CN115459655A - 永磁同步电机调速系统干扰抑制方法、存储介质和装置 - Google Patents

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CN115459655A CN202211099220.5A CN202211099220A CN115459655A CN 115459655 A CN115459655 A CN 115459655A CN 202211099220 A CN202211099220 A CN 202211099220A CN 115459655 A CN115459655 A CN 115459655A
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Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机调速系统干扰抑制方法、存储介质和装置，方法包括以下步骤：S1：获取永磁同步电机的数学模型；S2：根据所述数学模型，构建有限时间干扰观测器；S3：根据所述有限时间干扰观测器的观测值，构建复合控制器；S4：利用所述复合控制器，抑制所述永磁同步电机的调速系统的非匹配时变干扰。本方法能够有效地在永磁同步电机调速系统在存在非匹配时变干扰的情况下实现对永磁同步电机的有限时间控制。

Description

永磁同步电机调速系统干扰抑制方法、存储介质和装置
技术领域
本发明涉及永磁同步电机调速系统干扰抑制方法，尤其涉及一种永磁同步电机调速系统的有限时间非匹配时变干扰抑制方法。
背景技术
由于永磁同步电机拥有高功率密度、高效率和转矩惯量比大等的优点，永磁同步电机在工业机器人、数控机械、电动汽车和航空航天等领域得到了广泛的应用。
干扰抑制控制技术一直是永磁同步电机的研究热点之一，国内外的许多学者已经对此进行了大量的研究工作，并取得了一定的研究成果。传统的滑模控制只能够处理永磁同步电机调速系统的匹配时变干扰。然而，在速度和电流单环控制下的永磁同步电机调速系统不可避免地存在着非匹配时变干扰，严重影响了永磁同步电机调速系统的控制性能，并对永磁无刷直流电机调速系统的抗干扰控制器设计带来了巨大的挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供永磁同步电机调速系统干扰抑制方法、存储介质和装置，能够有效地在永磁同步电机调速系统在存在非匹配时变干扰的情况下实现对永磁同步电机的有限时间控制。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
永磁同步电机调速系统干扰抑制方法，包括以下步骤：
S1：获取永磁同步电机的数学模型；
S2：根据所述数学模型，构建有限时间干扰观测器；
S3：根据所述有限时间干扰观测器的观测值，构建复合控制器；
S4：利用所述复合控制器，抑制所述永磁同步电机的调速系统的非匹配时变干扰。
进一步地，在考虑所述永磁同步电机的轴电流在使用PI控制器下很好地控制到0的情况下，永磁同步电机的数学模型为：
Figure BDA0003848511160000021
其中J为永磁同步电机的转动惯量；np为永磁同步电机的极对数；ψf为永磁同步电机的永久磁势；B为永磁同步电机的摩擦系数；TL为永磁同步电机的负载转矩；Ls为永磁同步电机的电感；Rs为永磁同步电机的定子绕组；w为永磁同步电机的转速；
Figure BDA0003848511160000022
为永磁同步电机的q轴电流；uq既是永磁同步电机的q轴电压，又是复合控制器的控制输出。
进一步地，所述有限时间干扰观测器为：
Figure BDA0003848511160000023
其中，z0为永磁同步电机转速w的估计值；z1为永磁同步电机调速系统的非匹配时变干扰的估计值；z2为永磁同步电机调速系统的非匹配时变干扰导数的估计值；v0、v1和v2为有限时间干扰观测器的中间变量；L和wo为有限时间干扰观测器可调参数。
进一步地，结合有限时间干扰观测器得到的所述永磁同步电机的调速系统的非匹配时变干扰的估计值z1及其导数
Figure BDA0003848511160000024
基于非奇异快速终端滑模控制方法得到所述复合控制器为：
Figure BDA0003848511160000025
其中，uq既是永磁同步电机的q轴电压，又是复合控制器的控制输出；Ls为永磁同步电机的电感；a1、a2和a3为自定义的常值变量；
Figure BDA0003848511160000026
为永磁同步电机的q轴电流；a、b、p、q、g、h、m、n、Ξ1和Ξ2为可调复合控制器参数；e1和c2为永磁同步电机调速系统的误差；s为非奇异快速终端滑模面。
进一步地，参数p、q、g、h、m、n、Ξ1和Ξ2满足
Figure BDA0003848511160000031
Ξ1＞0和Ξ2＞0。
进一步地，所述非奇异快速终端滑模面s具体为：
Figure BDA0003848511160000032
本发明的有益效果为：
本发明所提出的方法使用有限时间干扰估计方法，能够对永磁同步电机调速系统的非匹配时变干扰进行实时观测，然后根据有限时间干扰观测器构建复合控制器，利用所述复合控制器，抑制所述永磁同步电机的调速系统的非匹配时变干扰。相比于广义比例积分观测器，有限时间干扰观测器能够在有限时间内完成对永磁同步电机调速系统的非匹配时变干扰的估计。相比于传统的滑模控制器，复合控制器能够抑制永磁同步电机调速系统的非匹配时变干扰。复合控制器可以使永磁同步电机调速系统的误差e1和e2在有限时间内收敛到0，而传统的线性控制方法只能使永磁同步电机调速系统的误差渐近收敛到0。相比于传统PI控制，复合控制器调节时间短，超调量小，能够提高永磁同步电机的抗干扰性能。
本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质存储计算机可读程序代码，当所述计算机可读程序代码被执行时实现上述技术方案中所述的永磁同步电机调速系统干扰抑制方法的步骤。
本发明还提供了一种装置，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机可读程序代码，所述处理器执行所述计算机可读程序代码时实现上述技术方案中所述的永磁同步电机调速系统干扰抑制方法的步骤。
