基于模型参考自适应的永磁同步电机自抗扰控制优化方法

摘要

本发明提供了一种基于模型参考自适应的永磁同步电机自抗扰控制优化方法，属于永磁同步电机有感控制领域。本发明通过预先建立永磁同步电机(PMSM)的数学模型，先使用惯量估计观测器观测系统惯量大小，再通过扩张状态观测器观测外部负载扰动，负载扰动补偿到系统输入。本发明通过改进的sigmod函数用于扩张状态观测器的非线性饱和函数，反馈部分使用改进的sigmod函数用于非线性PD控制，参数易于整定，惯量和负载能够在线实时观测，系统鲁棒性好。

权利要求

1.一种基于模型参考自适应的永磁同步电机自抗扰控制优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立永磁同步电机同步坐标轴下的数学模型；

S2、构建惯量观测器观测系统惯量大小；

S3、计算得到电流环PI增益；

S4、构建扩张状态观测器，观测外部负载扰动，并将负载扰动补偿至系统输入；所述步骤S4包括：构建扩张状态观测器，观测外部负载扰动，并将负载扰动补偿至系统输入，构建的扩张状态观测器为β01＝3b,β02＝3b2,β03＝3b3ε＝z1-y

sig＝sigmod(a,b,x){

sig＝2a(((1+exp(-bx))-1)-0.5)；

}

其中，b为扩张状态观测器增益，y为系统输出，即电机的当前转子位置，z1为转子位置估计，z2为转子速度估计，z3为负载干扰估计，对应所述步骤S1中的TL/J，h为控制周期，kT为力矩常数，u为系统输入，即iq；

S5、构建离散微分跟踪器对目标信号进行过渡，采用非线性PD控制得到误差信号，并根据所述误差信号进行非线性PD反馈；所述步骤S5包括：构建离散微分跟踪器

其中，xn为目标位置信号，vn为目标速度信号，fst函数为f＝fst(x1,x2,r,h){

d＝r·h；

d0＝h·d；

y＝x1+h·x2；

}

采用非线性PD控制，对xn、vn及所述扩张状态观测器估计的转子位置z1(n)和速度z2(n)分别相减得到误差信号e1＝xn-z1(n)和e2＝vn-z2(n)，采用非线性PD反馈u＝sigmod(iqmax,kp,e1)+sigmod(iqmax,kd,e2)u＝u-Jz3(n)/kT

其中，iqmax为q轴电流iq允许控制的最大值，kp、kd即位置环非线性PD增益。

2.如权利要求1所述的基于模型参考自适应的永磁同步电机自抗扰控制优化方法，其特征在于，所述步骤S1包括：建立永磁同步电机同步坐标轴下的数学模型其中，id为d轴电流，iq为q轴电流，ωm为电机转子机械角速度，R为定子绕组，定子电感L＝Ld＝Lq，pn为电机极对数，ψf为永磁磁链，J为转动惯量，B为阻尼系数，ud为d轴电压，uq为q轴电压。

3.如权利要求2所述的基于模型参考自适应的永磁同步电机自抗扰控制优化方法，其特征在于，所述步骤S2包括：构建惯量观测器，令b(k-1)＝T/J,U(k-1)＝Te(k-1)-Te(k-2)，有其中，T为观测周期，β为惯量观测器增益，当β＝50/T时对系统惯量进行估计

4.如权利要求3所述的基于模型参考自适应的永磁同步电机自抗扰控制优化方法，其特征在于，所述步骤S3包括：计算电流环PI增益

其中，Ti为电流环控制周期。

说明书

基于模型参考自适应的永磁同步电机自抗扰控制优化方法

技术领域

[0001] 本发明属于永磁同步电机有感控制领域，特别涉及一种基于模型参考自适应的永磁同步电机自抗扰控制优化方法。

背景技术

[0002] 在永磁同步电机控制领域，一般电机控制算法都是三环PID的结构，包括电流环、速度环、位置环，三环控制需要整定的参数多，参数自整定的方法已有很多，但想实现高精度高速控制，三环PID的参数仍然需要有控制经验的人来手动调节。而永磁同步电机是一个非线性系统，实际电机运行过程中还存在非线性摩擦阻力，外界负载干扰以及系统惯量变化等等因素，这就要求电机控制算法需要更好的适应能力以及参数调节尽可能简单，需要调节的参数数目尽可能少。

