CN110350839A - 一种模型不确定异步电动机的位置跟踪控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模型不确定异步电动机的位置跟踪控制器及控制方法。本发明方法，其中控制器包括7级子控制器，主要利用ESO估计系统的不确定性和影响系统输出的外部扰动的总和，解决了系统不确定性难以观测的问题，同时还显著降低了控制器结构的复杂性。本发明提出的扩张状态观测器能够保证观测误差的收敛性，实现了对异步电动机模型不确定的精确估计与补偿，与自适应神经网络/模糊控制方法相比，不需要持续激励的条件也能保证观测误差的收敛性。

Description

一种模型不确定异步电动机的位置跟踪控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及异步电动机控制技术领域，具体而言，尤其涉及一种模型不确定异步电动机的位置跟踪控制器结构及设计方法。

背景技术

异步电动机因具有结构简单、价格便宜、运行稳定可靠等优点，被大量应用并逐步普及至多个领域，如何对异步电动机进行高质量的性能控制，备受学者关注。异步电动机是一个多变量、高阶次、强耦合的复杂非线性系统，且难以获得精确的模型参数，因此考虑系统模型不确定的异步电动机控制问题具有重要的实际意义。

在异步电动机位置跟踪控制方面，国内外已经取得相应的研究结果。陈忠华、曹海波等人将传统的PID控制器与模糊控制相结合，既保持了传统PID控制器结构简单的优点，又把模糊控制有效地应用到了PID参数调节中，实现了对异步电动机的高效控制。乔维德提出了基于遗传算法的异步电动机调速系统PID参数的寻优方法，所设计的PID控制器可以有效地克服电机中耦合、非线性和参数变化等因素的影响，使异步电动机获得良好的跟踪响应能力和抗干扰能力。丁瑜等人研究了异步电动机的自适应控制，对异步电动机控制系统的各个部分进行了建模仿真，获得了较好的转速跟踪和磁链跟踪性能。A.Bellini和G.Figalli提出了一种基于参数估计的异步电机驱动自适应控制方法，该方法除了保证模型的完美跟踪外，还可以估计出驱动参数。付程、马玉梅、刘丽超等人将神经网络与自适应动态面技术相结合，利用神经网络逼近系统中未知的非线性函数，采用自适应反步控制技术构造位置跟踪控制器，实现了异步电动机良好的位置跟踪效果，对电机参数变化和外部负载扰动具有较强的鲁棒性。于金鹏针对异步电动机的参数变化及负载转矩的不确定性，提出了基于Backstepping的异步电动机模糊自适应速度、位置跟踪控制方案，利用模糊逻辑系统来逼近异步电动机传动系统的虚拟控制函数和非线性函数，结合自适应技术对系统中的未知参数进行估计，同时基于Backstepping设计技术来构造控制器。MohamedChebaani等人提出了一种滑模控制方法来跟踪异步电动机直流环节电压，以实现对整流器的控制。在电机侧，通过预测转矩控制来执行逆变器控制，以实现精确的转矩和磁链位置跟踪。Ismail Bendaas和Farid Naceri等人将滑模控制(SMC)和模糊逻辑控制(FLC)相结合，提出了模糊滑模控制(FSMC)，通过滑模控制来解决传统控制中的大电流、磁通量和转矩抖动、开关频率变化和参数变化等问题，鲁棒模糊控制器则取代了传统控制的不连续部分，改善了异步电动机转速和磁链控制中的转矩颤振、快速动态转矩响应、抗干扰控制等问题。

然而现有异步电动机控制器设计方法仍存在一些不足之处：

第一，现有技术在对被控系统不确定性进行估计时，通常采用神经网络和模糊控制等方法，这会导致控制器设计过程中出现参数较多，复杂程度较高，不利于控制算法在微处理器上实现。

第二，现有技术大部分采用跟踪误差进行在线学习，依赖于跟踪误差进行自适应调整。由于在初始阶段跟踪误差通常较大，易引起超调，会影响被控系统的暂态性能。

第三，现有技术在实际应用中误差往往较大，被控系统控制精度和动态品质不够高，例如模糊控制设计过程缺乏系统性、对信息处理过于简单，滑模控制因其自身开关特性会引起“抖振”现象。

