CN111010062A - 一种采用级联结构的永磁同步电机鲁棒速度控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用级联结构的永磁同步电机鲁棒速度控制方法，该方法包括：步骤1，建立永磁同步电机数学模型；步骤2，构建外部系统用于产生参考信号与干扰信号，并与电机模型组成一个复合系统；步骤3，基于速度‑电流环的级联控制器设计结构，针对速度环设计内模控制器；步骤4，针对电流环设计PI控制器并给出最终控制器。本发明解决了实际控制中复杂干扰和电机参数摄动影响跟踪性能的问题，具有良好的速度跟踪性能。此外，本发明所提出的控制方法允许所有的电机参数未知。

Description

一种采用级联结构的永磁同步电机鲁棒速度控制方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机控制领域，具体涉及一种采用级联结构的永磁同步电机鲁棒速度控制方法。
背景技术
现代交流伺服系统中，永磁同步电机以其优异的性能在航天航空领域、工业自动化、数控机床及机器人等场所得到了广泛应用。永磁同步电机是一个多变量、强耦合、非线性的复杂对象，采用常规的PID控制，虽能满足一定范围内的控制要求，但由于极易受到外来的扰动以及电机内部参数变化的影响，难以得到满意的调速性能。
采用速度-电流环的级联结构控制永磁同步电机，其中速度环采用内模控制方法，电流环采用PI控制方法，其优点在于解决了实际控制中复杂干扰和电机参数摄动影响跟踪性能的问题，具有良好的速度跟踪性能。此外，所提出的控制方法允许所有的电机参数未知。
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种采用级联结构的永磁同步电机鲁棒速度控制方法。
本发明的技术方案是：
本发明的一种采用级联结构的永磁同步电机鲁棒速度控制方法，该方法包含以下步骤：
步骤1：建立永磁同步电机数学模型；
步骤2：构建外部系统用于产生参考信号与干扰信号，并与电机模型组成一个复合系统；
步骤3：基于速度-电流环的级联控制器设计结构，针对速度环设计内模控制器；
步骤4：基于速度-电流环的级联控制器设计结构，针对电流环设计PI控制器并给出最终控制器。
进一步地，一种采用级联结构的永磁同步电机鲁棒速度控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
永磁同步电机数学模型为：
Figure BDA0002328655520000021
其中ud、uq分别是定子电压的d-q轴分量，id、iq分别是定子电流的d-q轴分量， L是电枢电感，Rs是定子的电阻，p是极对数，Φv是永磁体磁链，ωr是实际机械角速度，TL是负载转矩，J是电机转子转动惯量，B是粘滞摩擦系数。
进一步地，一种采用级联结构的永磁同步电机鲁棒速度控制方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
1)本方法假定参考速度ωd和负载转矩TL可由以下外部系统产生：
Figure BDA0002328655520000022
其中R,C1,C2为三个定常矩阵。所述外部系统具有一般性，可产生实际中常用的信号。
2)令x＝ωr，
Figure BDA0002328655520000023
iq作为控制输入u且将被用作iq电流环的参考信号。将系统(1)的速度方程写为如下形式：
Figure BDA0002328655520000031
3)定义跟踪误差为：
e＝C1σ-ωr (4)
4)令
Figure BDA0002328655520000032
其中
Figure BDA0002328655520000033
表示永磁同步电机各个参数的标称值，L，Rs，Φv，J,B表示永磁同步电机各个参数的实际值，ε∈R5表示永磁同步电机参数的实际值和标称值的偏差。将式(2)和式(3)写成如下复合系统：
Figure BDA0002328655520000034
其中f(x,u,σ,ε)＝-ax+bu-J-1C2σ,h(x,u,σ,ε)＝C1σ-x。
进一步地，一种采用级联结构的永磁同步电机鲁棒速度控制方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
1)计算R的最小多项式为如下形式：
α(λ)＝λn+α1λn-1+…+α(n-1)λ+αn
其中n为正常数。
2)设计内模为如下形式：
Figure BDA0002328655520000035
其中
Figure BDA0002328655520000036
3)将(5)(6)式联立，取xc＝col(x,z)，得到如下增广系统：
Figure BDA0002328655520000037
其中
Figure BDA0002328655520000041
4)对系统(7)设计状态反馈控制器如下：
