專利名稱：永磁同步電機的簡化自抗擾控制器的構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種永磁同步電機的簡化自抗擾控制器構(gòu)造方法，適用于永磁同步電機的高性能伺服控制，屬于交流伺服控制系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
永磁同步電機是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，在運行過程中參數(shù)會發(fā)生變化，往往還存在著較為嚴(yán)重的外部干擾，因此永磁同步電機的控制是比較困難的。經(jīng)典控制理論難以克服擾動、參數(shù)大范圍攝動等因素對系統(tǒng)性能的影響，難以獲得滿意的控制系統(tǒng)性能。隨著控制理論的發(fā)展，很多先進(jìn)的算法被應(yīng)用于永磁同步電機的控制研究中，如滑模變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。但是其中的許多方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，復(fù)合模糊控制方法等，涉及的數(shù)學(xué)知識較多，計算和實現(xiàn)較為復(fù)雜，難以真正應(yīng)用于交流伺服控制系統(tǒng)的實際控制。不少方法只是停留在數(shù)值仿真研究上，設(shè)計的控制器沒有考慮到實際應(yīng)用的特點，離真正應(yīng)用還存在一定距離。因此，研究新型的非線性控制算法，特別是能在實際交流伺服系統(tǒng)中真正實現(xiàn)的非線性控制算法，并將其應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng)的控制研究中，提升交流伺服系統(tǒng)的控制性能，是目前交流伺服系統(tǒng)研究中一個迫切需要解決的問題。
文獻(xiàn)<永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的自抗擾控制>中介紹了標(biāo)準(zhǔn)的自抗擾控制器在永磁同步電機速度環(huán)中的仿真研究，該文獻(xiàn)把永磁同步電機作為一階對象，設(shè)計了一階跟蹤微分器，二階的擴張狀態(tài)觀測器，一階的非線性狀態(tài)誤差反饋控制器，對自抗擾控制器進(jìn)行了仿真研究，仿真的結(jié)果表明，在永磁同步電機的調(diào)速系統(tǒng)中，自抗擾控制器比傳統(tǒng)的PI控制器具有更好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，在系統(tǒng)的抗干擾性和魯棒性上也有了提高，但是該文獻(xiàn)只是做了仿真研究，而且自抗擾控制器的三個模塊都采用了復(fù)雜的非線性函數(shù)，并沒有把自抗擾控制器具體實現(xiàn)。
文獻(xiàn)<自抗擾控制器的簡易實現(xiàn)>則從理論上給出了標(biāo)準(zhǔn)自抗擾控制器的簡易實現(xiàn)，該文獻(xiàn)針對一階模型，省去了跟蹤微分器，二階的擴張狀態(tài)觀測器采用線性的觀測器，非線性狀態(tài)誤差反饋控制器則采用一般的比例控制器，該設(shè)計方案簡化了自抗擾控制器的結(jié)構(gòu)，把復(fù)雜的非線性函數(shù)都用簡單的線性函數(shù)來實現(xiàn)，為自抗擾控制器的具體實現(xiàn)提供了參考。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種永磁同步電機的簡化自抗擾控制器的構(gòu)造方法，采用該方法構(gòu)造的簡化自抗擾控制器，能自動補償電機模型的變化帶來的內(nèi)部擾動(如轉(zhuǎn)動慣量和永磁磁鏈的變化等)和來自外界的擾動(如負(fù)載和電網(wǎng)電壓的波動等)，實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)反饋線性化，再通過非線性狀態(tài)誤差反饋控制律來提高閉環(huán)系統(tǒng)的控制性能。簡化自抗擾控制器不依賴于被控對象的數(shù)學(xué)模型，因此具有良好的魯棒性和適應(yīng)性。
