CN112564565A - 一种永磁同步电机伺服系统的全回路抗干扰鲁棒控制方法 - Google Patents

Abstract

一种永磁同步电机伺服系统的全回路抗干扰鲁棒控制方法，首先，建立永磁同步电机伺服系统标称模型；其次，设计电流环干扰观测器，对电流环所受干扰和建模误差进行实时估计与补偿；再次，设计电流环控制器，保证电流环的跟踪性能；然后，设计速度环干扰观测器，对速度环所受干扰和建模误差进行实时估计与补偿；最后根据回路成型优化技术思想设计速度环鲁棒控制器，保证永磁同步电机伺服系统的鲁棒性能。本发明通过永磁同步电机伺服系统全回路抗干扰鲁棒控制设计，增强了永磁同步电机伺服系统的抗干扰能力与鲁棒性，保证了永磁同步电机伺服系统的干扰抑制能力与速度跟踪精度，可解决永磁同步电机伺服系统驱动场合中的抗干扰控制问题，如控制力矩陀螺、数控机床、机器人、雷达系统等。

Description

一种永磁同步电机伺服系统的全回路抗干扰鲁棒控制方法

技术领域

本发明属于伺服系统控制领域，具体涉及一种永磁同步电机伺服系统的全回路抗干扰鲁棒控制方法。

背景技术

永磁同步电机具有高功率密度、转矩电流比大、高可靠性、易于维护、结构简单、体积小和重量轻等优点，被广泛应用于对响应速度、调速范围、速度或位置跟踪精度具有较高要求的控制系统中，例如数控机床、工业机器人、控制力矩陀螺、高速列车、雷达等。

然而，在实际工作环境中，永磁同步电机伺服系统的高精度控制面临着多源干扰的影响和制约。多源干扰主要可以分为以下几类：(1)死区效应和非线性摩擦：死区效应和非线性摩擦均具有高度非线性、难以精确建模和补偿的特点，会造成永磁同步电机在低速工作时出现爬行、跟踪滞后和极限环等问题；(2)齿槽力矩：齿槽力矩是由转子磁通和定子磁阻发生变化时相互作用产生的，会造成永磁同步电机伺服系统电流摄动；(3)测量误差：在永磁同步电机伺服系统中，电流、速度和位置测量中均不可避免存在测量误差，这些误差叠加在一起造成永磁同步电机伺服系统的定子电流摄动；(4)模型参数摄动与未建模动态：永磁同步电机伺服系统理想模型常常忽略一些高阶动态特性，与实际模型存在一定差异，而且外部环境温度、湿度等环境因素的变化也会造成电机参数摄动，降低永磁同步电机伺服系统控制精度；(5)外部负载转矩：由于永磁同步电机伺服系统工作环境复杂多变，施加和移除负载转矩都会引起速度或者位置的瞬态波动，严重降低永磁同步电机伺服系统控制精度。综上所述，永磁同步电机伺服系统是一类受到多源干扰影响的复杂非线性系统。因此，在多源干扰情况下保证永磁同步电机伺服系统速度调节精度是一项关键技术，对永磁同步电机伺服系统工程应用具有重要意义。

目前，针对永磁同步电机伺服系统速度调节问题，国内外专家学者提出很多控制方法，文章《基于预测函数控制与扰动观测器的的永磁同步电机速度控制》设计扰动观测器估计永磁同步电机外部扰动并基于预测函数设计速度控制器以降低转矩波动对永磁同步电机速度控制精度的影响，提高电机的速度跟踪性能，但该论文未考虑外部谐波扰动与电流环扰动对永磁同步电机速度控制造成的影响。专利申请号201710150685.1提出了一种基于线性扩张观测器的永磁直线同步电机滑模控制系统，该专利通过设计滑模控制器对永磁直线同步电机进行控制，并设计线性扩张观测器对干扰进行估计以削弱抖振现象，实现永磁直线同步电机对干扰的抑制以及对位移信号的准确跟踪。但此方法没有充分考虑电流环内部的干扰对永磁直线同步电机系统的影响，另外所设计滑模控制器带来的抖振问题会也降低永磁同步电机控制精度。综上所述，多源干扰情况下的永磁同步电机伺服系统的高精度控制问题仍是亟需解决的难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对多源干扰情况下永磁同步电机伺服系统控制精度低的问题，提供一种永磁同步电机伺服系统的全回路抗干扰鲁棒控制方法，抑制永磁同步电机伺服系统在工作过程中受到的多源干扰，提高永磁同步电机伺服系统控制精度，且该方法具有结构灵活可剪裁、抗干扰能力强和工程实用性强等优点。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种永磁同步电机伺服系统的全回路抗干扰鲁棒控制方法，通过永磁同步电机伺服系统设计电流环与速度环干扰观测器对电流环与速度环中存在的干扰与不确定性进行实时估计与补偿，并分别根据电流环与速度环的干扰估计值设计电流环反馈控制器与速度环鲁棒控制器保证永磁同步电机伺服系统的跟踪性能及鲁棒性，实现永磁同步电机伺服系统高精度控制。

