CN110995090B - 一种控制参数未知的异步电动机位置跟踪控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种控制参数未知的异步电动机位置跟踪控制器，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c表示转子角度参考值，

表示转子磁链参考值。本发明不但能够实现对模型不确定与负载扰动的估计，而且能够估计未知的控制参数，克服了现有神经网络和模糊控制方法假设控制参数已知的缺陷。

Description

一种控制参数未知的异步电动机位置跟踪控制器

技术领域

本发明涉及异步电动机控制技术领域，尤其涉及一种控制参数未知的异步电动机位置跟踪控制器。

背景技术

异步电动机因其结构简单、价格便宜、运行稳定、易于维护等优点，被大量应用于高铁电力牵引系统、电动汽车驱动系统等实际系统中。由于异步电动机的复杂非线性和负载动态特性的不确定性，使得精确模型参数的获得十分困难，同时，采用传感器对电机转速进行估计又使得控制系统可靠性降低且成本增加。因此，考虑系统模型不确定性、估计异步电动机控制参数以实现无传感器的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，国内外已取得相应的研究成果。Hu,J提出了一种能补偿异步电机参数不确定性和附加有界干扰的鲁棒跟踪控制器，得到了转子位置跟踪的有效结果。Huang,TC将模糊控制扩展到多层模糊控制，并应用于异步电机的高性能跟踪中。多层模糊控制第一层是执行层，第二层是监督层，分层拓扑结构可使控制器设计和调优更为简单。Yu,JP等人研究了带有参数不确定性和负载转矩扰动的异步电机位置跟踪控制问题。利用神经网络逼近非线性，采用自适应反步技术构造控制器。同时，还提出了基于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。然而，上述的控制方法只考虑了如何估计系统模型的不确定性，而异步电机的输入参数假设为已知或需实际测量。为解决输入参数的估计问题，学者们提出了各种参数辨识方法。Liu Yan和Qi Xiaoyan提出了龙伯格-滑模观测器在线辨识异步电机模型参数的新方法，它将龙伯格-滑模观测器和自适应辨识算法结合起来对定子电流和转子磁链进行在线实时跟踪和自适应调节，实时辨识出主要模型参数R_r和R_s。Campos,RD提出了基于最小二乘法的异步电动机参数辨识的两种方法：批估计法和递推估计法，目的是在电机由矢量控制系统驱动时，更新电机运行时的电气参数。辨识过程基于定子电流测量和定子磁通量估计。Holtz,J提出了异步电机无传感器控制技术，首先，为了取代传感器，从测量到的电机端电压和电流中提取转子速度信息。进而，为了实现异步电机的无传感器位置控制，通过向定子内注入高频电磁波来检测转子固有的空间各向异性，由此产生的定子电流谐波包含了与转子位置有关的频率分量，再利用锁相环技术提取转子位置信号。C.Schauder则将模型参考自适应应用到异步电机的参数辨识中，以不含真实转速的磁链方程作为参考模型，含有待辨识参数的磁链方程作为可调模型，将转子磁链的输出量作比较，辨识出电机转速。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，异步电动机系统的控制参数在实际应用中很难获得，现有的基于神经网络或模糊控制的异步电动机控制方法，虽然能够估计系统的不确定性，但是需要假设控制参数已知，因而限制了现有方法的应用。

第二，异步电动机系统中存在大量模型不确定和负载扰动，现有的基于自适应参数辨识的异步电动机控制方法，虽然能够实现参数的估计，但是却不能实现对内部不确定和外部扰动的统一估计。

第三，异步电动机的控制参数会关系到控制性能的优劣，现有的自适应方法虽然能够通过设计自适应率实现对控制参数的估计，但是却不能保证估计参数收敛到真实值，影响了现有方法的控制精度。

