CN110378057A - 一种内置式永磁同步电机抗干扰控制器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置式永磁同步电机抗干扰控制器及其设计方法，所述的控制器包括控制器单元、非线性观测单元和执行单元。本发明设计的抗干扰控制器不依赖准确的数学模型，解决了超调问题。从仿真跟踪的效果可知没有出现超调现象，所设计的非线性观测单元具有更快的响应速度特点，将可调参数降低为两个，通过调节参数β和δ对非线性观测单元的设计，大大降低了参数调节的复杂性。本发明的非线性观测单元将把内置式永磁同步电机外部负载扰动和内部不确定部分作为总扰动，能够对总扰动、速度和位置进行准确的观测和估计，仿真结果说明能够实现良好的跟踪性能，提高了内置式永磁同步电机的动态性能和抗干扰能力，有利于在控制伺服系统中的应用。

Description

一种内置式永磁同步电机抗干扰控制器及其设计方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机位置跟踪控制领域，特别涉及一种内置式永磁同步电机抗干扰控制器及其设计方法。

背景技术

永磁同步电机具有结构紧凑、工作效率高、控制效果好、可靠性高等优点，广泛应用在国防、航空航天和工业生产等领域。为了满足高速度、高精度伺服系统控制的要求，不同的控制方法被应用于永磁同步电机中。目前应用的控制器主要采用PI控制方法，PI控制是线性控制，原理相对简单，适用于负载变化小的系统，但抗干扰能力较差，其控制性能容易受到温度变化、外部扰动、模型不确定、磁芯饱和等因素影响。内置式永磁同步电机控制系统具有强耦合、多变量、非线性等特性，所以PI控制效果不佳。

为了达到理想的控制效果，内置式永磁同步电机伺服系统的非线性控制策略逐渐成为了研究的热点。滑模控制是通过自行设计所需的滑模面和等效控制器，建立电机反电动势或者磁链观测器获取转子的位置和速度信息，但容易出现抖振问题，将滑模观测器与锁相环相连，可以消除抖振问题。模型预测控制是根据电机预测模型计算系统变量在不同电压矢量作用下的变化，并利用成本函数对空间电压矢量调制，最终进行综合评价，确定一组最优电压矢量序列。神经网络拥有高度并行结构及较强的学习能力，其状态观测器可以用来估计电机速度，并利用李雅普诺夫理论设计在线训练律。自抗扰控制降低了坐标变换的复杂度，其不依赖被控对象准确的数学模型，在一定的程度上解决了参数整定的问题，减少了扰动对系统的影响。

然而，在对内置式永磁同步电机的控制研究中，在控制器设计和控制效果方面，现有的技术存在以下不足：

第一，PI控制器的性能受工作点和外部干扰的影响，使系统存在快速性和超调的矛盾，同时其参数整定需要根据具体的工况来决定，很难达到令人满意的控制效果；

第二，现有的滑模控制、模型预测控制等过度依赖于精确的永磁同步电机的数学模型及理论推导，当存在外部扰动和系统参数发生变化等问题，很难获得准确的数学模型，必然会对控制系统产生影响；

第三，针对外部扰动和系统参数发生变化等问题，现有基于神经网络的控制方法能够逼近系统参数不确定性和抑制外部扰动，这种方法虽然在仿真实验中易于实现，但在实际应用中，存在算法运算量大、参数调节困难等缺点。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明要提供一种既能解决超调问题，又能降低参数调节的复杂性，提高动态性能和抗干扰能力的内置式永磁同步电机抗干扰控制器及其设计方法。

为了实现上述目的，本发明的解决方案为：

一种内置式永磁同步电机抗干扰控制器，包括控制器单元、非线性观测单元和执行单元，所述非线性观测单元包括计算单元、位置估计单元、速度估计单元和总扰动估计单元，所述控制器单元包括信息处理模块、位置控制模块、滤波模块和速度控制模块。