具体包括以下步骤：

第一步，根据永磁同步电机转速输出量与电流输入量之间的动力学关系建立永磁同步电机伺服系统标称模型；

第二步，根据第一步的标称模型，设计电流环干扰观测器，对电流环所受干扰进行实时估计，得到电流环干扰的实时估计值；

第三步，根据第二步获得的电流环干扰估计值设计电流环控制器，保证电流环的跟踪性能；

第四步，设计速度环干扰观测器，对速度环所受干扰进行实时估计，得到速度环干扰的估计值；

第五步，根据回路成型优化技术设计速度环鲁棒控制器对永磁同步电机闭环回路鲁棒稳定性和伺服性能权衡优化，并与第四步设计的速度环干扰的估计值进行复合，利用第四步干扰估计值对速度环干扰进行补偿，得到速度环鲁棒复合控制器，保证永磁同步电机伺服系统的鲁棒性能和抗干扰性能。

针对实际工作时面临多源干扰的永磁同步电机伺服系统，首先在永磁同步电机伺服系统实际运行环境中收集相关参数样本信息，用最小二乘辨识算法辨识框架伺服系统的定子电感、定子电阻、转动惯量等相关样本信息，根据永磁同步电机转速输出量与电流输入量之间的动力学关系建立永磁同步电机伺服系统标称模型；其次，设计电流环干扰观测器，对电流环所受干扰和建模误差进行实时估计；再次，根据电流环干扰估计值设计电流环控制器，保证电流环的跟踪性能；然后，设计速度环干扰观测器，对速度环所受干扰进行实时估计；最后根据回路成型优化技术设计速度环鲁棒控制器并与速度环干扰观测器进行复合，得到速度环鲁棒复合控制器，保证永磁同步电机伺服系统的鲁棒性能和抗干扰性能。

其实施步骤如下：

第一步，根据永磁同步电机转速输出量与电流输入量之间的动力学关系建立永磁同步电机伺服系统标称模型：

其中，i_d,i_q分别为定子电流d,q轴分量；u_d,u_q分别为定子电压d,q轴分量；L为定子轴电感；R为定子电阻；ω为永磁同步电机伺服系统角速度；n_p为磁极对数；ψ_f为磁链量；J为永磁同步电机伺服系统转动惯量；

分别为d轴电流、q轴电流和角速度对时间的一阶导数；T_e为永磁同步电机输出的电磁转矩；d_c为电流环受到的总干扰；d_v为速度环所受总干扰。

第二步，根据第一步的标称模型，设计电流环干扰观测器，对电流环所受干扰进行实时估计，得到电流环干扰的实时估计值：

其中，

为电流环总干扰d_c的估计值；ξ₁为电流环干扰观测器变量；λ₁为电流环干扰观测器增益；ω为永磁同步电机伺服系统转速；

为速度环干扰观测器变量对时间的导数；R为定子电阻；ω为永磁同步电机伺服系统角速度；n_p为磁极对数；ψ_f为永磁同步电机磁链；J为永磁同步电机伺服系统转动惯量。

第三步，根据第二步获得的电流环干扰估计值设计电流环控制器，保证电流环的跟踪性能：

其中，K_c为电流环控制器增益；

为q轴期望电流量；i_q为电流环实际电流；

为电流环总干扰d_c估计值。

第四步，设计速度环干扰观测器，对速度环所受干扰进行实时估计，得到速度环干扰的估计值：

其中，

为速度环总干扰d_v的估计值；ξ₂为速度环干扰观测器变量；λ₂为速度环干扰观测器增益；ω为永磁同步电机伺服系统转速；

为速度环干扰观测器变量对时间的导数；T_e为永磁同步电机输出的电磁转矩。

第五步，根据回路成型优化技术设计速度环鲁棒控制器对永磁同步电机闭环回路鲁棒稳定性和伺服性能权衡优化，并与第四步设计的速度环干扰观测器进行复合，利用第四步干扰估计值对速度环干扰进行补偿，得到速度环鲁棒复合控制器，保证永磁同步电机伺服系统的鲁棒性能和抗干扰性能：