[0003] 目前很多关于PMSM的控制算法都未考虑实际系统的传感器噪声，采样离散化以及输出离散化带来的问题，很多仿真过程都未考虑实际系统为一个离散控制的系统，而离散误差甚至导致有些算法不能直接使用。经典的自抗扰算法中使用

[0004] fal函数作为饱和函数进行观测器设计，fal函数非线性程度可以调节，有着小误差大增益大误差小增益的特点，但构造的fal函数的导数不连续，如果参数设置不当将会使得系统容易震荡，且fal函数可调参数较多，实际调整参数较为繁杂。

发明内容

[0005] 为了解决上述问题，本发明提出了一种基于模型参考自适应的永磁同步电机自抗扰控制优化方法，通过预先建立永磁同步电机(PMSM)的数学模型，先使用惯量估计观测器观测系统惯量大小，再通过扩张状态观测器观测外部负载扰动，负载扰动补偿到系统输入，并通过改进的sigmod函数用于扩张状态观测器的非线性饱和函数，反馈部分使用改进的sigmod函数用于非线性PD控制，参数易于整定，惯量和负载能够在线实时观测，系统鲁棒性好。

[0006] 一种基于模型参考自适应的永磁同步电机自抗扰控制优化方法，包括以下步骤：

[0007] S1、建立永磁同步电机同步坐标轴下的数学模型；

[0008] S2、构建惯量观测器观测系统惯量大小；

[0009] S3、计算得到电流环PI增益；

[0010] S4、构建扩张状态观测器，观测外部负载扰动，并将负载扰动补偿至系统输入；

[0011] S5、构建离散微分跟踪器对目标信号进行过渡，采用非线性PD控制得到误差信号，并根据所述误差信号进行非线性PD反馈。

[0012] 进一步地，其特征在于，所述步骤S1包括：

[0013] 建立永磁同步电机同步坐标轴下的数学模型

[0014]

[0015] 其中，id为d轴电流，iq为q轴电流，ωm为电机转子机械角速度，R为定子绕组，定子电感L＝Ld＝Lq，pn为电机极对数，ψf为永磁磁链，J为转动惯量，B为阻尼系数，ud为d轴电压，uq为q轴电压。

[0016] 进一步地，其特征在于，所述步骤S2包括：

[0017] 构建惯量观测器，令b(k-1)＝T/J,U(k-1)＝Te(k-1)-Te(k-2)，有

[0018]

[0019]

[0020] 其中，T为观测周期，β为惯量观测器增益，当β＝50/T时对系统惯量进行估计[0021] 进一步地，其特征在于，所述步骤S3包括：

[0022] 计算电流环PI增益

[0023]

[0024]

[0025] 其中，Ti为电流环控制周期。

[0026] 进一步地，其特征在于，所述步骤S4包括：

[0027] 构建扩张状态观测器，观测外部负载扰动，并将负载扰动补偿至系统输入，构建的扩张状态观测器为

[0028] β01＝3b,β02＝3b2,β03＝3b3

[0029] ε＝z1-y

[0030]

[0031] sig＝sigmod(a,b,x)

[0032] {

[0033] sig＝2a(((1+exp(-bx))-1)-0.5)；

[0034] }

[0035] 其中，b为扩张状态观测器增益，y为系统输出，即电机的当前转子位置，z1为转子位置估计，z2为转子速度估计，z3为负载干扰估计，对应所述步骤S1中的TL/J，h为控制周期，kT为力矩常数，u为系统输入，即iq。