发明内容

根据上述提出的由于系统模型不确定性、异步电动机控制参数不可获得导致的控制性能不佳的技术问题，而提供一种控制参数未知的异步电动机位置跟踪控制器。本发明针对考虑铁损的异步电动机，将有限时间系统参数辨识技术与ESO相结合，提出一种控制参数未知的异步电动机位置跟踪控制器结构及设计方法。利用有限时间系统参数辨识技术估计出异步电动机输入参数，利用ESO估计出系统不确定性和影响系统输出的外部扰动的总和，即控制参数均由上述技术估计出，由此实现了控制参数未知。不仅解决了系统不确定性难以观测的问题，同时无需传感器测量异步电机输入量，显著降低了控制器结构及整个控制系统的复杂性。

本发明采用的技术手段如下：

一种控制参数未知的异步电动机位置跟踪控制器，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。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

第一，本发明针对控制参数未知的异步电动机系统，提出一种基于自适应扩张状态观测器的动态面控制方法，不但能够实现对模型不确定与负载扰动的估计，而且能够估计未知的控制参数，克服了现有神经网络和模糊控制方法假设控制参数已知的缺陷。

第二，现有的基于参数自适应的异步电动机控制方法，只能估计系统中的不确定参数，不能实现模型不确定与负载扰动的估计，而本发明所提的基于自适应扩张状态观测器的动态面控制方法不但能够估计控制参数，而且实现了内扰和外扰的统一估计。

第三，现有的基于参数自适应的异步电动机控制方法，虽然能够估计控制参数，但是不能保证估计参数的收敛性，而本发明提出的自适应扩张状态观测器能够保证控制参数的估计值收敛到真实值，显著提高了异步电动机系统的控制精度。

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是控制参数未知的异步电动机位置跟踪控制器结构示意图。

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observer第一个观测值

与实际值B₁曲线图。

图7是observer第二个观测值

与实际值B₂曲线图。

图8是observer第三个观测值

与实际值B₃曲线图。

图9是observer第四个观测值

与实际值B₄曲线图。

图10是ESO对转子角速度观测值

与实际值ω_r曲线图。

图11是ESO第一个观测值

与实际值s₁曲线图。

图12是ESO第二个观测值

与实际值s₂曲线图。

图13是ESO第三个观测值

与实际值s₃曲线图。

图14是ESO第四个观测值

与实际值s₄曲线图。

图15是ESO第五个观测值

与实际值s₅曲线图。

图16是ESO第六个观测值

与实际值s₆曲线图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，而不是全部的实施例。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，都应当属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种控制参数未知的异步电动机位置跟踪控制器结构，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、ESO单元、observer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ESO单元的输出端相连、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转子角度信号Θ、q轴励磁电流信号i_qm、转子磁链信号

和observer单元的输出端相连、ESO单元的输出端分别与线性控制单元的输入端、observer单元的输入端和比较器单元相连；observer单元的输入端分别与异步电动机转子角速度信号ω_r、q轴励磁电流信号i_qm、转子磁链信号

和ESO单元输出端相连、observer单元的输出端分别与ESO单元的输入端和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，一个输入端与异步电动机转子磁链信号

相连，一个输入端与异步电动机负载转矩信号T_L相连，另一个输入端与ESO单元的输出端相连，还有一个输入端与observer单元的输出端相连、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、ESO单元、observer单元、线性控制单元构成，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与滤波器单元的输出端和异步电动机q轴励磁电流信号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轴励磁电流信号i_qm、q轴定子电流信号i_qs和observer单元的输出端相连、ESO单元的输出端分别与线性控制单元的输入端和observer单元的输入端相连；observer单元的输入端分别与异步电动机q轴励磁电流信号i_qm、q轴定子电流信号i_qs和ESO单元的输出端相连、observer单元的输出端分别与ESO单元的输入端和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，一个输入端与滤波器单元的输出端相连，另一个输入端与ESO单元的输出端相连，还有一个输入端与observer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、ESO单元、observer单元、线性控制单元构成，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与滤波器单元的输出端和异步电动机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轴定子电流信号i_qs、observer单元的输出端和线性控制单元的输出端相连、ESO单元的输出端分别与线性控制单元的输入端和observer单元的输入端相连；observer单元的输入端分别与异步电动机q轴定子电流信号i_qs、ESO单元的输出端和线性控制单元的输出端相连、observer单元的输出端分别与ESO单元的输入端和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，一个输入端与滤波器单元的输出端相连，另一个输入端与ESO单元的输出端相连，还有一个输入端与observer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、ESO单元、observer单元、线性控制单元构成，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信号