Figure BDA0002328655520000042
其中K1和K2为定常矩阵，使得Ac+Bc[K1 K2]的所有特征值都具有负实部。
进一步地，一种采用级联结构的永磁同步电机鲁棒速度控制方法，其特征在于，采用速度-电流环的级联结构结合
Figure BDA0002328655520000043
的矢量控制策略，所述步骤4具体为：
1)采用PI控制方法，电流环的控制器为：
Figure BDA0002328655520000044
其中
Figure BDA0002328655520000045
2)结合(8)和(9)，得到最终控制器为:
Figure BDA0002328655520000046
本发明地优点是：
本发明解决了实际控制中复杂干扰和电机参数摄动影响跟踪性能的问题，具有良好的速度跟踪性能；此外，本发明所提出的控制方法允许所有的电机参数未知。
附图说明
图1为本发明永磁同步电机控制框图；
图2为本发明速度跟踪曲线；
图3为本发明id电流曲线；
图4为本发明iq电流曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的说明。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。
如图1、2所示，本发明的一种采用级联结构的永磁同步电机鲁棒速度控制方法，该方法包含以下步骤：
步骤1：建立永磁同步电机数学模型；
步骤2：构建外部系统用于产生参考信号与干扰信号，并与电机模型组成一个复合系统；
步骤3：基于速度-电流环的级联控制器设计结构，针对速度环设计内模控制器；
步骤4：基于速度-电流环的级联控制器设计结构，针对电流环设计PI控制器并给出最终控制器。
步骤1具体为：
永磁同步电机数学模型为：
Figure BDA0002328655520000051
其中ud、uq分别是定子电压的d-q轴分量，id、iq分别是定子电流的d-q轴分量，L是电枢电感，Rs是定子的电阻，p是极对数，Φv是永磁体磁链，ωr是实际机械角速度，TL是负载转矩，J是电机转子转动惯量，B是粘滞摩擦系数。
步骤2具体为：
1)本方法假定参考速度ωd和负载转矩TL可由以下外部系统产生：
Figure BDA0002328655520000061
其中R,C1,C2为三个定常矩阵；所述外部系统具有一般性，可产生实际中常用的信号。
2)令x＝ωr，
Figure BDA0002328655520000062
iq作为控制输入u且将被用作iq电流环的参考信号。将系统(1)的速度方程写为如下形式：
Figure BDA0002328655520000063
3)定义跟踪误差为：
e＝C1σ-ωr (4)
4)令
Figure BDA0002328655520000064
其中
Figure BDA0002328655520000065
表示永磁同步电机各个参数的标称值，L，Rs，Φv，J,B表示永磁同步电机各个参数的实际值，ε∈R5表示永磁同步电机参数的实际值和标称值的偏差。将式(2)和式(3)写成如下复合系统：
Figure BDA0002328655520000066
其中f(x,u,σ,ε)＝-ax+bu-J-1C2σ,h(x,u,σ,ε)＝C1σ-x。
步骤3具体为：
1)计算R的最小多项式为如下形式：
α(λ)＝λn+α1λn-1+…+α(n-1)λ+αn
其中n为正常数。
2)设计内模为如下形式：
Figure BDA0002328655520000071
其中
Figure BDA0002328655520000072
3)将(5)(6)式联立，取xc＝col(x,z)，得到如下增广系统：
Figure BDA0002328655520000073
其中
Figure BDA0002328655520000074
4)对系统(7)设计状态反馈控制器如下：
Figure BDA0002328655520000075
其中K1和K2为定常矩阵，使得Ac+Bc[K1 K2]的所有特征值都具有负实部。
采用速度-电流环的级联结构结合
Figure BDA0002328655520000076
的矢量控制策略，步骤4具体为：
1)采用PI控制方法，电流环的控制器为：
Figure BDA0002328655520000077
其中
Figure BDA0002328655520000078
2)结合(8)和(9)，得到最终控制器为：
Figure BDA0002328655520000079
为了验证所提方法的有效性，现提供本发明的一个实例。
所选用的永磁同步电机，具体参数见附表1。
Figure BDA0002328655520000081
表1本发明使用的永磁同步电机参数标称值
负载转矩TL＝0.2sin(t)N·m，参考信号ωd＝1000r/min，则外部系统参数如下：
