟踪周期，s表示拉普拉斯变换，τ是时间常数，表示与低通滤波器有关的时间常数，eτs表示与动态补偿器有关的时间常数；
进一步，所述非线性反馈控制律(NLSEF)数学模型为：
其中，e2(s)为NLSEF的输入，v(s)为重复控制器的输出，z1(s)为对输入信号的估计量，u0(s)为NLSEF的输出，β3为比例增益影响系统的响应速度，δ为滤波因子；α为非线性因子，u(s)为被控对象的控制量，z2(s)为对系统总扰动的估计量，b为扰动补偿系数；
进一步，所述扩张状态观测器(ESO)数学模型为:
其中，e1(s)是z1(s)与输出y(s)之差，β1为状态比例增益，β2为扰动比例增益。
本发明的有益效果：
本发明首先引入模糊逻辑控制器，在线修改自抗扰控制器中的非线性反馈控制律参数，同时加入重复控制，进一步提升了传统永磁同步电机自抗扰控制系统抗扰动的能力，并提高了控制精度。基于重复控制的思想，周期性跟踪并补偿误差，逐周期减小误差，提高了系统的扰动隔离度，因而减少了自抗扰控制对于参数鲁棒性的依赖性。在系统受到干扰以及负载出现波动时，能快速地跟踪转速，减小系统超调及稳态静差，大大增强了系统的鲁棒性。
附图说明
图1永磁同步电机矢量控制原理框图
图2重复自抗扰控制器结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明公开的一种永磁同步电机矢量控制方法，适用于永磁同步电机的矢量控制，主要由自抗扰控制器和重复控制器两个部分组成。
首先，为了简化分析，假设转子永磁体在气隙中的磁场分布为正弦波，忽略了电机的铁心饱和，涡流和磁滞损耗，转子中没有阻尼绕组，在dq坐标系下PMSM的数学模型可以描述如下：
其中，ud、uq、id和iq分别是在d-q坐标系下的电压分量和电流分量；Ld、Lq是d轴和q轴电感；R是电机绕组电阻；ωr是电角速度；ψ是永磁磁通。
永磁同步电动机的转矩方程为：
Te＝1.5p[ψiq+(Ld-Lq)idiq]；
其中，Te是永磁同步电机的转矩；p是极对数，对于表贴式永磁同步电机，Ld＝Lq＝L，转矩方程可以简化：
Te＝1.5pψiq
永磁同步电动机的运动方程为：
其中，TL是负载转矩；ω是电机的机械角速度；B是摩擦系数；J是转动惯量。
如图1，本发明所提出的一种永磁同步电机矢量控制方法，采用的技术方案如下：
采集静止坐标系下的三相交流电流信号，依次经过Clark变换和Park变换处理后得到旋转坐标系下的id、iq，id、iq分别是在d-q坐标系下的电流分量；将给定的电机转速ω*与电机转速ω作差后，获得速度偏差，将速度偏差作为重复自抗扰控制器的输入，得到电流给定值iq *；将电流给定值iq *-iq、id *＝0分别作为q轴和d轴电流环PI控制器的输入量，经过Park逆变换最终平稳地控制电机。
如图2所示，将r(s)-y(s)作为重复自抗扰控制器的输入，先输入到重复控制器后获得重复控制器的输出v，将v输入自抗扰控制器处理后获得重复自抗扰控制器的输出y(s)，自抗扰控制器包括非线性反馈控制律(NLSEF)和扩张状态观测器(ESO)，所述非线性反馈控制律(NLSEF)通过模糊控制器在线修改自抗扰参数，自动调整参数β3，其中，r(s)＝ω*-ω。
扩张状态观测器(ESO)：扩张状态观测器将来自系统内部、外部的“扰动”都归结为系统的“总扰动”，对“总扰动”进行估计，其数学模型为:
式中，z1(s)为对输入信号的估计量；z2(s)为对系统“总扰动”的估计量，β1为状态比例增益，影响ESO对系统状态变量的估计，β2为扰动比例增益，影响ESO对系统“总扰动”的估计，参数β1和β2影响ESO的收敛速度，e1(s)是z1(s)与输出y(s)之差，b为扰动补偿系数，u(s)是被控对象的控制量，δ为滤波因子，α为非线性因子，α越小，ESO对不确定系统模型的抗扰性也就越强。
非线性反馈控制律(NLSEF)：非线性反馈控制律数学模型为：
式中，NLSEF的输出u0与系统“总扰动”的补偿项z2相减得到被控对象的控制量u(s)；参数β3为比例增益影响系统的响应速度；参数b为扰动补偿系数，影响补偿量的大小；v(s)为重复控制器的输出；z1(s)为对输入信号的估计量，z2(s)为对系统总扰动的估计量；δ为滤波因子；α为非线性因子。