第四，现有应用于异步电动机的自适应神经网络/模糊控制方法，只能保证估计误差的有界性，并且只有在持续激励的条件下才能保证估计误差的收敛性，限制了其实际应用。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的是要提供一种基于ESO的动态面控制器结构及设计方法。主要利用ESO估计系统的不确定性和影响系统输出的外部扰动的总和，解决了系统不确定性难以观测的问题，同时还显著降低了控制器结构的复杂性。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于ESO的异步电动机动态面控制器，其特征在于，包括7级子控制器；其中第1级子控制器的输入端与参考信号Θ_r相连，第1级子控制器的输出端α₁与第2级子控制器的输入端相连，第2级子控制器的输出端α₂与第3级子控制器的输入端相连，第3级子控制器的输出端α₃与第4级子控制器的输入端相连，第4级子控制器的输出端u_qs与被控系统的输入端相连；第5级子控制器的输入端与参考信号相连，第5级子控制器的输出端α₄与第6级子控制器的输入端相连，第6级子控制器的输出端α₅与第7级子控制器的输入端相连，第7级子控制器的输出端u_ds与被控系统的输入端相连，其中Θ_r表示转子角度参考值，表示转子磁链参考值。

本发明还提供了一种基于上述控制器的ESO的异步电动机动态面控制方法，包括以下步骤：

搭建基于ESO的异步电动机动态面控制器；

设定外部参考信号Θ_r,其中Θ_r表示转子角度参考值，表示转子磁链参考值；

异步电动机的输出跟踪外部参考信号，实现对异步电机转子角度和转子磁链的控制。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

第一，本发明在动态面控制器设计中引入扩张状态观测器，采用扩张状态观测器估计异步电动机系统的不确定性，与现有神经网络动态面控制方法相比，显著降低了控制器的复杂程度，减少了控制器设计参数，有利于控制算法在微处理器上的实现。

第二，本发明提出的基于扩张状态观测器的动态面控制方法实现了观测回路和控制回路的解耦，观测器的设计不再依赖跟踪误差，通过调节观测器初始值，能够实现对系统不确定性的快速估计，与现有的直接自适应方法相比，显著提高系统的暂态控制性能。

第三，本发明提出的扩张状态观测器能够保证观测误差的收敛性，实现了对异步电动机模型不确定的精确估计与补偿，与自适应神经网络/模糊控制方法相比，不需要持续激励的条件也能保证观测误差的收敛性。

基于上述理由本发明可在异步电动机的位置跟踪控制领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是基于ESO的异步电动机动态面控制器结构示意图。

图2是转子实际角度与期望角度曲线图。

图3是转子角度跟踪误差曲线图。

图4是转子实际磁链与期望磁链曲线图。

图5是转子磁链跟踪误差曲线图。

图6是ESO第一个观测值与实际值s₁曲线图。

图7是ESO第二个观测值与实际值s₂曲线图。

图8是ESO第三个观测值与实际值s₃曲线图。

图9是ESO第四个观测值与实际值s₄曲线图。

图10是ESO第五个观测值与实际值s₅曲线图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

类比利用神经网络与自适应技术解决系统中不确定性的思想，本发明针对考虑铁损的异步电动机，将ESO与动态面控制相结合，提出一种基于ESO的动态面控制器结构及设计方法。利用ESO估计系统的不确定性和影响系统输出的外部扰动的总和，不仅解决了系统不确定性难以观测的问题，同时还显著降低了控制器结构的复杂性。

如图1所示，本发明提供了一种基于ESO的异步电动机动态面控制器结构，由7级子控制器组成。第1级子控制器的输入端与参考信号Θ_r相连，第1级子控制器的输出端α₁与第2级子控制器的输入端相连，依此类推，第i(2≤i≤3)级子控制器的输出端α_i与第i+1级子控制器的输入端相连，直到第4级子控制器的输出端u_qs与被控系统的输入端相连；同理，第5级子控制器的输入端与参考信号相连，第5级子控制器的输出端α₄与第6级子控制器的输入端相连，依此类推，第6级子控制器的输出端α₅与第7级子控制器的输入端相连，第7级子控制器的输出端u_ds与被控系统的输入端相连。

所述的第1级子控制器由微分器单元、比较器单元、线性控制单元构成，微分器单元的输入端与参考信号相连、微分器单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；比较器单元的输入端分别与参考信号Θ_r和异步电动机转子角度Θ相连、比较器单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；线性控制单元的输入端分别与微分器单元的输出端和比较器单元的输出端相连、线性控制单元的输出端与第2级子控制器输入端相连；