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信号

d轴励磁电流信号i_dm和observer单元的输出端相连、ESO单元的输出端分别与线性控制单元的输入端和observer单元的输入端相连；observer单元的输入端分别与异步电动机转子磁链信号

d轴励磁电流信号i_dm和ESO单元的输出端相连、observer单元的输出端分别与ESO单元的输入端和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，一个输入端与微分器单元的输出端相连，另一个输入端与ESO单元的输出端相连，还有一个输入端与observer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、ESO单元、observer单元、线性控制单元构成，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轴励磁电流信号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轴励磁电流信号i_dm、d轴定子电流信号i_ds和observer单元的输出端相连、ESO单元的输出端分别与线性控制单元的输入端和observer单元的输入端相连；observer单元的输入端分别与异步电动机d轴励磁电流信号i_dm、d轴定子电流信号i_ds和ESO单元的输出端相连、observer单元的输出端分别与ESO单元的输入端和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，一个输入端与滤波器单元的输出端相连，另一个输入端与ESO单元的输出端相连，还有一个输入端与observer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、ESO单元、observer单元、线性控制单元构成，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轴定子电流信号i_ds、observer单元的输出端和线性控制单元的输出端相连、ESO单元的输出端分别与线性控制单元的输入端和observer单元的输入端相连；observer单元的输入端分别与异步电动机d轴定子电流信号i_ds、ESO单元的输出端和线性控制单元的输出端相连、observer单元的输出端分别与ESO单元的输入端和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，一个输入端与滤波器单元的输出端相连，另一个输入端与ESO单元的输出端相连，还有一个输入端与observer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。

辨识输入参数如下：

估计未知非线性项如下：

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。

上述控制器的设计方法包括一下步骤：

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 (4)

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ESO单元的输出信号

相连，经下列变换得到比较器单元的输出端信号z₂

B3、第2级ESO单元：第2级ESO单元输入端分别与异步电动机转子角度信号Θ、q轴励磁电流信号i_qm和转子磁链信号

相连，同时与第2级observer单元的输出信号

相连，所述信号经过ESO单元

其中，

表示Θ的估计值，

表示系统控制输入，λ₁,λ₂,λ₃＞0，得到第2级ESO单元输出信号

和

即异步电动机转子角速度ω_r和被控系统未知非线性项s₁的估计值；

B4、第2级observer单元：第2级observer单元输入端与异步电动机q轴励磁电流信号i_qm和转子磁链信号

相连，同时与ESO单元输出信号

和

相连，所述信号经过observer单元

其中，k_m1和k_c1表示正标量增益，

表示ω_r的估计值，且存在以下关系

得到第2级observer单元输出信号

即被辨识参数B₁的估计值；

B5、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，一个输入端与异步电动机转子磁链

信号相连，一个输入端与异步电动机负载转矩信号T_L相连，另一个输入端与第2级ESO单元的输出信号

相连，还有一个输入端与第2级observer输出信号

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 (13)

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，同时与第3级observer单元的输出信号

相连，所述信号经过ESO单元

其中，

表示i_qm的估计值，

表示系统控制输入，λ₄,λ₅＞0，得到第3级ESO单元输出信号

即被控系统未知非线性项s₂的估计值；

C4、第3级observer单元：第3级observer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，同时与ESO单元输出信号

相连，所述信号经过observer单元

其中，k_m2和k_c2表示正标量增益，

表示i_qm的估计值，且存在以下关系

得到第3级observer单元输出信号

即被辨识参数B₂的估计值；

C5、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，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ESO单元的输出信号

相连，还有一个输入端与observer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 (19)

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，同时与第4级observer单元的输出信号

相连，所述信号经过ESO单元

其中，

表示i_qs的估计值，

表示控制输入，λ₆,λ₇＞0，得到第4级ESO单元输出信号

即被控系统未知非线性项s₃的估计值；

D4、第4级observer单元：第4级observer单元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，同时与ESO单元输出信号