所述信号处理模块的输入端输入给定位置信号，其输出端与位置控制模块的一个输入端相连；所述的位置控制模块的另一输入端与内置式永磁同步电机相连，接收内置式永磁同步电机反馈的位置信号；所述位置控制模块的输出端与滤波模块的输入端相连；所述滤波模块的输出端与速度控制模块的输入端相连；所述速度控制模块的一个输出端与比例模块4的输入端相连；所述内置式永磁同步电机还与比较模块的一个输入端相连，比较模块接收内置式永磁同步电机反馈的位置信号；所述比较模块的另一输入端与加法模块1的输出端相连，接收内置式永磁同步电机的位置估计值；所述比较模块的输出端与比例模块5的输入端相连；所述比例模块5的输出端分别与幂运算模块1、幂运算模块2和幂运算模块3的输入端相连；所述幂运算模块3的输出端与比例模块3的输入端相连；所述比例模块3的输出端分别与加法模块2和速度控制模块的输入端相连，输出总扰动估计值；所述幂运算模块2的输出端与比例模块2的输入端相连；所述比例模块2的输出端与加法模块2的一个输入端相连；所述加法模块2的另一个输入端与比例模块4的输出端相连；所述加法模块2的输出端分别与加法模块1和速度控制模块的输入端相连，输出内置式永磁同步电机的速度估计值；所述幂运算模块1的输出端与比例模块1的输入端相连；所述比例模块1的输出端与加法模块1的输入端相连；所述加法模块1的输出端分别与比较模块和速度控制模块的输入端相连，输出内置式永磁同步电机的位置估计值；所述速度控制模块的另一个输出端与执行单元的输入端相连；所述执行单元的输出端输出定子电流在d轴分量i_d和在q轴分量i_q，实现内置式永磁同步电机的位置跟踪。

所述比较模块和比例模块5组成计算单元；所述幂运算模块1、比例模块1和加法模块1组成位置估计单元；所述幂运算模块2、比例模块2、加法模块2和比例模块4组成速度估计单元；所述幂运算模块3和比例模块3组成总扰动估计单元。

一种内置式永磁同步电机抗干扰控制器的设计方法，所述内置式永磁同步电机动态方程为：

式中，θ、ω分别代表内置式永磁同步电机的转子角位置、转子角速度；把内置式永磁同步电机外部负载扰动和内部不确定部分作为总扰动，用f(θ,ω,t)来表示，并将其扩张为可微分的状态变量η；t代表时间；a代表1/J，为控制增益，同时J为转动惯量；u(t)代表电磁转矩T_e；y代表内置式永磁同步电机反馈的位置信号。

所描述的设计方法中，包括以下步骤：

A、控制器单元设计

控制器单元的输入为给定位置信号θ^*，输出控制信号u(t)。具体实施需要经过如下模块设计：

A1、信号处理模块设计

信号处理模块的输入为给定位置信号θ^*，经过信号处理模块的安排过渡后，得到给定位置信号的微分信号并对给定位置信号θ^*进行滤波，得到光滑的过程位置信号y_r。

A2、位置控制模块设计

位置控制模块的输入为信号处理模块输出的y_r、和内置永磁同步电机反馈的位置信号θ，内置式永磁同步电机反馈的位置信号与信息处理模块输出的过程位置信号y_r之间，存在一阶动态误差σ₁，其σ₁＝θ-y_r。为了稳定一阶动态误差，位置控制模块输出信号设计为：

其中，k₁是任意的正常数。

A3、滤波模块设计

滤波模块的输入为位置控制模块输出的信号α，将α在有限时间内通过滤波模块，经下式的运算得到滤波模块输出α的跟踪值z₂和其微分值

式中，γ是滤波模块的增益。

A4、速度控制模块设计

滤波模块输出信号z₂与位置估计单元输出信号速度估计单元输出信号和总扰动估计单元输出信号都作为速度控制模块的输入，内置式永磁同步电机速度估计值与滤波模块输出信号之间，存在二阶的动态误差σ₂，且为了稳定二阶动态误差，将速度控制器输出信号设计为：