所述的第2级子控制器由滤波器单元、比较器单元、线性控制单元构成，滤波器单元的输入端和第1级子控制器的输出端相连、滤波器单元的输出端分别与比较器单元的输入端和线性控制单元的输入端相连；比较器单元的输入端分别与滤波器单元的输出端和异步电动机转子角速度ω_r相连、比较器单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；线性控制单元的一个输入端与比较器单元的输出端相连，一个输入端与滤波器单元的输出端相连，另一个输入端与异步电动机转子磁链相连，还有一个输入端与异步电动机负载转矩信号T_L相连、线性控制单元的输出端与第3级子控制器输入端相连；

所述的第3级子控制器由滤波器单元、比较器单元、线性控制单元、ESO单元构成，滤波器单元的输入端和第2级子控制器的输出端相连、滤波器单元的输出端分别与比较器单元的输入端和线性控制单元的输入端相连；比较器单元的输入端分别于与滤波器单元的输出端与异步电动机q轴励磁电流i_qm相连、比较器单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；ESO单元的输入端分别与异步电动机q轴励磁电流i_qm和q轴定子电流i_qs相连、ESO单元的输出端与线性控制单元输入端相连；线性控制单元的一个输入端与比较器的输出端相连，另一个输入端与滤波器单元的输出端相连，还有一个输入端与ESO单元的输出端相连、线性控制单元的输出端与第4级子控制器输入端相连；

所述的第4级子控制器由滤波器单元、比较器单元、线性控制单元、ESO单元构成，滤波器单元的输入端和第3级子控制器的输出端相连、滤波器单元的输出端分别与比较器单元的输入端和线性控制单元的输入端相连；比较器单元的输入端分别于与滤波器单元的输出端与异步电动机q轴定子电流i_qs相连、比较器单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；ESO单元的输入端分别与异步电动机q轴定子电流i_qs和线性控制单元输出端相连、ESO单元的输出端与线性控制单元输入端相连；线性控制单元的一个输入端与比较器的输出端相连，另一个输入端与滤波器单元的输出端相连，还有一个输入端与ESO单元的输出端相连、线性控制单元的输出端与异步电动机系统输入端相连；

所述的第5级子控制器由比较器单元、微分器单元、线性控制单元、ESO单元构成，比较器单元的输入端分别与参考信号和异步电动机转子磁链相连、比较器单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；微分器单元的输入端与参考信号相连、微分器单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；ESO单元的输入端分别与异步电动机转子磁链和d轴励磁电流i_dm相连、ESO单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；线性控制单元的一个输入端与比较器单元的输出端相连，另一个输入端与微分器单元的输出端相连，还有一个输入端与ESO单元的输出端相连、线性控制单元的输出端与第6级子控制器的输入端相连；

所述的第6级子控制器由滤波器单元、比较器单元、线性控制单元、ESO单元构成，滤波器单元输入端与第5级子控制器输出端相连、滤波器单元输出端分别与比较器单元的输入端和线性控制单元的输入端相连；比较器单元的输入端分别与滤波器单元的输出端和异步电动机d轴励磁电流i_dm相连、比较器单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；ESO单元的输入端分别与异步电动机d轴励磁电流i_dm和d轴定子电流i_ds相连、ESO单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；线性控制单元的一个输入端与比较器的输出端相连，另一个输入端与滤波器单元的输出端相连，还有一个输入端与ESO单元的输出端相连、线性控制单元的输出端与第7级子控制器的输入端相连；

所述的第7级子控制器由滤波器单元、比较器单元、线性控制单元、ESO单元构成，滤波器单元输入端与第6级子控制器输出端相连、滤波器单元输出端分别与比较器单元输入端和线性控制单元输入端相连；比较器单元的输入端分别与滤波器单元的输出端和异步电动机d轴定子电流i_ds相连、比较器单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；ESO单元的输入端分别与异步电动机d轴定子电流i_ds和线性控制单元的输出端相连、ESO单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；线性控制单元的一个输入端与比较器的输出端相连，另一个输入端与滤波器单元的输出端相连，还有一个输入端与ESO单元的输出端相连、线性控制单元的输出端与异步电动机系统输入端相连；