(1)首先，根据第一步中动力学模型建立系统转速输出ω到电流控制量

之间的传递函数：

其中，ω,

分别为永磁同步电机伺服系统转速与q轴期望电流量；K_c为电流环控制器增益；J为永磁同步电机伺服系统转动惯量；L为定子电感；R为定子电阻；n_p为磁极对数；ψ_f为磁链量；s为传递函数复变量。

(2)其次，通过回路成型优化技术设计永磁同步电机伺服系统混合灵敏度加权函数满足H_∞性能指标：

其中，S(s)、T(s)分别为永磁同步电机伺服系统灵敏度函数、补灵敏度函数；W_s(s)、W_T(s)分别为永磁同步电机伺服系统灵敏度加权函数、补灵敏度加权函数；|| ||_∞为无穷范数；γ为性能优化指标。

(3)然后，根据设计的混合灵敏度函数加权函数求解鲁棒控制器与第四步设计的速度环干扰观测器进行复合，利用第四步干扰估计值对速度环干扰进行补偿，得到速度环鲁棒复合控制器，保证永磁同步电机伺服系统鲁棒性能和抗干扰性能：

其中，u_v为永磁同步电机伺服系统复合控制器；K(s)为所设计的鲁棒控制器；

为速度环总干扰d_v的估计值。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明针对一类受到多源干扰影响的永磁同步电机伺服系统，目标是通过全回路抗干扰鲁棒控制设计，实现永磁同步电机伺服系统的高精度控制。本发明基于全回路抗干扰鲁棒控制设计，对永磁同步电机伺服系统电流环、速度环分别设计干扰观测器对干扰进行实时估计并补偿，提高了永磁同步电机伺服系统的抗干扰能力，并在电流环、速度环反馈通道分别设计控制器，满足同步电机伺服系统的鲁棒性与速度跟踪能力，可解决永磁同步电机伺服系统驱动场合中的抗干扰控制问题如控制力矩陀螺、数控机床、机器人、雷达等。该方法具有结构灵活可剪裁、抗干扰能力强和工程实用性强等优点。

附图说明

图1为本发明的永磁同步电机伺服系统的全回路抗干扰鲁棒控制方法流程图；

图2为本发明的永磁同步电机伺服系统的全回路抗干扰鲁棒控制方法示意图；

图3为基于本发明的永磁同步电机速度跟踪性能图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1、2所示，本发明一种永磁同步电机伺服系统的全回路抗干扰鲁棒控制方法步骤为：

首先在永磁同步电机伺服系统实际运行环境中收集相关参数样本信息，用最小二乘辨识算法辨识框架伺服系统的定子电感、定子电阻、转动惯量等相关样本信息，根据永磁同步电机转速输出量与电流输入量之间的动力学关系建立永磁同步电机伺服系统标称模型；其次，设计电流环干扰观测器，对电流环所受干扰和建模误差进行实时估计；再次，根据电流环干扰估计值设计电流环控制器，保证电流环的跟踪性能；然后，设计速度环干扰观测器，对速度环所受干扰进行实时估计；最后根据回路成型优化技术设计速度环鲁棒控制器并与速度环干扰观测器进行复合，得到速度环鲁棒复合控制器，保证永磁同步电机伺服系统的鲁棒性能。

具体实施步骤如下：

第一步，根据永磁同步电机转速输出量与电流输入量之间的动力学关系建立永磁同步电机伺服系统标称模型：

其中，i_d,i_q分别为定子电流d,q轴分量；u_d,u_q分别为定子电压d,q轴分量；L为定子轴电感；R为定子电阻，取值为R＝6Ω；ω为永磁同步电机伺服系统角速度；J为永磁同步电机伺服系统转动惯量，取值为J＝0.82kg·m²；L为定子电感，取值为L＝0.72mH；n_p为磁极对数，取值为n_p＝4；ψ_f为磁链量，取值为ψ_f＝0.82Wb；

