CN113315431A - 基于等价输入干扰系统的pmsm失磁故障控制方法、电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于改进等价输入干扰的容错控制方法。该方法首先建立永磁同步电机失磁故障的数学模型,然后用控制输入通道上的等效输入失磁来描述模型,设计了一种改进的等价输入干扰方法来抑制失磁故障的影响,采用超螺旋滑模观测器代替传统的龙贝格观测器。该方法有效的增强了等价输入故障的估计精度和系统的鲁棒性,大大提高了故障估计和抑制的响应速度和精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种永磁同步电机失磁故障控制方法,尤其涉及一种基于改进等价输入干扰的容错控制方法。
背景技术
永磁同步电机永磁体失磁故障的检测和抑制问题,是PMSM转子永磁体(PM) 的励磁性能下降的主要原因。目前均采用鲁棒控制、自适应控制、预测控制、滑模控制等都被广泛应用于机电系统中的扰动检测及抑制。
然而上述方法使用反馈策略来设计系统,导致了系统需要在控制性能之间做出权衡,如鲁棒性和容错性,当系统的外部扰动大时,通常采用高增益来减少扰动的影响。高增益在有效减小扰动影响的同时,带来的是系统鲁棒性能和标称性能的降低。与这些单自由度方法相比,具有两个自由度的主动扰动抑制方法得到广泛的关注。一个用于扰动抑制,另一个用于反馈补偿,但上述两种主动扰动抑制方法,都是通过对控制器进行重构,实现对扰动和故障的容错控制,这改变了原有控制器的结构,大大增加了系统的风险。公开号为CN110581677A的专利申请公开一种滑模和等价输入干扰方法的永磁同步电机抑制方法,设计等价输入干扰控制器进一步抑制扰动,同时减小滑模控制器产生的抖振,但该方法没有对失磁故障进行估计,无法消除失磁故障对系统的影响。
发明内容
本发明针对上述技术问题,提出一种基于等价输入干扰系统的PMSM失磁故障控制方法,有效的增强了等价输入故障的估计精度和系统的鲁棒性,稳定性高,估计精准。
本发明采用的技术方案是:
基于等价输入干扰系统的PMSM失磁故障控制方法,运用等价输入干扰系统抑制PMSM失磁故障;所述等价输入干扰系统运用超螺旋滑模观测器和低通滤波器对失磁故障进行估计,在原始状态输入值中去除失磁故障的等价输入干扰估计值,获得PMSM失磁故障控制输入值,使最终系统不受失磁故障影响;
所述超螺旋滑模观测器方程为:
所述低通滤波器为:
进一步地,在固定于转子永磁体磁场方向的d-q坐标系下,永磁同步电机电压方程为:
永磁同步电机的磁链方程为:
式中:Rs为定子电阻;Ld、Lq分别为定子绕组的d-q轴电感;ud、uq分别为定子绕组的d-q轴电压;id、iq分别为定子绕组的d-q轴电流;ψd、ψq分别为d-q 坐标系中定子磁链分量;ψro为转子永磁体磁链;ωe为转子电角速度。
进一步地,失磁故障的系统为:
其中x=[id iq]T;u=[ud uq]T;f=[Vψrd Vψrq]T;y是系统输出。
进一步地,使用矢量fe=[fed feq]T对所述失磁故障的系统描述为:
其中fe是f的等价输入干扰。
进一步地,等价输入干扰的估计输入值为:
进一步地,所述失磁故障对系统的影响为零。
进一步地,超螺旋滑模观测器误差方程的二阶滑模的标准形式为:
所述误差方程系统在有限时间内收敛到原点。
进一步地,所述失磁故障为永磁体的励磁性能下降。
更进一步地,本发明还涉及一种永磁同步电机,采用上述基于等价输入干扰系统的PMSM失磁故障控制方法。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明利用超螺旋滑模观测器(STSMO)代替传统等价输入干扰中的龙贝格观测器,有效的增强了等价输入故障的估计精度和系统的鲁棒性,PMSM系统失磁故障控制精度高,失磁故障对系统的影响可以接近零。
附图说明
图1为永磁同步电机磁链的变化。
图2为基于IEID的系统配置。
图3为具有PM失磁抑制功能的PMSM驱动器结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明。除非特别说明,本发明实施例中采用的原料和方法为本领域常规市购的原料和常规使用的方法。
