一种基于改进自抗扰控制的永磁同步电机转速环设计方法

摘要

本发明公开了一种基于改进自抗扰控制的永磁同步电机转速环设计方法，属电机控制领域，该方法采用线性跟踪微分器将转速给定值平滑处理以便提取其微分信号，利用线性扩张状态观测器对总扰动进行估计并进行线性状态误差反馈；同时，引入非线性积分前馈补偿，在消除静差的同时，避免了由误差过大而引起的系统超调问题。相较于传统PI控制算法，本算法大幅减小了电机带载启动时的反转，在保持电机转速无超调、无静差的同时，加快了系统的动态响应速度。

权利要求

1.一种基于改进自抗扰控制的永磁同步电机转速环设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，以阶跃信号或斜坡信号作为转速给定值，同时检测转速实际值，进行转速闭环控制；

S2，建立线性跟踪微分器，将转速给定值代入，输出转速跟踪信号并提取其微分信号；

S3，设计线性扩张状态观测器，将内外扰动视为一个整体，扩张为新的“总扰动”状态量，并观测出总扰动量；

S4，进行线性状态误差反馈，将线性跟踪微分器输出跟踪信号与线性扩张状态观测器输出信号之间的误差进行线性反馈，得到 轴电流参考值 ；

S5，将线性扩张状态观测器估计得到的总扰动量进行反馈补偿，以抑制内外扰动对电机系统的影响；

S6，利用非线性积分前馈补偿以消除转速静差，其中非线性积分前馈补偿器为：其中， 是非线性积分前馈补偿器， 是非线性积分前馈补偿器的比例增益，是非线性积分前馈补偿器的积分增益， 是输入非线性积分前馈补偿器的误差信号，是非线性函数， 为误差边界。

2.根据权利要求1所述的一种基于改进自抗扰控制的永磁同步电机转速环设计方法，其特征在于，所述S1中阶跃信号、斜坡信号分别为：其中， 为阶跃信号， 为斜坡信号， 为时间， 为转速给定值， 为斜坡信号的斜率，当斜坡信号达到给定值 时，对斜坡信号做限幅，幅值为 。

3.根据权利要求1所述的一种基于改进自抗扰控制的永磁同步电机转速环设计方法，其特征在于，所述S2中线性跟踪微分器为：其中， 、 分别是 时刻对转速给定值的跟踪值及其微分值，

、 分别是 时刻对转速给定值的跟踪值及其微分值， 是速度因子，其大小决定对转速给定值的跟踪快慢， 为转速给定值， 是采样周期。

4.根据权利要求1所述的一种基于改进自抗扰控制的永磁同步电机转速环设计方法，其特征在于，所述S3中线性扩张状态观测器为：其中， 是 时刻转速实际值与其观测值之差， 、 分别是

时刻对电机转速实际值 的观测值、系统总扰动 的观测值， 、 分别是 时刻对电机转速实际值 的观测值、系统总扰动 的观测值， 是 时刻 轴电流实际值， 、 是观测器参数，取值为 ， ， 为观测器带宽， 是电流项参数的估计值， 是采样周期。

5.根据权利要求1所述的一种基于改进自抗扰控制的永磁同步电机转速环设计方法，其特征在于，所述S4中线性状态误差反馈为：其中， 是线性状态误差反馈输出控制量， 为线性状态误差反馈的比例增益，其值由控制系统的带宽决定，影响系统的动态响应速度和抗干扰能力， 是 时刻对转速给定值的跟踪值， 是 时刻对转速实际值的跟踪值。

6.根据权利要求1所述的一种基于改进自抗扰控制的永磁同步电机转速环设计方法，其特征在于，所述S5中扰动量反馈补偿为：其中， 是扰动量反馈补偿后的输出控制量，也作为 轴电流参考值 ， 是线性状态误差反馈输出控制量， 是电流项参数的估计值， 是 时刻对系统总扰动 的观测值。