分别为d轴电流、q轴电流和角速度对时间的一阶导数；T_e为永磁同步电机输出的电磁转矩；d_v为速度环所受总干扰，取值为d_v＝(0.6sin(700t)+0.4sin(t)+0.3sin(5t)+1.5)N·m；d_c为电流环受到的总干扰，取值为d_c＝(2sin(t)+1.2)N·m。

第二步，根据第一步的标称模型，设计电流环干扰观测器，对电流环所受干扰进行实时估计，得到电流环干扰的实时估计值：

其中，

为电流环总干扰d_c的估计值；ξ₁为电流环干扰观测器变量；λ₁为电流环干扰观测器增益，取值为λ₁＝50；ω为永磁同步电机伺服系统转速；

为速度环干扰观测器变量对时间的导数；R为定子电阻，取值为R＝6Ω；ω为永磁同步电机伺服系统角速度；n_p为磁极对数，取值为n_p＝4；ψ_f为永磁同步电机磁链，取值为ψ_f＝0.82Wb；J为永磁同步电机伺服系统转动惯量，取值为J＝0.82kg·m²，L为定子电感，取值为L＝0.72mH。

第三步，根据第二步获得的电流环干扰估计值设计电流环控制器，保证电流环的跟踪性能：

其中，K_c为电流环控制器增益，取值为K_c＝8；

为q轴期望电流量；i_q为电流环实际电流；L为定子电感，取值为L＝0.72mH；

为电流环总干扰d_c估计值。

第四步，设计速度环干扰观测器，对速度环所受干扰进行实时估计，得到速度环干扰的估计值：

其中，

为速度环总干扰d_v的估计值；ξ₂为速度环干扰观测器变量；λ₂为速度环干扰观测器增益，取值为λ₂＝35；ω为永磁同步电机伺服系统转速；

为速度环干扰观测器变量对时间的导数；T_e为永磁同步电机输出的电磁转矩。

第五步，根据回路成型优化技术设计速度环鲁棒控制器对永磁同步电机闭环回路鲁棒稳定性和伺服性能权衡优化，并与第四步设计的速度环干扰观测器进行复合，利用第四步干扰估计值对速度环干扰进行补偿得到速度环鲁棒复合控制器，保证永磁同步电机伺服系统的鲁棒性能和抗干扰性能。

(1)首先，根据第一步中动力学模型建立系统转速输出ω到电流控制量

之间的传递函数：

其中，ω,

分别为永磁同步电机伺服系统转速与q轴期望电流量；K_c为电流环控制器增益；J为永磁同步电机伺服系统转动惯量，取值为J＝0.82kg·m²；L为定子电感，取值为L＝0.72mH；R为定子电阻，取值为R＝6Ω；n_p为磁极对数，取值为n_p＝4；ψ_f为磁链量，取值为ψ_f＝0.82Wb；s为传递函数复变量。

(2)其次，通过回路成型优化技术设计永磁同步电机伺服系统混合灵敏度加权函数满足H_∞性能指标：

其中，S(s)、T(s)分别为永磁同步电机伺服系统灵敏度函数、补灵敏度函数；W_s(s)、W_T(s)分别为永磁同步电机伺服系统灵敏度加权函数、补灵敏度加权函数，分别设计为

|| ||_∞为无穷范数；γ为性能优化指标，取值为γ＝0.0418。

(3)然后，根据设计的混合灵敏度函数加权函数求解鲁棒控制器与第四步设计的速度环干扰观测器进行复合，利用第四步干扰估计值对速度环干扰进行补偿，得到速度环鲁棒复合控制器，保证永磁同步电机伺服系统鲁棒性能和抗干扰性能：

其中，u_v为永磁同步电机伺服系统复合控制器；

为速度环总干扰d_v的估计值；n_p为磁极对数，取值为n_p＝4；ψ_f为磁链量，取值为ψ_f＝0.82Wb；K(s)为所设计的鲁棒控制器，设计为：

如图3可知，在电流环、速度环都具有多源干扰的影响下，根据本发明方法，永磁同步电机具有快速的跟踪能力，微弱的超调量和精确的稳态精度，显示出本发明方法的在鲁棒稳定能力和抗干扰能力上的优越性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机伺服系统的全回路抗干扰鲁棒控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，根据永磁同步电机转速输出量与电流输入量之间的动力学关系，建立永磁同步电机伺服系统标称模型；