其中，k₂是任意的正常数，δ为控制增益，β为指数函数幂指数，满足2/3<β≤1。

B、计算单元设计

计算单元的输入为内置式永磁同步电机反馈的位置信号θ、位置估计值输出位置估计单元、速度估计单元、总扰动估计单元的公共输入信号具体实施需要经过如下模块设计：

B1、比较模块设计

比较模块的一个输入为内置式永磁同步电机反馈的位置信号θ，另一个输入为位置估计单元输出的位置估计值进行下式比较：

得到内置式永磁同步电机的位置误差信号

B2、比例模块5设计

比例模块5的输入为比较模块输出的位置误差信号通过输入参数δ对位置误差信号进行缩放，如下式：

式中，δ为控制增益，得到比例模块5的输出信号其也是幂运算模块1、幂运算模块2和幂运算模块3的公共输入信号。

C、位置估计单元设计

位置估计单元设计的输入为比例模块5的输出信号输出位置估计值具体实施需要经过如下模块设计：

C1、幂运算模块1设计

幂运算模块1的输入为计算单元的输出信号，即计算单元中比例模块5的输出信号其是通过变量β对进行幂函数运算，如下式：

得到幂运算单元1输出信号θ₁。

C2、比例模块1设计

比例模块1的输入为幂运算模块1的输出信号θ₁，通过输入参数δ对幂运算模块1输出信号θ₁进行放缩，如下式：

得到比例模块1的输出信号θ₂，其为内置式永磁同步电机的位置估计单元输出信号的一部分。

C3、加法模块1设计

加法模块1的一个输入为比例模块1的输出信号θ₂，另一个输入为加法模块2输出的速度估计值经下式的运算得到：

得到位置估计值其作为速度控制模块和比较模块的输入。

D、速度估计单元设计

速度估计单元的三个输入分别为比例模块5的输出信号总扰动估计单元输出信号和速度控制模块输出的控制信号u(t)，输出为速度估计值具体实施需要经过如下模块设计：

D1、幂运算模块2设计

幂运算模块2的输入为计算单元的输出信号，即计算单元中比例模块5的输出信号其是通过变量β对进行幂函数运算，如下式：

得到幂运算模块2的输出信号ω₁。

D2、比例模块2设计

比例模块2的输入为幂运算模块2输出信号ω₁，对幂运算模块2输出信号ω₁进行放缩，如下式：

得到比例模块2的输出信号ω₂，其为内置式永磁同步电机速度估计单元输出信号的一部分。

D3、比例模块4设计

比例模块4的输入为速度控制模块输出的控制信号u(t)，对控制信号进行补偿，进行下式计算：

ω₃＝au(t) (12)

得到比例模块4的输出信号ω₃，其也为内置式永磁同步电机速度估计单元输出信号的一部分。

D4、加法模块2设计

加法模块2的三个输入分别为比例模块2的输出信号ω₂、比例模块4输出信号ω₃和比例模块3输出的总扰动估计值经下式的运算：

得到速度估计值其作为速度控制模块和位置估计单元的输入。

E、总扰动估计单元设计

总扰动估计单元的输入为比例模块5的输出信号输出为总扰动估计值具体实施需要经过如下模块设计：

E1、幂运算模块3设计

幂运算模块3的输入为计算单元的输出信号，即计算单元中比例模块5的输出信号其是通过变量β对进行幂函数运算，如下式：

得到幂运算模块3的输出信号η₁。

E2、比例模块3设计

比例模块3的输入为幂运算模块3输出信号η₁，通过输入参数δ对幂运算模块3输出信号η₁进行放缩，如下式：

得到总扰动信号估计值其作为速度控制模块和速度估计单元的输入。

F、执行单元设计

执行单元的输入为速度控制模块输出的控制信号u(t)，通过(16)电磁转矩方程的运算，得到定子电流在d轴分量i_d和在q轴分量i_q，并作为内置式永磁同步电机的输入。

式中，L_d和L_q分别为在d和q轴的定子电感；n_p为极对数；为永磁体产生的磁链。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