所述的被控系统为考虑铁损的异步电动机动态数学模型：

上式各符号的物理含义如下：Θ表示转子角度；ω_r表示转子角速度；J表示转动惯量；T_L表示负载转矩；表示转子磁链；n_p表示极对数；u_qs表示q轴定子电压；u_ds表示d轴定子电压；L_m表示互感；L_1r表示定子漏感；L_1s表示转子漏感；R_s表示定子等效电阻；R_r表示转子等效电阻；R_fe表示铁损等效电阻；i_qm表示q轴励磁电流；i_dm表示d轴励磁电流；i_qs表示q轴定子电流；i_ds表示d轴定子电流。

未知非线性项如下：

所述的被控系统的控制目标是设计一种控制器，使得异步电动机的输出Θ,跟踪外部参考信号Θ_r,即实现对异步电机转子角度和转子磁链的控制。

本发明的另一方面还提供了一种基于ESO的异步电动机动态面控制器结构的设计方法，包括以下步骤：

A、第1级子控制器设计

A1、第1级比较器单元：将第1级比较器单元的输入端分别与外部输入信号Θ_r和异步电动机输出转子角度Θ信号相连，经下列变换得到比较器单元的输出端信号z₁

z₁＝Θ-Θ_r

(3)

A2、第1级微分器单元：第1级微分器单元输入端与外部输入信号Θ_r相连，经过微分器单元可得输出信号

A3、第1级线性控制单元：第1级线性控制单元的输入端与比较器单元的输出端z₁相连，经过下列比例控制

得到第1级子控制器的输出端信号α₁，其中k₁＞0为常数；

B、第2级子控制器设计

B1、第2级滤波器单元：第2级滤波器输入端与第1级子控制器的输出端信号α₁相连，所述信号α₁经过下列滤波器

得到第2级滤波器单元的输出信号和α_1d，其中ξ₁＞0为常值；

B2、第2级比较器单元：第2级比较器单元输入端与滤波器单元的输出信号α_1d和异步电动机转子角速度ω_r信号相连，经下列变换得到比较器单元的输出端信号z₂

z₂＝ω_r-α_1d

(6)

B3、第2级线性控制单元：第2级线性控制单元的一个输入端与比较器单元的输出端信号z₂相连，一个输入端与滤波器单元的输出信号相连，另一个输入端与异步电动机转子磁链信号相连，还有一个输入端与异步电动机负载转矩信号T_L相连，经过下列比例控制

得到第2级子控制器的输出端信号α₂，其中k₂＞0为常数；

C、第3级子控制器设计

C1、第3级滤波器单元：第3级滤波器输入端与第2级子控制器的输出端信号α₂相连，所述信号α₂经过下列滤波器

得到第3级滤波器单元的输出信号和α_2d，其中ξ₂＞0为常值；

C2、第3级比较器单元：第3级比较器单元输入端与滤波器单元的输出信号α_2d和异步电动机q轴励磁电流信号i_qm相连，经下列变换得到比较器单元的输出端信号z₃

z₃＝i_qm-α_2d (9)

C3、第3级ESO单元：第3级ESO单元输入端分别与异步电动机q轴励磁电流信号i_qm和q轴定子电流信号i_qs相连，所述信号经过ESO单元

其中，表示i_qm的估计值，b₁i_qs表示系统控制输入，λ₁,λ₂＞0，得到第3级ESO单元输出信号即被控系统未知非线性项s₁的估计值；

C4、第3级线性控制单元：第3级线性控制单元的一个输入端与比较器的输出端信号z₃相连，另一个输入端与滤波器单元的输出信号相连，还有一个输入端与ESO单元的输出信号相连，经过下列比例控制

得到第3级子控制器的输出端信号α₃，其中k₃＞0为常数；

D、第4级子控制器设计

D1、第4级滤波器单元：第4级滤波器输入端与第3级子控制器的输出端信号α₃相连，所述信号α₃经过下列滤波器

得到第4级滤波器单元的输出信号和α_3d，其中ξ₃＞0为常值；

D2、第4级比较器单元：第4级比较器单元输入端与滤波器单元的输出信号α_3d和异步电动机q轴定子电流信号i_qs相连，经下列变换得到比较器单元的输出端信号z₄

z₄＝i_qs-α_3d (13)