第二步，根据第一步的标称模型，设计电流环干扰观测器，对电流环所受干扰进行实时估计，得到电流环干扰的实时估计值；

第三步，根据第二步获得的电流环干扰估计值设计电流环控制器，保证电流环的跟踪性能；

第四步，设计速度环干扰观测器，对速度环所受干扰进行实时估计，得到速度环干扰估计值得到速度环干扰的估计值；

第五步，根据回路成型优化技术设计速度环鲁棒控制器对永磁同步电机闭环回路鲁棒稳定性和伺服性能权衡优化，并利用第四步得到的速度环干扰估计值对速度环干扰进行补偿，得到速度环鲁棒复合控制器，保证永磁同步电机伺服系统的鲁棒性能。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机伺服系统的全回路抗干扰鲁棒控制方法，其特征在于：所述第一步，建立永磁同步电机伺服系统标称模型：

其中，i_d,i_q分别为定子电流d,q轴分量；u_d,u_q分别为定子电压d,q轴分量；L为定子轴电感；R为定子电阻；ω为永磁同步电机伺服系统角速度；n_p为磁极对数；ψ_f为磁链量；J为永磁同步电机伺服系统转动惯量；

分别为d轴电流、q轴电流和角速度对时间的一阶导数；T_e为永磁同步电机输出的电磁转矩；d_c为电流环受到的总干扰；d_v为速度环所受总干扰。

3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机伺服系统的全回路抗干扰鲁棒控制方法，其特征在于：所述第二步，设计电流环干扰观测器，对电流环所受干扰进行实时估计，得到电流环干扰的实时估计值如下：

其中，

为电流环总干扰d_c的估计值；ξ₁为电流环干扰观测器变量；λ₁为电流环干扰观测器增益；ω为永磁同步电机伺服系统转速；

为速度环干扰观测器变量对时间的导数；R为定子电阻；ω为永磁同步电机伺服系统角速度；n_p为磁极对数；ψ_f为永磁同步电机磁链；J为永磁同步电机伺服系统转动惯量；L为定子轴电感。

4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机伺服系统的全回路抗干扰鲁棒控制方法，其特征在于：所述第三步，设计电流环控制器u_c电流环控制器如下：

其中，K_c为电流环控制器增益；L为定子轴电感；

为q轴期望电流量；i_q为电流环实际电流；

为电流环总干扰d_c估计值。

5.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机伺服系统的全回路抗干扰鲁棒控制方法，其特征在于：所述第四步，设计速度环干扰观测器，对速度环所受干扰进行实时估计，得到速度环干扰估计值：

其中，

为速度环总干扰d_v的估计值；ξ₂为速度环干扰观测器变量；λ₂为速度环干扰观测器增益；ω为永磁同步电机伺服系统转速；

为速度环干扰观测器变量对时间的导数；T_e为永磁同步电机输出的电磁转矩。

6.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机伺服系统的全回路抗干扰鲁棒控制方法，其特征在于：所述第五步，具体实现如下：

(1)首先，根据动力学模型建立系统转速输出ω到电流控制量

之间的传递函数：

其中，ω,

分别为永磁同步电机伺服系统转速与q轴期望电流量；K_c为电流环控制器增益；J为永磁同步电机伺服系统转动惯量；L为定子电感；R为定子电阻；n_p为磁极对数；ψ_f为磁链量；s为传递函数复变量；

(2)其次，通过回路成型优化技术设计永磁同步电机伺服系统混合灵敏度加权函数满足H_∞性能指标：

其中，S(s)、T(s)分别为永磁同步电机伺服系统灵敏度函数、补灵敏度函数；W_s(s)、W_T(s)分别为永磁同步电机伺服系统灵敏度加权函数、补灵敏度加权函数；|| ||_∞为无穷范数；γ为性能优化指标；

(3)然后，根据设计的混合灵敏度函数加权函数求解鲁棒控制器与第四步设计的速度环干扰观测器进行复合，利用第四步干扰估计值对速度环干扰进行补偿，得到速度环鲁棒复合控制器，保证永磁同步电机伺服系统鲁棒性能和抗干扰性能：

其中，u_v为永磁同步电机伺服系统复合控制器；K(s)为所设计的鲁棒控制器；

为速度环总干扰d_v的估计值。

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