利用模糊控制规则，如图2所示：
根据e1、e2的输入，在线修改自抗扰参数，自动调整β3，以满足不同时刻e1、e2对自抗扰控制参数的要求。其中，控制器中的模糊变量分别为e1、e2、Δβ3，在它们的论域上各定义了3个语言子集。选择输入量e1、e2隶属度函数为高斯型，输出量Δβ3的隶属度函数为三角型，取e1、e2的基本论域分别为[-3，+3]、[-30，+30]，取Δβ3的基本论域分别为[-0.1，+0.1]。其模糊推理采用Mamdani型，去模糊化处理算法为平均加权法。
根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计出的模糊矩阵表，如下表1所示，去模糊化后，查出修正参数Δβ3，代入β3＝β′3+Δβ3，式中，β′3为非线性反馈控制律初始值。
表1模糊矩阵表
重复控制器：将重复控制加入到自抗扰控制器中，使重复控制器替换掉传统自抗扰控制器中的跟踪微分器，如图2所示，重复控制器的数学模型如下：
其中，Q(s)为低通滤波器，S(s)为动态补偿器，ω为扰动频率，K为稳态精度指标，T为跟踪周期，s表示拉普拉斯变换，τ是时间常数，表示与低通滤波器有关的时间常数，eτs表示与动态补偿器有关的时间常数。
对此系统进行扰动分析，得到误差传递函数e(s)为:
其中，e(s)误差信号，Q(s)为低通滤波器，S(s)为动态补偿器，T为跟踪周期，传统控制器
当系统不采用插入型重复控制器时，误差传递函数e(s)为
此时，仅考虑系统受到频率为ω的周期扰动信号，则有|e-Ts|＝|e-jω|＝1，结合误差传递函数e(s)可知，采用了插入型的重复控制器之后，系统误差是不采用插入式重复控制器时的|A(s)|倍，只要合理设计动态补偿器S(s)和传统控制器G(s)的参数，就可以令系统误差得到很大程度地削弱，提高系统的稳定性能。当设计低通滤波器Q(s)→1，就可以得到|A(s)|→0，此时重复控制器可以对周期信号做到无静差跟踪，并对周期性扰动做到完全抑制。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于，采集静止坐标系下的三相交流电流信号，经过变换处理后得到d-q坐标系下的电流分量id、iq；将给定的电机转速ω*与电机转速ω作差后，获得速度偏差，将速度偏差作为重复自抗扰控制器的输入，得到电流给定值iq *；将iq *-iq、id *＝0分别作为q轴和d轴电流环PI控制器的输入量，从而平稳地控制电机。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于，所述重复自抗扰控制器的构造方法为：
将r(s)-y(s)作为重复自抗扰控制器的输入，重复控制器输出v(s)，将v(s)输入自抗扰控制器处理后获得重复自抗扰控制器的输出y(s)，所述自抗扰控制器包括非线性反馈控制律NLSEF和扩张状态观测器ESO，所述非线性反馈控制律NLSEF通过模糊控制器在线修改自抗扰参数，自动调整参数β3，其中，r(s)＝ω*-ω。
3.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于，所述重复控制器的数学模型为：
其中，Q(s)为低通滤波器，S(s)为动态补偿器，ω为扰动频率，K为稳态精度指标，T为跟踪周期，s表示拉普拉斯变换，τ是时间常数。
4.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于，所述非线性反馈控制律NLSEF数学模型为：
其中，e2(s)为NLSEF的输入，z1(s)为对输入信号的估计量，u0(s)为NLSEF的输出，β3为比例增益影响系统的响应速度，δ为滤波因子，α为非线性因子，u(s)为被控对象的控制量，z2(s)为对系统总扰动的估计量，b为扰动补偿系数。
5.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于，所述扩张状态观测器(ESO)数学模型为:
其中，e1(s)是z1(s)与输出y(s)之差，β1为状态比例增益，β2为扰动比例增益，s表示拉普拉斯变换。
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