Figure BDA0002328655520000082
C1＝[1 0 0]，C2＝[0 1 0]。
控制器参数选择如下：
Figure BDA0002328655520000083
K1＝-0.5，K2＝[-45 -34 -16]。
id和iq电流环PI参数分别为：
kp1＝1，ki1＝0.02，kp2＝1，ki2＝0.02。
采用上述的一系列参数，应用本发明方法控制永磁同步电机，得到附图所示的实验结果。图2为速度跟踪曲线，图中曲线反映了所设计的控制器在复杂干扰和电机参数摄动的条件下有良好的速度跟踪性能，图3和图4分别为永磁同步电机id和iq电流曲线，验证了本发明的实际可行性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种采用级联结构的永磁同步电机鲁棒速度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立永磁同步电机数学模型；
步骤2：构建外部系统用于产生参考信号与干扰信号，并与电机模型组成一个复合系统；
步骤3：基于速度-电流环的级联控制器设计结构，针对速度环设计内模控制器；
步骤4：基于速度-电流环的级联控制器设计结构，针对电流环设计PI控制器并给出最终控制器。
2.如权利要求1所述的一种采用级联结构的永磁同步电机鲁棒速度控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
永磁同步电机数学模型为：
Figure FDA0002328655510000011
其中ud、uq分别是定子电压的d-q轴分量，id、iq分别是定子电流的d-q轴分量，L是电枢电感，Rs是定子的电阻，p是极对数，Φv是永磁体磁链，ωr是实际机械角速度，TL是负载转矩，J是电机转子转动惯量，B是粘滞摩擦系数。
3.如权利要求2所述的一种采用级联结构的永磁同步电机鲁棒速度控制方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
1)本方法假定参考速度ωd和负载转矩TL可由以下外部系统产生：
Figure FDA0002328655510000021
其中R,C1,C2为三个定常矩阵；所述外部系统具有一般性，可产生实际中常用的信号；
2)令x＝ωr，
Figure FDA0002328655510000022
iq作为控制输入u且将被用作iq电流环的参考信号；将系统(1)的速度方程写为如下形式：
Figure FDA0002328655510000023
3)定义跟踪误差为：
e＝C1σ-ωr (4)
4)令
Figure FDA0002328655510000024
其中
Figure FDA0002328655510000025
Figure FDA0002328655510000026
表示永磁同步电机各个参数的标称值，L，Rs，Φv，J,B表示永磁同步电机各个参数的实际值，ε∈R5表示永磁同步电机参数的实际值和标称值的偏差，将式(2)和式(3)写成如下复合系统：
Figure FDA0002328655510000027
其中f(x,u,σ,ε)＝-ax+bu-J-1C2σ,h(x,u,σ,ε)＝C1σ-x。
4.如权利要求3所述的一种采用级联结构的永磁同步电机鲁棒速度控制方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
1)计算R的最小多项式为如下形式：
α(λ)＝λn+α1λn-1+…+α(n-1)λ+αn
其中n为正整数；
2)设计内模为如下形式：
Figure FDA0002328655510000031
其中
Figure FDA0002328655510000032
3)将(5)(6)式联立，令xc＝col(x,z)，得到如下增广系统：
Figure FDA0002328655510000033
其中
Figure FDA0002328655510000034
4)对系统(7)设计状态反馈控制器如下：
Figure FDA0002328655510000035
其中K1和K2为定常矩阵，使得Ac+Bc[K1 K2]的所有特征值都具有负实部。
5.如权利要求4所述的一种采用级联结构的永磁同步电机鲁棒速度控制方法，其特征在于，采用速度-电流环的级联结构结合
Figure FDA0002328655510000036
的矢量控制策略，所述步骤4具体为：
1)采用PI控制方法，电流环的控制器为：
Figure FDA0002328655510000037
其中
Figure FDA0002328655510000038
2)结合(8)和(9)，得到最终控制器为：
Figure FDA0002328655510000041
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