D3、第4级ESO单元：第4级ESO单元的输入端分别与异步电动机q轴定子电流信号i_qs和线性控制单元输出信号相连，所述信号经过ESO单元

其中，表示i_qs的估计值，c₁u_qs表示控制输入，λ₃,λ₄＞0，得到第4级ESO单元输出信号即被控系统未知非线性项s₂的估计值；

D4、第4级线性控制单元：第4级线性控制单元的一个输入端与比较器的输出端信号z₄相连，另一个输入端与滤波器单元的输出信号相连，还有一个输入端与ESO单元的输出信号相连，经过下列比例控制

得到异步电动机系统的控制输入u_qs，其中k₄＞0为常数；

E、第5级子控制器设计

E1、第5级比较器单元：将第5级比较器单元的输入端分别与外部输入信号和异步电动机输出转子磁链信号相连，经下列变换得到比较器单元的输出端信号z₅

E2、第5级微分器单元：第5级微分器单元输入端与外部输入信号相连，经过微分器单元可得输出信号

E3、第5级ESO单元：第5级ESO单元的输入端分别与异步电动机输出转子磁链信号和d轴励磁电流信号i_dm相连，所述信号经过ESO单元

其中表示的估计值，d₂x₆表示控制输入，λ₅,λ₆＞0，得到第5级ESO单元输出信号即被控系统未知非线性项s₃的估计值；

E4、第5级线性控制单元：第5级线性控制单元的一个输入端与比较器单元的输出端信号z₅相连，另一个输入端与微分器单元的输出信号相连，还有一个输入端与ESO单元的输出信号相连，经过下列比例控制

得到第5级子控制器的输出端信号α₄，其中k₅＞0为常数；

F、第6级子控制器设计

F1、第6级滤波器单元：第6级滤波器输入端与第5级子控制器的输出端信号α₄相连，所述信号α₄经过下列滤波器

得到第6级滤波器单元的输出信号和α_4d，其中ξ₄＞0为常值；

F2、第6级比较器单元：第6级比较器单元输入端与滤波器单元的输出信号α_4d和异步电动机d轴励磁电流信号i_dm相连，经下列变换得到比较器单元的输出端信号z₆

z₆＝i_dm-α_4d (20)

F3、第6级ESO单元：第6级ESO单元的输入端分别与异步电动机输出d轴励磁电流信号i_dm和d轴定子电流信号i_ds相连，所述信号经过ESO单元

其中，表示i_dm的估计值，b₁x₇表示控制输入，λ₇,λ₈＞0，得到第6级ESO单元输出信号即被控系统未知非线性项s₄的估计值；

F4、第6级线性控制单元：第6级线性控制单元的一个输入端与比较器的输出端信号z₆相连，另一个输入端与滤波器单元的输出端信号α₄相连，还有一个输入端与ESO单元的输出信号相连，经过下列比例控制

得到第6级子控制器的输出端信号α₅，其中k₆＞0为常数；

G、第7级子控制器设计

G1、第7级滤波器单元：第7级滤波器输入端与第6级子控制器的输出端信号α₅相连，所述信号α₅经过下列滤波器

得到第7级滤波器单元的输出信号和α_5d，其中ξ₅＞0为常值；

G2、第7级比较器单元：第7级比较器单元输入端与滤波器单元的输出信号α_5d和异步电动机d轴定子电流i_ds相连，经下列变换得到比较器单元的输出端信号z₇

z₇＝i_ds-α_5d

(24)

G3、第7级ESO单元：第7级ESO单元的输入端分别与异步电动机输出d轴定子电流信号i_ds和线性控制单元的输出信号相连，所述信号经过ESO单元

其中，表示i_ds的估计值，c₁u_ds表示控制输入，λ₉,λ₁₀＞0，得到第7级ESO单元输出信号即被控系统未知非线性项s₅的估计值；

G4、第7级线性控制单元：第7级线性控制单元的一个输入端与比较器的输出端信号z₇相连，另一个输入端与滤波器单元的输出端信号α₅相连，还有一个输入端与ESO单元的输出信号相连，经过下列比例控制