相连，所述信号经过observer单元

其中，k_m3和k_c3表示正标量增益，

表示i_qs的估计值，且存在以下关系

得到第4级observer单元输出信号

即被辨识参数B₃的估计值；

D5、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，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ESO单元的输出信号

相连，还有一个输入端与observer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，同时与第5级observer单元的输出信号

相连，所述信号经过ESO单元

其中

表示

的估计值，

表示控制输入，λ₈,λ₉＞0，得到第5级ESO单元输出信号

即被控系统未知非线性项s₄的估计值；

E4、第5级observer单元：第5级observer单元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，同时与ESO单元输出信号

相连，所述信号经过observer单元

其中，k_m4和k_c4表示正标量增益，

表示

的估计值，且存在以下关系

得到第4级observer单元输出信号

即被辨识参数B₄的估计值；

E5、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，一个输入端与微分器单元的输出信号

相连，另一个输入端与ESO单元的输出信号

相连，还有一个输入端与observer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 (30)

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，同时与第6级observer单元的输出信号

相连，所述信号经过ESO单元

其中，

表示i_dm的估计值，

表示控制输入，λ₁₀,λ₁₁＞0，得到第6级ESO单元输出信号

即被控系统未知非线性项s₅的估计值；

F4、第6级observer单元：第6级observer单元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，同时与ESO单元输出信号

相连，所述信号经过observer单元

其中，k_m5和k_c5表示正标量增益，

表示i_dm的估计值，且存在以下关系

得到第6级observer单元输出信号

即被辨识参数B₂的估计值；

F5、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，一个输入端与滤波器单元的输出端信号α₄相连，另一个输入端与ESO单元的输出信号

相连，还有一个输入端与observer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 (36)

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，同时与第7级observer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，

表示控制输入，λ₁₂,λ₁₃＞0，得到第7级ESO单元输出信号

即被控系统未知非线性项s₆的估计值；

G4、第7级observer单元：第7级observer单元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，同时与ESO单元输出信号

相连，所述信号经过observer单元

其中，k_m6和k_c6表示正标量增益，

表示i_ds的估计值，且存在以下关系

得到第7级observer单元输出信号

即被辨识参数B₃的估计值；

G5、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。

下面通过一个具体的应用实例，对本发明的效果做进一步说明：

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，ζ₃＝0.009，ζ₄＝ζ₅＝0.00025。

ESO设计参数λ₁＝25，λ₂＝2500，λ₃＝8000，λ₄＝λ₆＝λ₈＝λ₁₀＝λ₁₂＝60，λ₅＝λ₇＝λ₉＝λ₁₁＝λ₁₃＝900。

observer设计参数k_m1＝10，k_c1＝1000；k_m2＝1050，k_c2＝150；k_m3＝15000，k_c3＝3；k_m4＝100，k_c4＝1450。

由图2～5可看出，本发明设计的控制参数未知的异步电动机位置跟踪控制器系统控制效果较好，转子实际角度和转子实际磁链在1s内即可跟踪上期望信号，并且跟踪误差稳定在0附近，跟踪控制的速度及跟踪精确性能优越。在t＝10s时，仿真加入了负载扰动，负载转矩由T_L＝0.5变为T_L＝1。在加入负载扰动的1s内，转子角度跟踪误差出现了明显的波动，但转子实际角度很快又能跟踪上期望信号，表现出一定的抗扰能力；而转子磁链在负载扰动下，基本未出现波动。

由此可见，在负载扰动下，本发明设计的控制参数未知的异步电动机位置跟踪控制器鲁棒性较强。由图6～9可以看出，observer对异步电动机输入参数的估计值在不到0.1s即可跟踪上实际值，且在负载扰动下均未受到影响，估计误差很小，达到了理想效果。由图10～16可以看出，ESO对异步电动机转子角速度和6个不确定项的观测值均可在1s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 (6)

