CN114499314B - 一种永磁同步电机自抗扰控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种永磁同步电机自抗扰控制方法,包括步骤:S1根据永磁同步电机的机械运动方程,建立状态方程;S2建立集中扰动模型、扩张状态观测器,并构建永磁同步电机的转速自抗扰控制器;S3重构集中扰动模型,并推导阻尼粘滞系数辨识方程和转动惯量辨识方程;S4计算阻尼粘滞系数和转动惯量辨识的辨识结果,根据辨识结果调整转动惯量和阻尼粘滞系数。通过上述步骤提高了自抗扰控制对机械参数变化的鲁棒性,使得参数辨识环节和转速自抗扰控制器融为一体,辨识方程直接利用了扩张状态观测器提供的扰动估计信息来生成辨识结果,显著降低了系统的结构冗余度和计算量,实现转速自抗扰控制器对机械参数的自适应。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域,尤其涉及一种永磁同步电机自抗扰控制方法。
背景技术
永磁同步电机具备高转矩密度、高效率、调速性能好等优点,在数控机床、电力牵引驱动、航空航天、国防军工等对性能和效率有高要求的场合得到了广泛的应用。典型的永磁同步电机控制系统拓扑由外环转速环和内环电流环组成,转速环根据转速指令和转速反馈值计算出电流内环的电流指令,因此转速环控制性能的好坏直接决定了电机的调速性能。
目前,各类先进控制策略大多都对电机参数有着不同程度的依赖;为达到良好的动静态性能,传统的比例积分控制也需要借助电机参数来计算比例和积分增益;而在复杂运行工况下,永磁同步电机驱动系统难以避免参数频繁变化的问题,负载机械特性的变化会导致电机的机械参数发生改变,也就意味着参数摄动作为系统的一种内部扰动,将直接影响系统综合运行性能,乃至降低电机运行的稳定性。
发明内容
本发明提供一种永磁同步电机自抗扰控制方法,用以解决上述现有技术的缺陷。
本发明提供一种永磁同步电机自抗扰控制方法,包括步骤:
S1根据所述永磁同步电机的机械运动方程,以电机转子位置和电机转子转速为状态变量,建立状态方程;
S2根据S1所述的状态方程,建立集中扰动模型、扩张状态观测器,并构建所述永磁同步电机的转速自抗扰控制器;
S3基于转动惯量和阻尼粘滞系数的不准确性,重构所述集中扰动模型,并基于重构后的所述集中扰动模型推导阻尼粘滞系数辨识方程和转动惯量辨识方程;
S4计算所述阻尼粘滞系数辨识方程和所述转动惯量辨识方程的辨识结果,并将所述辨识结果更新到所述转速自抗扰控制器中,所述转速自抗扰控制器根据所述辨识结果调整所述转动惯量和所述阻尼粘滞系数。
进一步,步骤S1中所述状态方程为:
其中,θr、ωr分别为所述电机转子位置和所述电机转子转速;
B、J分别为阻尼粘滞系数和转动惯量的实际值;
Te、TL分别为电磁转矩和负载转矩。
进一步,步骤S2中所述集中扰动模型为:
其中,f0n、f1n分别为转速环的已知扰动和未知扰动;
为所述电机转子转速的观测值;
为所述电机的转速环输出的转矩指令。
进一步,步骤S2中所述扩张状态观测器为:
其中,z1n、z2n、z3n分别表示所述电机转子位置θr、所述电机转子转速ωr、未知扰动f1n的观测值;e1n为位置观测误差;
β1n、β2n、β3n为所述扩张状态观测器的增益参数。
进一步,步骤S2中所述转速自抗扰控制器的控制律为:
其中,kn为所述转速自抗扰控制器的比例增益;为电机转子转速的指令值。
进一步,步骤S3中,基于转动惯量和阻尼粘滞系数的不准确性,重构所述集中扰动模型,包括步骤:
S301重构所述永磁同步电机的机械运动方程为:
进一步,以所述电机转子位置θr和所述电机转子转速ωr为状态变量,重构已知扰动f0n和未知扰动f1n:
其中,B0、J0分别为阻尼粘滞系数和转动惯量的初值;
为阻尼粘滞系数实际值B和初值B0的偏差,即/>
为转动惯量的实际值J和初值J0的偏差,即/>
具体的,步骤S301后,进一步包括:
S302取时刻t1、t2,利用所述扩张状态观测器获得时刻t1和t2的未知扰动估计值z3n(t1)、z3n(t2):