得到异步电动机系统的控制输入u_ds，其中k₇＞0为常数。

本发明的另一方面还提供了一种基于权利要求1所述控制器的ESO的异步电动机动态面控制方法，包括以下步骤：

S1、搭建基于ESO的异步电动机动态面控制器；

S2、设定外部参考信号Θ_r,其中Θ_r表示转子角度参考值，表示转子磁链参考值；

S3、异步电动机的输出跟踪外部参考信号，实现对异步电机转子角度和转子磁链的控制。

下面通过一个具体的应用实例，对本发明的技术方案做进一步说明：

选取一个异步电动机，其参数为：J＝0.0586kgm²，R_s＝0.1Ω，R_r＝0.15Ω，R_fe＝0.295Ω，L_s＝L_r＝0.0699H，L_m＝0.068H，n_p＝1。

系统的外部输入信号为：Θ_r＝0.5sin(t)+0.3sin(0.5t)，

采用以下参数对该电动机进行控制：

控制率参数k₁＝k₂＝k₃＝15，k₄＝80，k₅＝k₆＝k₇＝120。滤波参数ξ₁＝ξ₂＝0.0005，ξ₃＝ξ₄＝ξ₅＝0.00025。

由图2～5可看出，本发明设计的基于ESO的动态面控制器系统控制效果较好，在0.5s左右即可使转子实际角度和转子实际磁链跟踪上期望信号，并使得跟踪误差稳定在0附近，跟踪控制的速度及跟踪精确性能优越。在t＝5s时，仿真加入了负载扰动，负载转矩T_L＝1变为了T_L＝0.5。在加入负载扰动短时间内，转子角度跟踪误差出现了明显的波动，但是在扰动产生的0.5s内即可将扰动的影响消除，使得转子实际角度跟踪上期望信号；而转子磁链在负载扰动下，基本未出现波动。图2是转子实际角度与期望角度曲线图。图中的实线代表期望信号x_1d；图中虚线代表异步电动机系统输出的实际转子角度。图3是转子角度跟踪误差曲线图。图中实线代表转子实际角度与期望角度差。图4是转子实际磁链与期望磁链曲线图。图中的实线代表期望信号x_5d；图中虚线代表异步电动机系统输出的实际转子磁链。图5是转子磁链跟踪误差曲线图。图中实线代表转子实际磁链与期望磁链差。

由此可见，在负载扰动下，本发明设计的基于ESO的动态面控制系统表现出了较强的抗干扰能力，鲁棒性较好。图6～10是ESO观测值与实际值曲线图。图中实线代表实际值；图中虚线代表ESO观测值。由图可知ESO对异步电动机5个不确定性的观测值均可在0.5s左右快速跟踪上实际值，表明本文设计的ESO具有了良好、准确的估计效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于ESO的异步电动机动态面控制器，其特征在于，包括7级子控制器；其中，

第1级子控制器的输入端与参考信号Θ_r相连，第1级子控制器的输出端α₁与第2级子控制器的输入端相连，第2级子控制器的输出端α₂与第3级子控制器的输入端相连，第3级子控制器的输出端α₃与第4级子控制器的输入端相连，第4级子控制器的输出端u_qs与被控系统的输入端相连；第5级子控制器的输入端与参考信号相连，第5级子控制器的输出端α₄与第6级子控制器的输入端相连，第6级子控制器的输出端α₅与第7级子控制器的输入端相连，第7级子控制器的输出端u_ds与被控系统的输入端相连，其中Θ_r表示转子角度参考值，表示转子磁链参考值。

2.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述第1级子控制器包括：微分器单元、比较器单元、线性控制单元；所述微分器单元的输入端与参考信号相连，微分器单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；所述比较器单元的输入端分别与所述转子角度参考信号Θ_r和异步电动机转子角度Θ相连，所述比较器单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；所述线性控制单元的输入端分别与微分器单元的输出端和比较器单元的输出端相连，线性控制单元的输出端与第2级子控制器输入端相连。

3.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述第2级子控制器包括：滤波器单元、比较器单元、线性控制单元；所述滤波器单元的输入端和第1级子控制器的输出端相连，滤波器单元的输出端分别与比较器单元的输入端以及线性控制单元的输入端相连；所述比较器单元的输入端分别与滤波器单元的输出端和异步电动机转子角速度ω_r相连，比较器单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；所述线性控制单元的一个输入端分别与比较器单元的输出端、滤波器单元的输出端、异步电动机转子磁链以及异步电动机负载转矩信号T_L相连，线性控制单元的输出端与第3级子控制器输入端相连。