技術(shù)方案本發(fā)明的永磁同步電機的速度環(huán)的簡化自抗擾控制器的構(gòu)造方法是將簡化的自抗擾控制器串聯(lián)在復(fù)合被控對象之前構(gòu)造而成，其中，復(fù)合被控對象由電流控制器與擴展的壓控逆變器先進(jìn)行串聯(lián)，并接在永磁同步電機和負(fù)載及光電編碼器之前，然后再與電流ia，ib反饋通道上的坐標(biāo)變換共同組成；永磁同步電機與負(fù)載通過機械連軸器連在一起，光電編碼器在永磁同步電機內(nèi)部，并與永磁同步電機同軸連在一起；簡化自抗擾控制器由擴張的二階狀態(tài)觀測器與復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋及復(fù)合控制器依次閉環(huán)連接而成；由復(fù)合控制器的輸出信號U(t)及系統(tǒng)的輸出信號ω作為擴張的二階狀態(tài)觀測器的輸入信號；由擴張的二階狀態(tài)觀測器的輸出信號z1及ω共同作為復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋(54)的輸入信號；由給定轉(zhuǎn)速信號ω*與復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋的輸出ωδ相減得到的誤差信號與擴張的二階狀態(tài)觀測器的輸出信號z2一起作為復(fù)合控制器(53)的輸入信號，復(fù)合控制器由廣義速度誤差開方控制器及對系統(tǒng)擾動的補償項(-z2/b)兩部分疊加組成，最后把復(fù)合控制器的輸出U(t)作為簡化自抗擾控制器的輸出信號并作為復(fù)合被控對象的給定信號iq*。
該擴展的壓控逆變器由空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)與電壓控制電壓源逆變器串聯(lián)組成，其中空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)輸出六路驅(qū)動信號觸發(fā)擴展的壓控逆變器的智能功率模塊(IPM)。
電流控制器是由電流調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器經(jīng)過派克逆變換后并行組成的兩通道電流控制器，其中電流調(diào)節(jié)器及電流調(diào)節(jié)器都采用比例積分PI控制器實現(xiàn)。
坐標(biāo)變換由派克變換和克拉克變換串聯(lián)構(gòu)成。
擴張的二階線性狀態(tài)觀測器，其狀態(tài)模型為z·1=z2-β1(z1-ω)+biq*z·2=-β2(z1-ω),]]>其中β1、β2為可調(diào)參數(shù)，ω為轉(zhuǎn)速信號，b為控制器系數(shù)，z1用于跟蹤系統(tǒng)輸出ω，z2用于跟蹤系統(tǒng)的擾動，iq*為q軸電流給定， 為轉(zhuǎn)速和擾動估計的微分。
該狀態(tài)觀測器的輸入信號為q軸電流給定iq*及系統(tǒng)輸出ω，輸出信號為轉(zhuǎn)速的觀測值及系統(tǒng)總擾動信號的估計量。
廣義速度誤差開方控制器由速度環(huán)增益Kp乘以廣義速度誤差的開方構(gòu)成，輸入信號為給定轉(zhuǎn)速減去復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋得到的廣義速度誤差ω*-ωδ，其比例控制器輸出為u0(t)=Kp|ω*-ωδ|sign(ω*-ωδ),]]>Kp為速度環(huán)增益，ω*為給定轉(zhuǎn)速，ωδ為復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋，sign(ω*-ωδ)為廣義速度誤差ω*-ωδ的符號，當(dāng)廣義速度誤差為正或零時取1，當(dāng)廣義速度誤差為負(fù)時取-1；廣義速度誤差的開方用牛頓迭代比較法由DSP程序?qū)崿F(xiàn)。
復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋ωδ由轉(zhuǎn)速測量值ω和轉(zhuǎn)速的觀測量z1兩者的加權(quán)和組成，其表達(dá)式為ωδ＝δω+(1-δ)z1，δ為權(quán)重因子，其值可調(diào)，取值范圍為δ∈
。