说明书

一种基于改进自抗扰控制的永磁同步电机转速环设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电力电子与电力传动领域中电机控制领域，具体涉及一种在带载启动时电机转速跌落幅度较小，动态响应速度快、无超调、无静差的基于改进自抗扰算法的永磁同步电机转速环设计方法。

背景技术

[0002] 永磁同步电机具有功率密度大、功率因数高、节能等突出优点，特别适合低速大扭矩的矿井提升机应用。另外，高温永磁材料的出现，降低了永磁体退磁的风险，永磁同步电机作为矿井提升机电机已被市场广泛接受。在大功率提升机应用场合，会考虑采用永磁同步电机直驱的方式，省去减速机等齿轮传动机械装置。但由于物理惯性，电机带载启动时会产生反转，若控制系统动态响应速度较慢，电机反转将更多，这对于矿井提升运输效率、矿井工人乘坐安全性均有重大影响。

[0003] 随着现代控制理论的应用以及数字控制器的快速发展，自抗扰控制以其动态响应快、抗扰性高、可靠性好等优点，近年来受到广泛关注。针对电机控制系统转速环设计，传统的PI控制转速环中，动态响应速度与PI超调的兼容性不够，通常为了减小超调，会牺牲系统动态响应速度，这就会造成电机带载启动时反转，甚至造成严重事故。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于改进自抗扰控制的永磁同步电机转速环设计方法，使得转速环动态响应速度更快，同时转速无超调、无静差，电机带载启动时的反转减小，实现无超调与快速动态响应的兼容。

[0005] 为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

[0006] 提供一种基于改进自抗扰控制的永磁同步电机转速环设计方法，其包括以下步骤：

[0007] S1，以阶跃信号或斜坡信号作为转速给定值，同时检测转速实际值，进行转速闭环控制；

[0008] S2，建立线性跟踪微分器，将转速给定值代入，输出转速跟踪信号并提取其微分信号；

[0009] S3，设计线性扩张状态观测器，将内外扰动视为一个整体，扩张为新的“总扰动”状态量，并观测出总扰动量；

[0010] S4，进行线性状态误差反馈，将线性跟踪微分器输出跟踪信号与线性扩张状态观测器输出信号之间的误差进行线性反馈，得到 轴电流参考值 ；

[0011] S5，将线性扩张状态观测器估计得到的总扰动量进行反馈补偿，以抑制内外扰动对电机系统的影响；

[0012] S6，利用非线性积分前馈补偿以消除转速静差。

[0013] 进一步地，所述S1中阶跃信号、斜坡信号分别为：

[0014]

[0015]

[0016] 其中， 为阶跃信号， 为斜坡信号， 为时间， 为转速给定值， 为斜坡信号的斜率，当斜坡信号达到给定值 时，对斜坡信号做限幅，幅值为 。

[0017] 进一步地，所述S2中线性跟踪微分器为：

[0018]

[0019] 其中， 、 分别是 时刻对转速给定值的跟踪值及其微分值， 、 分别是 时刻对转速给定值的跟踪值及其微分值， 是速度因子，其大小决定对转速给定值的跟踪快慢， 为转速给定值， 是采样周期。

[0020] 进一步地，所述S3中线性扩张状态观测器为：

[0021]

[0022] 其中， 是 时刻转速实际值与其观测值之差， 、 分别是时刻对电机转速实际值 的观测值、系统总扰动 的观测值， 、 分别是
时刻对电机转速实际值 的观测值、系统总扰动 的观测值， 是 时刻 轴电流实际值， 、 是观测器参数，一般取值为 ， ， 为观测器带宽，
是电流项参数的估计值， 是采样周期。

[0023] 进一步地，所述S4中线性状态误差反馈为：

[0024]

[0025] 其中， 是线性状态误差反馈输出控制量， 为线性状态误差反馈的比例增益，其值由控制系统的带宽决定，影响系统的动态响应速度和抗干扰能力， 是 时刻对转速给定值的跟踪值， 是 时刻对转速实际值的跟踪值。

[0026] 进一步地，所述S5中扰动量反馈补偿为：

[0027]