4.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述第3级子控制器包括滤波器单元、比较器单元、线性控制单元以及ESO单元；所述滤波器单元的输入端和第2级子控制器的输出端相连，滤波器单元的输出端分别与比较器单元的输入端和线性控制单元的输入端相连；所述比较器单元的输入端分别与滤波器单元的输出端与异步电动机q轴励磁电流i_qm相连，比较器单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；所述ESO单元的输入端分别与异步电动机q轴励磁电流i_qm和q轴定子电流i_qs相连，ESO单元的输出端与线性控制单元输入端相连；所述线性控制单元的输入端与比较器的输出端、滤波器单元的输出端以及ESO单元的输出端相连，线性控制单元的输出端与第4级子控制器输入端相连。

5.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述第4级子控制器包括滤波器单元、比较器单元、线性控制单元、ESO单元；所述滤波器单元的输入端和第3级子控制器的输出端相连，滤波器单元的输出端分别与比较器单元的输入端和线性控制单元的输入端相连；所述比较器单元的输入端分别于与滤波器单元的输出端与异步电动机q轴定子电流i_qs相连，比较器单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；所述ESO单元的输入端分别与异步电动机q轴定子电流i_qs和线性控制单元输出端相连，ESO单元的输出端与线性控制单元输入端相连；所述线性控制单元的输入端分别与比较器的输出端、滤波器单元的输出端以及ESO单元的输出端相连，线性控制单元的输出端与异步电动机系统输入端相连。

6.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述第5级子控制器包括比较器单元、微分器单元、线性控制单元、ESO单元；所述比较器单元的输入端分别与参考信号和异步电动机转子磁链相连，比较器单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；所述微分器单元的输入端与参考信号相连，微分器单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；所述ESO单元的输入端分别与异步电动机转子磁链和d轴励磁电流i_dm相连，ESO单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；线性控制单元的输入端分别与比较器单元的输出端、微分器单元的输出端以及ESO单元的输出端相连，线性控制单元的输出端与第6级子控制器的输入端相连。

7.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述第6级子控制器包括滤波器单元、比较器单元、线性控制单元、ESO单元；所述滤波器单元输入端与第5级子控制器输出端相连，滤波器单元输出端分别与比较器单元的输入端和线性控制单元的输入端相连；所述比较器单元的输入端分别与滤波器单元的输出端和异步电动机d轴励磁电流i_dm相连，比较器单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；所述ESO单元的输入端分别与异步电动机d轴励磁电流i_dm和d轴定子电流i_ds相连，ESO单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；所述线性控制单元的输入端分别与比较器的输出端、滤波器单元的输出端以及ESO单元的输出端相连，线性控制单元的输出端与第7级子控制器的输入端相连。

8.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述第7级子控制器包括滤波器单元、比较器单元、线性控制单元、ESO单元；所述滤波器单元输入端与第6级子控制器输出端相连，滤波器单元输出端分别与比较器单元输入端和线性控制单元输入端相连；所述比较器单元的输入端分别与滤波器单元的输出端和异步电动机d轴定子电流i_ds相连，比较器单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；所述ESO单元的输入端分别与异步电动机d轴定子电流i_ds和线性控制单元的输出端相连，ESO单元的输出端与线性控制单元的输入端相连；所述线性控制单元的输入端分别与比较器的输出端、滤波器单元的输出端以及ESO单元的输出端相连，线性控制单元的输出端与异步电动机系统输入端相连。

9.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述的被控系统为考虑铁损的异步电动机动态数学模型为：

其中，Θ表示转子角度；ω_r表示转子角速度；J表示转动惯量；T_L表示负载转矩；表示转子磁链；n_p表示极对数；u_qs表示q轴定子电压；u_ds表示d轴定子电压；L_m表示互感；L_1r表示定子漏感；L_1s表示转子漏感；R_s表示定子等效电阻；R_r表示转子等效电阻；R_fe表示铁损等效电阻；i_qm表示q轴励磁电流；i_dm表示d轴励磁电流；i_qs表示q轴定子电流；i_ds表示d轴定子电流；

且未知非线性项如下：

10.一种基于权利要求1所述控制器的ESO的异步电动机动态面控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

搭建基于ESO的异步电动机动态面控制器；

设定外部参考信号Θ_r,其中Θ_r表示转子角度参考值，表示转子磁链参考值；

异步电动机的输出跟踪外部参考信号，实现对异步电机转子角度和转子磁链的控制。