附图说明
图1是永磁同步电机调速系统干扰抑制方法的原理框图；
图2是PI控制器和复合控制器控制转速对比图；
图3是PI控制器和复合控制器控制控制过程中电流对比图；
图4是PI控制器和复合控制器控制控制过程中电压对比图；
图5是永磁同步电机转速及其估计曲线图；
图6是非匹配扰动估计曲线图。
具体实施方式
本发明所提供的一种永磁同步电机调速系统干扰抑制方法、存储介质和装置，方法主要包括以下步骤：首先获取永磁同步电机的数学模型，即基于永磁同步电机的数学模型；根据所述数学模型，构建有限时间干扰观测器，即利用可测信息设计有限时间干扰观测器，以用来估计永磁同步电机调速系统的非匹配时变干扰d；然后根据所述有限时间干扰观测器的观测值，构建复合控制器，即结合有限时间干扰观测器观测得到的永磁同步电机调速系统的非匹配时变干扰的估计值z1及其导数
Figure BDA0003848511160000041
基于非奇异快速终端滑模控制方法设计复合控制器。
本发明所提出的方法的具体实施方式为：
本方法的原理框图如图1所示，具体的，包括以下步骤。
有限时间干扰观测器的设计：在考虑永磁同步电机的d轴电流在使用PI控制器下很好地控制到0的情况下，永磁同步电机的数学模型为：
Figure BDA0003848511160000042
其中J为永磁同步电机的转动惯量；np为永磁同步电机的极对数；ψf为永磁同步电机的永久磁势；B为永磁同步电机的摩擦系数；TL为永磁同步电机的负载转矩；Ls为永磁同步电机的电感；Rs为永磁同步电机的定子绕组；w为永磁同步电机的转速；iq为永磁同步电机的q轴电流；uq既是永磁同步电机的q轴电压，又是复合控制器的控制输出。
为了简化表达，定义
Figure BDA0003848511160000043
其中J0为J的名义值；定义
Figure BDA0003848511160000044
定义
Figure BDA0003848511160000045
那么永磁同步电机的数学模型可以进一步表示为：
Figure BDA0003848511160000046
其中，
Figure BDA0003848511160000051
为包含转动惯量变动和未知负载的集总的非匹配时变扰动。在上述数学模型基础上设计的有限时间干扰观测器为：
Figure BDA0003848511160000052
其中，z0为永磁同步电机转速w的估计值，z1为永磁同步电机调速系统的非匹配时变干扰d的估计值，z2为永磁同步电机调速系统的非匹配时变干扰导数
Figure BDA0003848511160000053
的估计值，v0、v1和v2为有限时间干扰观测器的中间变量，L和wo为用户有限时间干扰观测器可调参数。
复合控制器的设计：令参考转速为wr，定义转速跟踪误差为e1＝wr-w，定义q轴电流跟踪误差
Figure BDA0003848511160000054
它们即为永磁同步电机调速系统的误差。进一步地对它们求导得到永磁同步电机调速系统的误差模型为：
Figure BDA0003848511160000055
其中ed＝z1-d为有限时间干扰观测器的干扰估计误差，根据有限时间观测器理论可知，该干扰估计误差将在有限时间内收敛到0。利用永磁同步电机调速系统的误差信息e1和c2，设计非奇异快速终端滑模面为
Figure BDA0003848511160000056
在此基础上，设计复合控制器为：
Figure BDA0003848511160000057
其中，uq既是永磁同步电机的q轴电压，又是复合控制器的控制输出；Ls为永磁同步电机的电感；a1、a2和a3为自定义的常值变量；iq为永磁同步电机的q轴电流；a、b、p、q、g、h、m、n、Ξ1和Ξ2为用户可调复合控制器参数，满足
Figure BDA0003848511160000058
Ξ1＞0和Ξ2＞0。在有限时间干扰观测器的干扰估计误差收敛到0之后，将所设计的复合控制器代入到所设计的非奇异快速终端滑模面的导数中可以得到：
Figure BDA0003848511160000061
根据终端滑模控制的理论可以知道该非奇异快速终端滑模面将在有限时间内收敛到0，在此之后，永磁同步电机的调速系统的误差模型变为：
Figure BDA0003848511160000062
根据微分方程的理论可以得到永磁同步电机调速系统的误差e1和e2将在有限时间内收敛到0。
验证分析：
为了验证本发明所述方法的有效性和优越性，在此给出一个验证实例。在验证过程中，永磁同步电机的转动惯量受到正弦时变干扰的影响，即J＝J0+ΔJ，其中名义值为J0＝7.06E-4，随时间时变的变动值为ΔJ＝sin(2t)×2E-4。除此之外，参考转速wr设为100rad/s，并且在永磁同步电机启动时间到达1秒后加上0.2N的负载，与前面的转动惯量的变动一起构成集总的非匹配时变干扰。
由图2，3，4可以看出，永磁同步电机调速系统运用所述复合控制器时，相比于永磁同步电机调速系统运用传统PI控制器时，调节时间更短，超调量更小，施加负载扰动后能更快地回复到稳定值。因此，本发明所设计的复合控制器能够有效地抑制永磁同步电机调速系统的非匹配时变干扰，控制性能良好。
由图5可以看出，永磁同步电机调速系的转速w和永磁同步电机转速w的估计值z0几乎完全重合，因此所述有限时间干扰观测器的估计效果良好。
如图6为永磁同步电机调速系统的非匹配时变干扰在系统运行过程中被所述有限时间干扰观测器所估计出来的估计曲线图。
本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质存储计算机可读程序代码，当所述计算机可读程序代码被执行时实现上述方案中所述的永磁同步电机调速系统干扰抑制方法的步骤。
本发明还提供了一种装置，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机可读程序代码，所述处理器执行所述计算机可读程序代码时实现上述方案中所述的永磁同步电机调速系统干扰抑制方法的步骤。
上述实施例仅以一种具体的实施方式说明本发明的技术方案，任何对本发明进行的等同替换及不脱离本发明精神和范围的修改或局部替换，其均应涵盖在本发明权利要求保护的范围之内。