[0036] 进一步地，其特征在于，所述步骤S5包括：

[0037] 构建离散微分跟踪器

[0038]

[0039] 其中，xn为目标位置信号，vn为目标速度信号，fst函数为

[0040] f＝fst(x1,x2,r,h)

[0041] {

[0042] d＝r·h；

[0043] d0＝h·d；

[0044] y＝x1+h·x2；

[0045]

[0046]

[0047]

[0048] }

[0049] 采用非线性PD控制，对xn、vn及所述扩张状态观测器估计的转子位置z1(n)和速度z2(n)分别相减得到误差信号e1＝xn-z1(n)和e2＝vn-z2(n)，采用非线性PD反馈[0050] u＝sigmod(iqmax,kp,e1)+sigmod(iqmax,kd,e2)

[0051] u＝u-Jz3(n)/kT

[0052] 其中，iqmax为iq允许控制的最大值，kp、kd即位置环非线性PD增益。

[0053] 本发明的有益效果：本发明提供了一种基于模型参考自适应的永磁同步电机自抗扰控制优化方法，本发明引入了模型参考的惯量观测器，惯量观测器增益与观测周期参数进行绑定，这样只需要调整合适的观测周期就能实现对惯量的估计，估计值用于修正扩张状态观测器中的惯量参数，使得系统适应能力提高，扩张状态观测器使用改进的sigmod函数进行状态变量的观测，参数较少且单个参数就能实现非线性程度的调节，整定更加容易，函数具有饱和特性，不用另外增加限幅函数进行限幅。在非线性反馈部分同样使用改进的sigmod函数进行PD控制，因为在扩张状态观测器的原因，非线性反馈部分可以不需要积分控制就能达到较小的稳态误差。

附图说明

[0054] 图1为本发明实施例的流程图。

[0055] 图2为本发明实施例的结果图。

[0056] 图3为本发明实施例的数据流向图。

[0057] 图4为本发明实施例的DOB惯量识别结果图。

[0058] 图5为本发明实施例的位置单位阶跃响应图。

[0059] 图6为本发明实施例的位置单位阶跃响应放大图。

[0060] 图7为本发明实施例的位置阶跃响应跟踪误差图。

具体实施方式

[0061] 下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。

[0062] 请参阅图1，本发明提出了一种基于模型参考自适应的永磁同步电机自抗扰控制优化方法，通过以下步骤实现：

[0063] S1、建立永磁同步电机同步坐标轴下的数学模型。

[0064] 本实施例中，建立永磁同步电机同步坐标轴下的数学模型

[0065]

[0066] 其中，id为d轴电流，iq为q轴电流，ωm为电机转子机械角速度，R为定子绕组，定子电感L＝Ld＝Lq，pn为电机极对数，ψf为永磁磁链，J为转动惯量，B为阻尼系数，ud为d轴电压，uq为q轴电压。

[0067] 优选地，PMSM的参数为：定子电阻R＝0.501Ω，d轴电感Ld＝0.585e-3H，q轴电感Lq＝0.585e-3H，极对数pn＝7，永磁体磁链ψf＝2.4143e-3(WB)，转动惯量J＝1e-6(Kg*m2)，阻尼系数B＝5.7181e-7(N*m/(rad/s))，也可以为其他数值设置。

[0068] 结果如图2所示，其编码器设置为12位，一圈4096个脉冲，电流采样ADC为12位，采集电流范围为±5A，电流采样噪声为50mA高斯白噪声，负载力矩为0.01N·m，角频率为10rad/s的正弦干扰。

[0069] S2、构建惯量观测器观测系统惯量大小。

[0070] 本实施例中，构建惯量观测器，令b(k-1)＝T/J,U(k-1)＝Te(k-1)-Te(k-2)，有[0071]

[0072]