在所述扩张状态观测器收敛时,z2n=ωr,且TL(t1)=TL(t2),得:
计算获取所述阻尼粘滞系数辨识方程为:
具体的,步骤S302后,进一步包括:
S303取时刻t3、t4,利用所述扩张状态观测器获得时刻t3和t4的未知扰动估计值z3n(t3)、z3n(t4):
在所述扩张状态观测器收敛时,有z2n=ωr,且TL(t3)=TL(t4),得:
计算获取所述转动惯量辨识方程为:
本发明提供的一种永磁同步电机自抗扰控制方法,通过重构扩张状态观测器的集中扰动模型,推导出阻尼粘滞系数和转动惯量的辨识方程,再将辨识结果更新到转速自抗扰控制器中,提高对机械参数变化的鲁棒性;且参数辨识环节和转速自抗扰控制器融为一体,辨识方程直接利用了扩张状态观测器提供的扰动估计信息来生成辨识结果,这显著降低了系统的结构冗余度和计算量;将阻尼粘滞系数和转动惯量的辨识结果更新到转速自抗扰控制器中,实现转速自抗扰控制器对机械参数的自适应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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作一简单地介绍,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的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的永磁同步电机自抗扰控制方法的流程示意图;
图2是本发明提供的永磁同步电机自抗扰控制方法的电机运行工况示意图;
图3是本发明提供的永磁同步电机自抗扰控制方法的辨识结果示意图之一;
图4是本发明提供的永磁同步电机自抗扰控制方法的辨识结果示意图之二;
图5是本发明提供的永磁同步电机自抗扰控制方法的转速自抗扰控制器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明中的附图,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明的是,自抗扰控制是一种近些年来在永磁同步电机控制领域具备广阔应用前景的新型控制方法。对于永磁同步电机转速自抗扰控制器而言,精确的机械参数(即阻尼粘滞系数和转动惯量)是准确计算已知扰动的前提,若参数存在偏差,其偏差部分将被归类为未知扰动,造成扩张状态观测器观测负担变大,转速控制性能下降;
本发明为保障永磁同步电机驱动系统的运行性能,通过以下的方法加强了转速自抗扰控制器对机械参数变化的鲁棒性。
在一个实施例中,如图1所示,本发明提供一种永磁同步电机自抗扰控制方法,包括步骤:
S1根据所述永磁同步电机的机械运动方程,以电机转子位置和电机转子转速为状态变量,建立状态方程;
S2根据S1所述的状态方程,建立集中扰动模型、扩张状态观测器,并构建所述永磁同步电机的转速自抗扰控制器;
S3基于转动惯量和阻尼粘滞系数的不准确性,重构所述集中扰动模型,并基于重构后的所述集中扰动模型推导阻尼粘滞系数辨识方程和转动惯量辨识方程;
S4计算所述阻尼粘滞系数辨识方程和所述转动惯量辨识方程的辨识结果,并将所述辨识结果更新到所述转速自抗扰控制器中,所述转速自抗扰控制器根据所述辨识结果调整所述转动惯量和所述阻尼粘滞系数。
具体的,步骤S1中,永磁同步电机的初始机械运动方程为:
进一步,根据上述的机械运动方程,建立以电机转子位置和转速为状态变量的状态方程如下:
其中,θr、ωr分别为所述电机转子位置和所述电机转子转速;
B、J分别为阻尼粘滞系数和转动惯量的实际值;
Te、TL分别为电磁转矩和负载转矩。
进一步的,基于上述步骤获取的状态方程,建立永磁同步电机的集中扰动模型,设计对应的扩张状态观测器,并构建永磁同步电机转速自抗扰控制器,具体的,步骤S2中所述集中扰动模型如下式:
其中,f0n、f1n分别为转速环的已知扰动和未知扰动;
为所述电机转子转速的观测值;
为所述电机的转速环输出的转矩指令;