[0028] 其中， 是扰动量反馈补偿后的输出控制量，也作为 轴电流参考值 ，是线性状态误差反馈输出控制量， 是电流项参数的估计值， 是 时刻对系统总扰动 的观测值。

[0029] 进一步地，所述S6中非线性积分前馈补偿器为：

[0030]

[0031]

[0032] 其中， 是非线性积分前馈补偿器， 是非线性积分前馈补偿器的比例增益，是非线性积分前馈补偿器的积分增益， 是输入非线性积分前馈补偿器的误差信号，是非线性函数， 为误差边界。

[0033] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0034] （1）采用线性跟踪微分器将转速给定值平滑处理以便提取其微分信号，实现对信号的快速跟踪，同时避免输出过大的控制量；

[0035] （2）加入线性扩张状态观测器，对电机的总扰动量进行观测，并进行线性状态误差反馈与扰动补偿，在加快动态响应速度的同时，系统的抗扰性也得到增强；

[0036] （3）加入非线性积分前馈补偿器，非线性函数 的特点是“小误差放大、大误差饱和”，在消除静差的同时，避免了由误差过大而引起的系统超调问题。

附图说明

[0037] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。

[0038] 图1为线性自抗扰控制器框图；

[0039] 图2为非线性函数 的图像；

[0040] 图3为本发明所提算法的流程框图；

[0041] 图4为转速给定值是阶跃信号、速度因子为350时的线性跟踪微分器仿真波形；

[0042] 图5为转速给定值是阶跃信号、速度因子为100时的线性跟踪微分器仿真波形；

[0043] 图6为转速给定值是斜坡信号、速度因子为350时的线性跟踪微分器仿真波形；

[0044] 图7为转速给定值为斜坡信号时的传统PI控制转速环的仿真结果；

[0045] 图8为转速给定值为斜坡信号时的本发明所提算法控制转速环的仿真结果。

具体实施方式

[0046] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

[0047] 具体的实施步骤如下：

[0048] 一种基于改进自抗扰控制的永磁同步电机转速环设计方法，包括以下步骤:

[0049] 步骤1：阶跃信号、斜坡信号分别为：

[0050]

[0051]

[0052] 其中， 为阶跃信号， 为斜坡信号， 为时间， 为转速给定值， 为斜坡信号的斜率，当斜坡信号达到给定值 时，对斜坡信号做限幅，幅值为 。

[0053] 步骤2：建立线性自抗扰控制器。一般的自抗扰控制器是非线性的，但由于非线性函数存在，其对处理器性能要求较高，同时非线性函数需要整定的参数较多，且一般不能理论计算，于是便进行线性自抗扰控制器的设计。首先设计线性跟踪微分器为：

[0054]

[0055] 其中， 、 分别是对转速给定值的跟踪值及其微分值， 、 分别是、 的导数， 是转速给定值， 是速度因子，其大小决定对转速给定值的跟踪快慢。线性跟踪微分器的本质是二阶系统的传递函数：

[0056]

[0057] 其中G是传递函数，S是拉普拉斯变换中的复参变量， 是速度因子， 是阻尼比，当 时，便可得到如上状态方程。由于实际中会采用数字信号处理器控制，故需要对状态方程离散化：

[0058]

[0059] 其中， 、 分别是 时刻对转速给定值的跟踪值及其微分值， 、 分别是 时刻对转速给定值的跟踪值及其微分值， 是速度因子，其大小决定对转速给定值的跟踪快慢， 为转速给定值， 是采样周期。

[0060] 步骤3：设计线性扩张状态观测器。在d‑q旋转坐标系下，结合电机运动方程与电磁转矩方程有：

[0061]

[0062] 其中， 是电机极对数， 是永磁体磁链， 是负载转矩，B是粘滞系数， 是转速实际值， 是 的导数， 是转动惯量， 表示电机 轴电流。将除 项以外的所有项视为总扰动，即 ，于是有：

[0063]