第一，本发明设计的抗干扰控制器解决了超调问题。从仿真跟踪的效果可知没有出现超调现象，所设计的非线性观测单元具有更快的响应速度特点，将可调参数降低为两个，通过调节参数β和δ对非线性观测单元的设计，大大降低了参数调节的复杂性；

第二，本发明设计的抗干扰控制器不依赖内置式永磁同步电机准确的数学模型和全部输出状态就能进行位置跟踪控制。控制器单元结合非线性动态面控制，引入了一阶滤波器，避免了求导引起的微分爆炸问题，保证了内置式永磁同步电机闭环控制的稳定性；

第三，本发明设计的非线性观测单元将把内置式永磁同步电机外部负载扰动和内部不确定部分作为总扰动，能够对总扰动、速度和位置进行准确的观测和估计，仿真结果说明能够实现良好的跟踪性能，提高了内置永磁同步电机的动态性能和抗干扰能力，有利于在控制伺服系统中的应用。

附图说明

图1是本发明内置式永磁同步电机抗干扰控制器结构示意图；

图2是本发明正弦给定时位置动态响应的仿真图；

图3是本发明正弦给定时跟踪误差响应的仿真图；

图4是本发明正弦给定时估计电机转速的仿真图；

图5是本发明阶跃给定时估计总扰动的仿真图；

图6是本发明阶跃给定时估计电机位置的仿真图；

图7是本发明阶跃给定时位置动态响应的仿真图；

具体实施方式

下面是根据理论分析验证正确性，并以此为例结合附图对本发明进行进一步说明。内置式永磁同步电机的具体参数如下：

额定电流3.0A，额定电压220V，额定功率750W，额定转矩2.39N·m，额定转矩2.39N·m，定子电阻2.88Ω，交轴、直轴电感分别为14.6mH、6.4mH，转动惯量1.82×10^-4kg/m²，磁极对数4，力矩系数0.8N·m/A。

在给定正弦信号θ^*＝sin(8πt)rad时，不加负载，仿真中非线性观测单元参数选择：δ＝1/777，β＝0.9，控制器单元的增益参数选择为：k₁＝1038，k₂＝0.26；给定阶跃信号和负载扰动时，在仿真中，0s时，给定位置1rad，在0.3s时加负载2N·m，0.5s时进行卸载，在0.7s时将给定位置恢复到0。

内置永磁同步电机在正弦位置给定的条件下，无负载的仿真结果如图2-4所示。图2为内置式永磁同步电机的转子位置动态响图，能够完美的跟踪给定信号，没有出现超调的现象。图3展示了跟踪误差图，从图上可知位置跟踪误差值在零附近。图4为估计转子速度图，非线性观测单元可以在极短的时间内实现电机转速跟踪。

内置永磁同步电机在阶跃给定的条件下，在加负载和卸载情况的仿真结果如图5-7所示，图5为估计总扰动图，负载发生变化的时候，非线性观测单元可以快速的估计总扰动。图6为估计转子位置图，非线性观测单元可以实现对转子位置的跟踪。图7为位置动态响应仿真图，图中不存在超调现象，并且0.3s和0.5s负载发生变化时，恢复稳定状态的时间较短，可以看出具有较好的抗干扰能力。

由上可知，本发明通过内置式永磁同步电机反馈的位置信号，非线性观测单元能够获得较好的位置跟踪，具有较好的动态性能和抗干扰能力，并且对位置、速度、总扰动进行准确的观测和估计。

本发明的保护范围不局限于此，任何在本发明披露的技术范围内，可想到的改变或替换，均列为本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种内置式永磁同步电机抗干扰控制器，其特征在于：包括控制器单元、非线性观测单元和执行单元，所述非线性观测单元包括计算单元、位置估计单元、速度估计单元和总扰动估计单元，所述控制器单元包括信号处理模块、位置控制模块、滤波模块和速度控制模块；