需要说明的是,集中扰动由已知扰动和未知扰动构成。其中,已知扰动包含转矩指令值和转矩实际值的不匹配项,即转矩指令值和转矩实际值的差值;未知扰动包含转速观测值和转速实际值的不匹配项,即转速观测值和转速实际值的差值,以及负载转矩项;
进一步的,将未知扰动f1竹扩张为一个新状态,建立扩张状态观测器,步骤S2中所述扩张状态观测器如下式:
其中,z1n、z2n、z3n分别表示所述电机转子位置θr、所述电机转子转速ωr、未知扰动f1n的观测值;e1n为位置观测误差;
β1n、β2n、β3n为所述扩张状态观测器的增益参数。
进一步的,建立自抗扰控制器,包括:
根据转速的指令值ωr、观测值得到转速控制误差;
将该控制误差输入至比例控制器,然后将转速指令值的微分前馈至比例控制器的输出,得到转矩的初步控制指令;
将未知扰动的观测值和已知扰动相加,得到集中扰动的观测值;
进而获取所述转速自抗扰控制器的控制律为:
其中,kn为所述转速自抗扰控制器的比例增益;为电机转子转速的指令值。
进一步的,基于转动惯量和阻尼粘滞系数的不确定性,重构所述集中扰动模型,步骤S3包括如下步骤:
S301基于转动惯量和阻尼粘滞系数的不确定性,重构所述永磁同步电机的机械运动方程为:
进一步,以所述电机转子位置θr和所述电机转子转速ωr为状态变量,重构已知扰动f0n和未知扰动f1n:
其中,B0、J0分别为阻尼粘滞系数和转动惯量的初值;为所述电机转子转速的微分;
为阻尼粘滞系数实际值B和初值B0的偏差,即/>
为转动惯量的实际值J和初值J0的偏差,即/>
需要说明的是,由于上述表达式中f1n包含TL三个未知量,但方程却只有一个,无法求解获取阻尼粘滞系数的偏差/>和转动惯量的偏差/>
为得到和/>使电机运行在不同工作点,从而获取额外的求解方程;本发明实施例通过构造如图4所示的两个稳态转速点及两段恒加速运行区间,从而消除f1n中的TL相关项,进而实现对该公式的求解;
具体的,对阻尼粘滞系数进行辨识,此时设定电机恒负载稳态运行,取两个稳态时刻t1、t2,利用扩张状态观测器计算获得两个时刻的未知扰动估计值z3n(t1)、z3n(t2),即步骤S301后,进一步包括步骤:
S302如图2所示的,取时刻t1、t2,利用所述扩张状态观测器获得时刻t1和t2的未知扰动估计值z3n(t1)、z3n(t2):
在所述扩张状态观测器收敛时,z2n=ωr,且TL(t1)=TL(t2),得:
计算获取所述阻尼粘滞系数的辨识结果为:
进一步,将上述阻尼粘滞系数的辨识结果更新至控制器中,设定电机恒负载的运行于如图2所示的不同加速度段,即如下步骤:
S303取时刻t3、t4,利用所述扩张状态观测器获得时刻t3和t4的未知扰动估计值z3n(t3)、z3n(t4):
在所述扩张状态观测器收敛时,有z2n=ωr,且TL(t3)=TL(t4),得:
计算获取所述转动惯量辨识结果为:
进一步,将阻尼粘滞系数和转动惯量的辨识结果更新到转速自抗扰控制器中,实现转速自抗扰控制器对机械参数的自适应;
在一个具体的实施例中,图3示例了基于本发明实施例提供的一种永磁同步电机自抗扰控制方法对阻尼粘滞系数的辨识结果;
其中,两段转速分为300rpm和1000rpm,图3中左图和右图对应的阻尼粘滞系数初值分别为5倍真实值和10倍真实值;
可见,两种初值下,辨识结果均能较快地收敛至阻尼粘滞系数真实值附近。
进一步,将阻尼粘滞系数的辨识结果更新到控制器中,然后对转动惯量进行辨识;在一个具体的实施例中,图4示例了基于本发明实施例提供的一种永磁同步电机自抗扰控制方法对转动惯量的辨识结果;
其中,取两段转速分为300rpm和1000rpm,图4中左图和右图分别对应的转动惯量初值分别为0.5倍真实值和2倍真实值;可见,两种初值下,辨识结果均能较快地收敛至真实值附近;
由此可见,本发明实现了转速自抗扰控制器对机械参数的自适应。