实施例1
基于改进等价输入干扰的容错控制方法,该方法有如下步骤:
S1.建立永磁同步电机系统及失磁故障模型
在固定于转子永磁体磁场方向的d-q坐标系下,永磁同步电机电压方程为
永磁同步电机的磁链方程为
式中:Rs为定子电阻;Ld、Lq分别为定子绕组的d-q轴电感;ud、uq分别为定子绕组的d-q轴电压;id、iq分别为定子绕组的d-q轴电流;ψd、ψq分别为d-q坐标系中定子磁链分量;ψro为转子永磁体磁链;ωe为转子电角速度。
当永磁电机发生失磁故障,而导致永磁体磁链矢量幅值和方向发生如图1变化时,ψro变为ψr,相应式(2)的磁链方程变为
其中
这里Vψrd、Vψrq表示d-q轴磁链的扰动。
把(3)式带入(1)式得到失磁永磁同步电机模型为
电磁转矩方程由
变为
考虑到在实际工程系统中,永磁体磁链的变化率比电流等状态变量变化慢的多,所以d-q轴磁链相对于电流等状态变量可当作稳态值处理,即
这样式(5)可改写为
由此可以给出具有失磁故障的系统
选取
则系统(10)可描述为
其中x=[id iq]T;u=[ud uq]T;f=[Vψrd Vψrq]T;y是系统输出。
S2.基于改进的等价输入干扰的永磁同步电机失磁抑制
根据等价输入干扰理论(EID),使用矢量fe=[fed feq]T来描述系统(11)为
其中fe是f的等价输入干扰。用于永磁体失磁的IEID系统如图2所示。主要包括具有等价输入失磁的系统,EID估计器和超螺旋滑模观测器。
S21.设计超螺旋滑模观测器
对系统(12)设计超螺旋滑模观测器为
其中
根据(12)和(13)可知,e的导数为
把(13)带入(16)有
根据(17)有
引入变量Vf并定义
假设fe的估计
将(19)和(20)代入(18)得到一个新的系统
比较(21)与(13)得到
那么
S22.采用低通滤波器滤波
低通滤波器M(s)设计为
由此可以得到永磁同步电机失磁故障控制的结果,即原始输入值uf中减去失磁故障估计值即可得到失磁故障控制的输入值u,估计值越精准,输入值 u失磁故障就越小。采用该控制方法后获得的失磁故障控制后的系统输入u接近零,消除了失磁故障对系统的影响。
S3.对基于等价输入估计的失磁故障控制结果进行测试
S31.首先是超螺旋滑模观测器稳定性分析:
将式(26)代入式(16)得到误差方程
将误差方程(27)改写成二阶滑模的标准形式,即
定理1:对于系统(28)而言,假设
当λi,γi(i=1,2)的取值满足
则系统(28)能在有限时间内收敛到原点。
证明:取正定对称矩阵
选取Lyapunov函数
V=ξTPξ (31)
对ξ求导有
对V沿系统轨迹求导有
由于
所以
令Q=-(GTP+PG+δ2CTC+PDDTP),则
此时
由式(30)可得出Q是正定对称的,这就证明了系统是稳定的。
S32.系统稳定性分析如下:
使用包含系统(12)、设计观测器和滤波器的增广系统来分析稳定性。描述 M(s)的状态方程
由(23)、(26)、(38)有
把(26)、(38)代入(12)有
根据(14)、(26)、(38)有
由(39)、(40)、(41)有
定理2:选择合适的k1、k2、F(s)使
其中ζ、σ1、σ2和σ3是正数,I是单位矩阵,因此在有限时间内X到达原点的小邻域:
其中μ是正数。因此,系统(40)是全局一致最终有界。
证明:选取Lyapunov函数为
V1=XTX (44)
V1的导数为
因为
那么
如果X不属于Ω,即
那么
这就完成了系统稳定性证明。
通过应用到PMSM驱动器示例中,验证了基于IEID的失磁抑制方法,如图3所示。
显然,上述实例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
7.根据权利要求1所述基于等价输入干扰系统的PMSM失磁故障控制方法,其特征在于,所述失磁故障对系统的影响为零。
9.根据权利要求3所述基于等价输入干扰系统的PMSM失磁故障控制方法,其特征在于,所述失磁故障为永磁体的励磁性能下降。
10.一种电机,所述电机为永磁同步电机,其特征在于,采用权利要求1-7任一所述基于等价输入干扰系统的PMSM失磁故障控制方法。
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