[0064] 其中， 是电流项参数 的估计值， 是实际转速 的导数，表示电机 轴电流。

[0065] 于是便可设计离散化线性扩张状态观测器如下

[0066]

[0067] 其中， 是k时刻转速实际值与其观测值之差， 、 分别是时刻对电机转速实际值 的观测值、系统总扰动 的观测值， 、 分别是
时刻对电机转速实际值 的观测值、系统总扰动 的观测值， 是 时刻 轴电流实际值， 是采样周期， 、 是观测器参数，一般取值为 ， ，
为观测器带宽， 是电流项参数的 估计值， 是电机极对数， 是永磁
体磁链， 是转动惯量。

[0068] 步骤4：线性状态误差反馈为：

[0069]

[0070] 其中， 是线性状态误差反馈输出控制量， 为线性状态误差反馈的比例增益，其值由控制系统的带宽决定，影响系统的动态响应速度和抗干扰能力， 是 时刻对转速给定值的跟踪值， 是 时刻对转速实际值的跟踪值。

[0071] 步骤5：进行扰动量反馈补偿，补偿形式为

[0072]

[0073] 其中， 是扰动量反馈补偿后的输出控制量，也作为 轴电流参考值 ，是线性状态误差反馈输出控制量， 是 时刻对系统总扰动 的观测值，是电流项参数的 估计值，扰动量反馈补偿后可以抑制内外扰动对电机系统的影响。

[0074] 线性自抗扰控制器框图如图1所示，转速给定值经过线性跟踪微分器，得到给定转速跟踪值 ，与转速实际值经线性扩张状态观测器得来的观测值 做差后，进行线性状态误差反馈，最后再将扰动量 (即总扰动量 )进行补偿，得到 轴电流参考值 。

[0075] 步骤6：设计非线性积分前馈，非线性积分前馈补偿器为：

[0076]

[0077] 其中， 是非线性积分前馈补偿器， 是非线性积分前馈补偿器的比例增益，是非线性积分前馈补偿器的积分增益， 是输入非线性积分前馈补偿器的误差信号，是非线性函数，其设计值为：

[0078]

[0079] 其中， 为误差边界且为正实数，图2是 的函数图像，可以看出 的特点是“小误差放大，大误差饱和”，从而可以避免传统积分中由误差过大而引起的系统超调问题，同时解决了系统静差，提高系统准确性，且系统动态响应速度也得到了提高。

[0080] 所提发明方法的流程框图如图3所示。检测到的电机转速实际值反馈至线性自抗扰控制器与非线性积分补偿器，得到输出 轴电流参考值 ，本发明中 轴电流参考值等于0，电流控制环节采用单矢量模型预测电流控制，利用电流参考值、电流实际值代入评价函数，选出使评价函数值最小的电压矢量作为最优电压矢量，再将最优电压矢量输出到调制模块进行发波。

[0081] 图4为转速给定值是阶跃信号时、速度因子为350时的线性跟踪微分器仿真波形，其中实线是转速跟踪值、虚线是转速给定值，图5为转速给定值是阶跃信号时、速度因子为100时的线性跟踪微分器仿真波形，其中实线是转速跟踪值、虚线是转速给定值，图6为转速给定值是斜坡信号时、速度因子为350时的仿真结果，其中实线是转速跟踪值、虚线是转速给定值。结合图4和图5可以看出，转速给定值为阶跃信号时，由于速度因子 大小不同，转速跟踪的快速性也不同， 越大转速跟踪越快；结合图4和图6可以看出，转速给定值为斜坡信号时的跟踪效果比转速给定值为阶跃信号时的跟踪效果要更好。

[0082] 图7为转速给定值为斜坡信号时的传统PI控制转速环的仿真结果，图8为转速给定值为斜坡信号时的本发明所提算法控制转速环的仿真结果。对比图7和图8可以发现，本发明提出的一种基于改进自抗扰控制的永磁同步电机转速环设计方法能够减少电机带载启动时的转速反向跌落，突加负载时，转速跌落量也减少，跌落后转速恢复也更快。

[0083] 虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。