Claims (8)

1.永磁同步电机调速系统干扰抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：获取永磁同步电机的数学模型；
S2：根据所述数学模型，构建有限时间干扰观测器；
S3：根据所述有限时间干扰观测器的观测值，构建复合控制器；
S4：利用所述复合控制器，抑制所述永磁同步电机的调速系统的非匹配时变干扰。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机调速系统干扰抑制方法，其特征在于：在考虑所述永磁同步电机的d轴电流在使用PI控制器下很好地控制到0的情况下，永磁同步电机的数学模型为：
Figure FDA0003848511150000011
其中J为永磁同步电机的转动惯量；np为永磁同步电机的极对数；ψf为永磁同步电机的永久磁势；B为永磁同步电机的摩擦系数；TL为永磁同步电机的负载转矩；Ls为永磁同步电机的电感；Rs为永磁同步电机的定子绕组；w为永磁同步电机的转速；iq为永磁同步电机的q轴电流；uq既是永磁同步电机的q轴电压，又是复合控制器的控制输出。
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机调速系统干扰抑制方法，其特征在于：所述有限时间干扰观测器为：
Figure FDA0003848511150000012
其中，z0为永磁同步电机转速w的估计值；z1为永磁同步电机调速系统的非匹配时变干扰的估计值；z2为永磁同步电机调速系统的非匹配时变干扰导数的估计值；υ0、υ1和υ2为有限时间干扰观测器的中间变量；L和wo为有限时间干扰观测器可调参数。
4.根据权利要求1所述的永磁同步电机调速系统干扰抑制方法，其特征在于：结合有限时间干扰观测器得到的所述永磁同步电机的调速系统的非匹配时变干扰的估计值z1及其导数
Figure FDA0003848511150000021
基于非奇异快速终端滑模控制方法得到所述复合控制器为：
Figure FDA0003848511150000022
其中，uq既是永磁同步电机的q轴电压，又是复合控制器的控制输出；Ls为永磁同步电机的电感；a1、a2和a3为自定义的常值变量；iq为永磁同步电机的q轴电流；a、b、p、q、g、h、m、n、Ξ1和Ξ2为可调复合控制器参数；e1和e2为永磁同步电机调速系统的误差；s为非奇异快速终端滑模面。
5.根据权利要求4所述的永磁同步电机调速系统干扰抑制方法，其特征在于：参数p、q、g、h、m、n、Ξ1和Ξ2满足
Figure FDA0003848511150000023
Ξ1＞0和Ξ2＞0。
6.根据权利要求4或5所述的永磁同步电机调速系统干扰抑制方法，其特征在于：所述非奇异快速终端滑模面s具体为：
Figure FDA0003848511150000024
7.一种存储介质，其特征在于：所述存储介质存储计算机可读程序代码，当所述计算机可读程序代码被执行时实现权利要求1至6中任一项所述的永磁同步电机调速系统干扰抑制方法的步骤。
8.一种装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机可读程序代码，所述处理器执行所述计算机可读程序代码时实现权利要求1至6中任一项所述的永磁同步电机调速系统干扰抑制方法的步骤。
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