1.一种控制参数未知的异步电动机位置跟踪控制器，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；

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Θ_r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；所述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级子控制器包括滤波器单元、比较器单元、ESO单元、observer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ESO单元的输出端相连、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转子角度信号Θ、q轴励磁电流信号i_qm、转子磁链信号

和observer单元的输出端相连、ESO单元的输出端分别与线性控制单元的输入端、observer单元的输入端和比较器单元相连；所述observer单元的输入端分别与异步电动机转子角速度信号ω_r、q轴励磁电流信号i_qm、转子磁链信号

和ESO单元输出端相连、observer单元的输出端分别与ESO单元的输入端和线性控制单元的输入端相连；所述线性控制单元的输入端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信号

相连、异步电动机负载转矩信号T_L、ESO单元的输出端以及observer单元的输出端相连，线性控制单元的输出端与第3级子控制器输入端相连。

2.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述的第3级子控制器包括滤波器单元、比较器单元、ESO单元、observer单元、线性控制单元；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和异步电动机q轴励磁电流信号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轴励磁电流信号i_qm、q轴定子电流信号i_qs和observer单元的输出端相连、ESO单元的输出端分别与线性控制单元的输入端和observer单元的输入端相连；所述observer单元的输入端分别与异步电动机q轴励磁电流信号i_qm、q轴定子电流信号i_qs和ESO单元的输出端相连、observer单元的输出端分别与ESO单元的输入端和线性控制单元的输入端相连；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、ESO单元的输出端相连以及observer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。

3.根据权利要求2所述的控制器，其特征在于，所述的第4级子控制器包括滤波器单元、比较器单元、ESO单元、observer单元、线性控制单元；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与滤波器单元的输出端和异步电动机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轴定子电流信号i_qs、observer单元的输出端和线性控制单元的输出端相连、ESO单元的输出端分别与线性控制单元的输入端和observer单元的输入端相连；所述observer单元的输入端分别与异步电动机q轴定子电流信号i_qs、ESO单元的输出端和线性控制单元的输出端相连、observer单元的输出端分别与ESO单元的输入端和线性控制单元的输入端相连；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、ESO单元的输出端以及observer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。

4.根据权利要求3所述的控制器，其特征在于，所述的第5级子控制器包括比较器单元、微分器单元、ESO单元、observer单元、线性控制单元；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信号

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信号

d轴励磁电流信号i_dm和observer单元的输出端相连、ESO单元的输出端分别与线性控制单元的输入端和observer单元的输入端相连；所述observer单元的输入端分别与异步电动机转子磁链信号

d轴励磁电流信号i_dm和ESO单元的输出端相连、observer单元的输出端分别与ESO单元的输入端和线性控制单元的输入端相连；所述线性控制单元的输入端与比较器单元的输出端、微分器单元的输出端、ESO单元的输出端以及observer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。

5.根据权利要求4所述的控制器，其特征在于，所述的第6级子控制器包括滤波器单元、比较器单元、ESO单元、observer单元、线性控制单元；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轴励磁电流信号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轴励磁电流信号i_dm、d轴定子电流信号i_ds和observer单元的输出端相连、ESO单元的输出端分别与线性控制单元的输入端和observer单元的输入端相连；所述observer单元的输入端分别与异步电动机d轴励磁电流信号i_dm、d轴定子电流信号i_ds和ESO单元的输出端相连、observer单元的输出端分别与ESO单元的输入端和线性控制单元的输入端相连；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相、ESO单元的输出端以及observer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。

6.根据权利要求5所述的控制器，其特征在于，所述的第7级子控制器包括滤波器单元、比较器单元、ESO单元、observer单元、线性控制单元；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轴定子电流信号i_ds、observer单元的输出端和线性控制单元的输出端相连、ESO单元的输出端分别与线性控制单元的输入端和observer单元的输入端相连；所述observer单元的输入端分别与异步电动机d轴定子电流信号i_ds、ESO单元的输出端和线性控制单元的输出端相连、observer单元的输出端分别与ESO单元的输入端和线性控制单元的输入端相连；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、ESO单元的输出端以及observer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。

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