復(fù)合控制器的輸出由廣義速度誤差開方控制器的輸出與系統(tǒng)總擾動的補償量(-z2/b)復(fù)合得到，其表達(dá)式為u(t)=Kp|ω*-ωδ|sign(ω*-ωδ)-z2/b.]]>簡化自抗擾控制器中的擴張的二階狀態(tài)觀測器、復(fù)合控制器與復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋，及電流控制器、擴展的壓控逆變器、坐標(biāo)變換、速度與角度計算為采用數(shù)字信號處理器即DSP控制器，通過編制DSP程序來實現(xiàn)。
標(biāo)準(zhǔn)的自抗擾控制器一般由三部分組成，跟蹤微分器(TrackingDifferentiator，簡稱TD)，擴張的狀態(tài)觀測器(Extended State Observer，簡稱ESO)和非線性狀態(tài)誤差反饋(Nonlinear State Error Feedback，簡稱NLSEF)控制器。它可以適用于如下存在未知外擾的系統(tǒng)
x(n)=f(x,x·,x··,...,x(n-1),t)+d(t)+bu(t)y=x---(1)]]>其中， 為非線性函數(shù)，d(t)為未知外擾， 為系統(tǒng)的狀態(tài)，u(t)為控制量，y(t)為系統(tǒng)的輸出。令a(t)=f(x,x·,x··,...,x(n-1),t)+d(t)]]>為系統(tǒng)模型的內(nèi)擾和未知外擾d(t)之和，作為系統(tǒng)的總擾動。系統(tǒng)(1)可重寫為x(n)=a(t)+bu(t)y=x---(2)]]>以二階系統(tǒng)為例，通常TD采用的形式如下在|x··1|≤r]]>情況下，x1(t)可以最快的跟蹤輸入信號V(t)。當(dāng)x1(t)充分接近V(t)時，其導(dǎo)數(shù) (即x2(t))可以近似為V(t)的微分，實際上x2(t)為V(t)的廣義微分。廣義微分是一種品質(zhì)很好的微分。它不是靠微分環(huán)節(jié)來實現(xiàn)，而是由狀態(tài)觀測器來實現(xiàn)的，因而避免了對噪聲的敏感。跟蹤微分器中的非線性函數(shù)的選取并不是唯一的，如改用飽和函數(shù)sat函數(shù)，同樣可以得到輸入的廣義微分，此時TD的形式如下x·1=x2x·2=-rsat(x1-V(t)+x2|x2|/2r,δ)---(4)]]>其中，sat函數(shù)的形式如下sat(x,δ)=sign(x)|x|>δx/δ|x|≤δ---(5)]]>對于系統(tǒng)(1)，擴張狀態(tài)觀測器的形式一般可取作z·1=z2-g1(z1-x(t))···z·n-1=zn-gn-1(z1-x(t))z·n=zn+1-gn(z1-x(t))+bu(t)z·n+1=-gn+1(z1-x(t))---(6)]]>如能選擇合適的非線性函數(shù)g1(...)，...，gn+1(...)，就可以使z1，...，zn+1跟蹤 和系統(tǒng)總的擾動a(t)，即z1(t)→x(t)，...，zn(t)→x(n-1)(t)，zn+1→a(t)觀測器可以取如下非線性函數(shù)
fal(ϵ,α,δ)=|ϵ|αsgn(ϵ)|ϵ|>δϵ/δ1-α|ϵ|≤δ---(7)]]>由跟蹤微分器可以得到輸入信號V(t)及其各階導(dǎo)數(shù)的估計量v1，v2，...，vn；通過控制狀態(tài)觀測器可以得到系統(tǒng)狀態(tài)的估計量z1，z2，...，zn。定義廣義誤差如下ε1＝v1-z1，ε1＝v1-z1，...，εn＝vn-zn(8)對上述廣義誤差進(jìn)行非線性組合，可以實現(xiàn)非線性狀態(tài)誤差反饋控制器，其形式如下u0＝β1fal(ε1，α，δ)+…+βnfal(εn，α，δ) (9)式中，β1，...，βn為可調(diào)參數(shù)，fal函數(shù)形式如(7)所示，它實際上是對工程界“大誤差，小增益；小誤差，大增益”的數(shù)學(xué)擬和，這樣既避免了由于控制量過大造成出現(xiàn)大超調(diào)的情況，又保證了穩(wěn)態(tài)時的控制精度。非線性狀態(tài)誤差控制器的輸出u0加上對系統(tǒng)擾動的補償，得到最終的控制量如下u(t)＝u0(t)-zn+1/b (10)其中，-zn+1/b是對系統(tǒng)擾動的補償。
從以上的分析可以看出，自抗擾控制器中的三個組成部分跟蹤微分器、擴張的狀態(tài)觀測器、非線性狀態(tài)誤差反饋均使用了復(fù)雜的非線性函數(shù)，不僅結(jié)構(gòu)上復(fù)雜，而且需要調(diào)節(jié)的參數(shù)也很多，這給工業(yè)應(yīng)用和實際調(diào)試帶來了困難。