所述信号处理模块的输入端输入给定位置信号，其输出端与位置控制模块的一个输入端相连；所述的位置控制模块的另一输入端与内置式永磁同步电机相连，接收内置式永磁同步电机反馈的位置信号；所述位置控制模块的输出端与滤波模块的输入端相连；所述滤波模块的输出端与速度控制模块的输入端相连；所述速度控制模块的一个输出端与比例模块4的输入端相连；所述内置式永磁同步电机还与比较模块的一个输入端相连，比较模块接收内置式永磁同步电机反馈的位置信号；所述比较模块的另一输入端与加法模块1的输出端相连，接收内置式永磁同步电机的位置估计值；所述比较模块的输出端与比例模块5的输入端相连；所述比例模块5的输出端分别与幂运算模块1、幂运算模块2和幂运算模块3的输入端相连；所述幂运算模块3的输出端与比例模块3的输入端相连；所述比例模块3的输出端分别与加法模块2和速度控制模块的输入端相连，输出总扰动估计值；所述幂运算模块2的输出端与比例模块2的输入端相连；所述比例模块2的输出端与加法模块2的一个输入端相连；所述加法模块2的另一个输入端与比例模块4的输出端相连；所述加法模块2的输出端分别与加法模块1和速度控制模块的输入端相连，输出内置式永磁同步电机的速度估计值；所述幂运算模块1的输出端与比例模块1的输入端相连；所述比例模块1的输出端与加法模块1的输入端相连；所述加法模块1的输出端分别与比较模块和速度控制模块的输入端相连，输出内置式永磁同步电机的位置估计值；所述速度控制模块的另一个输出端与执行单元的输入端相连；所述执行单元的输出端输出定子电流在d轴分量i_d和在q轴分量i_q，实现内置式永磁同步电机的位置跟踪；

所述比较模块和比例模块5组成计算单元；所述幂运算模块1、比例模块1和加法模块1组成位置估计单元；所述幂运算模块2、比例模块2、加法模块2和比例模块4组成速度估计单元；所述幂运算模块3和比例模块3组成总扰动估计单元；

一种内置式永磁同步电机抗干扰控制器的设计方法，所述内置式永磁同步电机动态方程为：

式中，θ、ω分别代表内置式永磁同步电机的转子角位置、转子角速度；把内置式永磁同步电机外部负载扰动和内部不确定部分作为总扰动，用f(θ,ω,t)来表示，并将其扩张为可微分的状态变量η；t代表时间；a代表1/J，为控制增益，同时J为转动惯量；u(t)代表电磁转矩T_e；y代表内置式永磁同步电机反馈的位置信号；

所描述的设计方法中，包括以下步骤：

A、控制器单元设计

控制器单元的输入为给定位置信号θ^*，输出控制信号u(t)；具体实施需要经过如下模块设计：

A1、信号处理模块设计

信号处理模块的输入为给定位置信号θ^*，经过信号处理模块的安排过渡后，得到给定位置信号的微分信号并对给定位置信号θ^*进行滤波，得到光滑的过程位置信号y_r；

A2、位置控制模块设计

位置控制模块的输入为信号处理模块输出的y_r、和内置永磁同步电机反馈的位置信号θ，内置式永磁同步电机反馈的位置信号与信息处理模块输出的过程位置信号y_r之间，存在一阶动态误差σ₁，其σ₁＝θ-y_r；为了稳定一阶动态误差，位置控制模块输出信号设计为：

其中，k₁是任意的正常数；

A3、滤波模块设计

滤波模块的输入为位置控制模块输出的信号α，将α在有限时间内通过滤波模块，经下式的运算得到滤波模块输出α的跟踪值z₂和其微分值

式中，γ是滤波模块的增益；

A4、速度控制模块设计

滤波模块输出信号z₂与位置估计单元输出信号速度估计单元输出信号和总扰动估计单元输出信号都作为速度控制模块的输入，内置式永磁同步电机速度估计值与滤波模块输出信号之间，存在二阶的动态误差σ₂，且为了稳定二阶动态误差，将速度控制器输出信号设计为：