[0073] 其中，T为观测周期，β为惯量观测器增益，根据数据可得，当β＝50/T时能对系统惯量进行很好的估计

[0074] 优选地，惯量观测器(ODB)的初始参数为：T＝0.01，β＝10000， 也可以为其他数值设置。

[0075] S3、计算得到电流环PI增益。

[0076] 本实施例中，计算电流环PI增益

[0077]

[0078]

[0079] 其中，Ti为电流环控制周期。

[0080] S4、构建扩张状态观测器，观测外部负载扰动，并将负载扰动补偿至系统输入。

[0081] 本实施例中，构建扩张状态观测器，观测外部负载扰动，并将负载扰动补偿至系统输入，构建的扩张状态观测器为

[0082] β01＝3b,β02＝3b2,β03＝3b3

[0083] ε＝z1-y

[0084]

[0085] sig＝sigmod(a,b,x)

[0086] {

[0087] sig＝2a(((1+exp(-bx))-1)-0.5)；

[0088] }

[0089] 其中，b为扩张状态观测器增益，y为系统输出，即电机的当前转子位置，z1为转子位置估计，z2为转子速度估计，z3为负载干扰估计，对应步骤S1中的TL/J，h为控制周期，kT为力矩常数，u为系统输入，即iq。

[0090] 优选地，扩张状态观测器(ESOF)的初始参数为：kT＝25.4e-3，J＝1e-6，B＝5.7181e-7(N*m/(rad/s))，b＝800，h＝0.00005，也可以为其他数值设置。

[0091] S5、使用离散微分跟踪器对目标信号安排过渡过程，采用非线性PD控制得到误差信号，并根据误差信号进行非线性PD反馈。

[0092] 本实施例中，构建离散微分跟踪器

[0093]

[0094] 其中，xn为目标位置信号，vn为目标速度信号，fst函数为

[0095] f＝fst(x1,x2,r,h)

[0096] {

[0097] d＝r·h；

[0098] d0＝h·d；

[0099] y＝x1+h·x2；

[0100]

[0101]

[0102]

[0103] }

[0104] 采用非线性PD控制，对xn、vn及扩张状态观测器估计的转子位置z1(n)和速度z2(n)分别相减得到误差信号e1＝xn-z1(n)和e2＝vn-z2(n)，采用非线性PD反馈

[0105] u＝sigmod(iqmax,kp,e1)+sigmod(iqmax,kd,e2)

[0106] u＝u-Jz3(n)/kT

[0107] 其中，iqmax为iq允许控制的最大值，kp、kd即位置环非线性PD增益。

[0108] 优选地，非线性PD控制(NLSEF)增益为：kp＝100，kd＝0.2，也可以为其他数值设置。

[0109] 优选地，微分跟踪器(TD)的参数为：r＝10000，h0＝0.00005，h＝0.00005，也可以为其他数值设置。

[0110] 请参阅图3，本发明实施例中的数据流向如图3所示。

[0111] DOB惯量识别结果如图4所示：初始惯量设置为电机惯量的十分之一。实际的惯量为1e-6，惯量均值在0.96e-6。

[0112] 位置单位阶跃响应如图5所示，图5为传感器采集的原始数据依次为d轴电流、q轴电流、编码器脉冲数。

[0113] 图6为图5横坐标放大后的图，由于TD安排过渡的作用，阶跃响应变为平滑的过渡曲线，系统不会超调，图中的数据单位为原始传感器的单位，12位ADC采集电流范围为±5A，12位编码器，一圈为4096个脉冲。

[0114] 位置阶跃响应跟踪误差如图7所示，安排过渡过程后的位置减去当前位置，可见位置跟踪有很高的静态和动态精度，系统在0.5s处发生阶跃，由于观测器增益较大的原因，在系统稳态时伴随高频的±1个脉冲的抖动，可以在系统稳态时增大系统阻尼，可减弱此现象。

[0115] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。