在一个具体的实施例中,作为示例的,本发明还提供一种转速自抗扰控制器,如图5所示,通过该转速自抗扰控制器实现上述实施例的自抗扰控制方法,实现转速自抗扰控制器对机械参数的自适应;图5所示的结构仅仅作为对本实施例的示例,而不应视为对本发明实施例的进一步限定。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下,即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述,本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现,当然也可以通过硬件。基于这样的理解,上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中,如ROM/RAM、磁碟、光盘等,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是:以上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精神和范围。
Claims (5)
1.一种永磁同步电机自抗扰控制方法,其特征在于,包括步骤:
S1根据所述永磁同步电机的机械运动方程,以电机转子位置和电机转子转速为状态变量,建立状态方程;
S2根据S1所述的状态方程,建立集中扰动模型、扩张状态观测器,并构建所述永磁同步电机的转速自抗扰控制器;
S3基于转动惯量和阻尼粘滞系数的不准确性,重构所述集中扰动模型,并基于重构后的所述集中扰动模型推导阻尼粘滞系数辨识方程和转动惯量辨识方程;
S4计算所述阻尼粘滞系数辨识方程和所述转动惯量辨识方程的辨识结果,并将所述辨识结果更新到所述转速自抗扰控制器中,所述转速自抗扰控制器根据所述辨识结果调整所述转动惯量和所述阻尼粘滞系数;
步骤S3中,重构所述集中扰动模型,包括步骤:
S301重构所述永磁同步电机的机械运动方程为:
;
、/>分别为电磁转矩和负载转矩;
进一步,以所述电机转子位置和所述电机转子转速/>为状态变量,重构已知扰动和未知扰动/>:
;
其中,、/>分别为阻尼粘滞系数和转动惯量的初值;/>为所述电机转子转速的微分;为所述电机转子转速的观测值;/>为所述电机的转速环输出的转矩指令;
为阻尼粘滞系数实际值B和初值/>的偏差,即/>;
为转动惯量的实际值J和初值/>的偏差,即/>;
步骤S301后,进一步包括:
S302取时刻、/>,利用所述扩张状态观测器获得时刻/>和/>的未知扰动估计值/>、/>:
;
在所述扩张状态观测器收敛时,,且/>,得:
;
计算获取所述阻尼粘滞系数辨识方程为:
;
步骤S302后,进一步包括:
S303取时刻、/>,利用所述扩张状态观测器获得时刻/>和/>的未知扰动估计值、/>:
;
在所述扩张状态观测器收敛时,有,且/>,得:
;
计算获取所述转动惯量辨识方程为:
。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机自抗扰控制方法,其特征在于,步骤S1中所述状态方程为:
;
其中,、/>分别为所述电机转子位置和所述电机转子转速;
、/>分别为阻尼粘滞系数和转动惯量的实际值;
、/>分别为电磁转矩和负载转矩。
3.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机自抗扰控制方法,其特征在于,步骤S2中所述集中扰动模型为:
;
其中,、/>分别为转速环的已知扰动和未知扰动;
为所述电机转子转速的观测值;
为所述电机的转速环输出的转矩指令。
4.根据权利要求3所述的一种永磁同步电机自抗扰控制方法,其特征在于,步骤S2中所述扩张状态观测器为:
;
其中,、/>、/>分别表示所述电机转子位置/>、所述电机转子转速/>、未知扰动的观测值;/>为位置观测误差;
、/>、/>为所述扩张状态观测器的增益参数。
5.根据权利要求4所述的一种永磁同步电机自抗扰控制方法,其特征在于,步骤S2中所述转速自抗扰控制器的控制律为:
;
其中,为所述转速自抗扰控制器的比例增益;/>为电机转子转速的指令值。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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