其中，k₂是任意的正常数，δ为控制增益，β为指数函数幂指数，满足2/3<β≤1；

B、计算单元设计

计算单元的输入为内置式永磁同步电机反馈的位置信号θ、位置估计值输出位置估计单元、速度估计单元、总扰动估计单元的公共输入信号具体实施需要经过如下模块设计：

B1、比较模块设计

比较模块的一个输入为内置式永磁同步电机反馈的位置信号θ，另一个输入为位置估计单元输出的位置估计值进行下式比较：

得到内置式永磁同步电机的位置误差信号

B2、比例模块5设计

比例模块5的输入为比较模块输出的位置误差信号通过输入参数δ对位置误差信号进行缩放，如下式：

式中，δ为控制增益，得到比例模块5的输出信号其也是幂运算模块1、幂运算模块2和幂运算模块3的公共输入信号；

C、位置估计单元设计

位置估计单元设计的输入为比例模块5的输出信号输出位置估计值具体实施需要经过如下模块设计：

C1、幂运算模块1设计

幂运算模块1的输入为计算单元的输出信号，即计算单元中比例模块5的输出信号其是通过变量β对进行幂函数运算，如下式：

得到幂运算单元1输出信号θ₁；

C2、比例模块1设计

比例模块1的输入为幂运算模块1的输出信号θ₁，通过输入参数δ对幂运算模块1输出信号θ₁进行放缩，如下式：

得到比例模块1的输出信号θ₂，其为内置式永磁同步电机的位置估计单元输出信号的一部分；

C3、加法模块1设计

加法模块1的一个输入为比例模块1的输出信号θ₂，另一个输入为加法模块2输出的速度估计值经下式的运算得到：

得到位置估计值其作为速度控制模块和比较模块的输入；

D、速度估计单元设计

速度估计单元的三个输入分别为比例模块5的输出信号总扰动估计单元输出信号和速度控制模块输出的控制信号u(t)，输出为速度估计值具体实施需要经过如下模块设计：

D1、幂运算模块2设计

幂运算模块2的输入为计算单元的输出信号，即计算单元中比例模块5的输出信号其是通过变量β对进行幂函数运算，如下式：

得到幂运算模块2的输出信号ω₁；

D2、比例模块2设计

比例模块2的输入为幂运算模块2输出信号ω₁，对幂运算模块2输出信号ω₁进行放缩，如下式：

得到比例模块2的输出信号ω₂，其为内置式永磁同步电机速度估计单元输出信号的一部分；

D3、比例模块4设计

比例模块4的输入为速度控制模块输出的控制信号u(t)，对控制信号进行补偿，进行下式计算：

ω₃＝au(t) (12)

得到比例模块4的输出信号ω₃，其也为内置式永磁同步电机速度估计单元输出信号的一部分；

D4、加法模块2设计

加法模块2的三个输入分别为比例模块2的输出信号ω₂、比例模块4输出信号ω₃和比例模块3输出的总扰动估计值经下式的运算：

得到速度估计值其作为速度控制模块和位置估计单元的输入；

E、总扰动估计单元设计

总扰动估计单元的输入为比例模块5的输出信号输出为总扰动估计值具体实施需要经过如下模块设计：

E1、幂运算模块3设计

幂运算模块3的输入为计算单元的输出信号，即计算单元中比例模块5的输出信号其是通过变量β对进行幂函数运算，如下式：

得到幂运算模块3的输出信号η₁；

E2、比例模块3设计

比例模块3的输入为幂运算模块3输出信号η₁，通过输入参数δ对幂运算模块3输出信号η₁进行放缩，如下式：

得到总扰动信号估计值其作为速度控制模块和速度估计单元的输入；

F、执行单元设计

执行单元的输入为速度控制模块输出的控制信号u(t)，通过(16)电磁转矩方程的运算，得到定子电流在d轴分量i_d和在q轴分量i_q，并作为内置式永磁同步电机的输入；

式中，L_d和L_q分别为在d和q轴的定子电感；n_p为极对数；为永磁体产生的磁链。