本發(fā)明在實現(xiàn)中吸取自抗擾控制器的優(yōu)點及文獻(xiàn)中的改進(jìn)優(yōu)點，在方法上主要做了兩大不同改進(jìn)，主要設(shè)計改進(jìn)如下1，轉(zhuǎn)速反饋采用轉(zhuǎn)速的復(fù)合反饋量，由轉(zhuǎn)速ω及轉(zhuǎn)速的觀測量z1加權(quán)組成，即ωδ＝δω+(1-δ)z1，δ∈
，對實際轉(zhuǎn)速測量信號中的高頻干擾有較好的濾波作用，能同時兼顧低速和高速時速度反饋的控制要求和閉環(huán)系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求。
2，非線性狀態(tài)誤差反饋控制器采用廣義速度誤差開方的比例控制器，在DSP程序中廣義速度誤差的開方比非線性函數(shù)更容易實現(xiàn)，相對于非線性函數(shù)，廣義速度誤差的開方控制器只需要調(diào)節(jié)一個參數(shù)，調(diào)節(jié)規(guī)律也比非線性函數(shù)的調(diào)參規(guī)律簡單。與一般的速度誤差比例控制器相比，廣義速度誤差的開方比例控制器能更好地抑制轉(zhuǎn)速波動，有較好的穩(wěn)態(tài)性能，同時能使比例增益有很寬的調(diào)節(jié)范圍。
廣義速度誤差開方的比例控制器與一般的速度誤差比例控制器相比，具有更好的抑制擾動能力。具體分析如下對于如下采用比例控制器的一階誤差模型e·=-k*e+d,|d|<d*---(11)]]>e為系統(tǒng)誤差，d為系統(tǒng)的擾動，我們假設(shè)d為有界量，且變化不劇烈，這對于大多工業(yè)場合是合理的，故應(yīng)有|d|＜d*成立，在穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差應(yīng)滿足e∝d/k，即穩(wěn)態(tài)誤差與比例增益k成反比，但若把控制器換成如下的誤差開方的比例控制器，其對應(yīng)的一階誤差模型e·=-k*e+d,|d|<d*---(12)]]>在穩(wěn)態(tài)時，有e∝(d/k)2，穩(wěn)態(tài)誤差與比例增益的平方成反比，一般情況下，控制器增益都取得比擾動界大，都可滿足k＞d*，故(d/k)2＜(d/k)，誤差開方比例控制器作用下的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差更小?？梢婇_方控制器在抑制擾動能力方面比一般的比例控制器要強。
基于以上改進(jìn)而進(jìn)行的簡化自抗擾控制器的設(shè)計方案如下采用本發(fā)明簡化自抗擾控制算法構(gòu)成的簡化自抗擾控制器一般由兩個部分組成，擴張的二階狀態(tài)觀測器和廣義誤差開方控制器。擴張的二階狀態(tài)觀測器用來估計對象的狀態(tài)變量和對象總擾動的實時作用量；廣義轉(zhuǎn)速誤差開方控制器實現(xiàn)了對廣義轉(zhuǎn)速誤差的非線性比例輸出，廣義轉(zhuǎn)速誤差開方控制器的輸入為廣義轉(zhuǎn)速誤差，復(fù)合被控對象所需的控制量由廣義轉(zhuǎn)速誤差開方控制器的輸出量加上擾動的補償量組成。其中(1)、未采用跟蹤微分器。
將電樞電流與轉(zhuǎn)速方程近似考慮為一階系統(tǒng)，因此無需用到系統(tǒng)的微分信號，在該簡化自抗擾控制器設(shè)計中直接把ω*引入而省略了跟蹤微分器。
(2)、采用二階的線性觀測器實現(xiàn)擴張的狀態(tài)觀測器。
擴張的二階狀態(tài)觀測器實現(xiàn)了對系統(tǒng)總擾動的觀測，是自抗擾控制具有良好品質(zhì)的關(guān)鍵，對于一階系統(tǒng)
x·=f(x,t)+d(t)+u(t)y=x---(13)]]>其中x為輸出，f(x，t)為未知函數(shù)，d(t)為擾動，u(t)為控制輸入，令x1＝x，x2＝f(x，t)+d(t)代表系統(tǒng)的總的擾動，則有x·1=x2+u(t)]]>構(gòu)造如下擴張的二階狀態(tài)觀測器z·1=z2-β1(z1-ω)+biq*z·2=-β2(z1-ω)---(15)]]>其中，β1、β2為觀測器的可調(diào)參數(shù)，ω為轉(zhuǎn)速測量值，z1為轉(zhuǎn)速觀測值，z2為擾動觀測值。
(3)、采用廣義速度誤差開方控制器實現(xiàn)非線性狀態(tài)誤差反饋控制器非線性狀態(tài)誤差反饋控制器在該簡化自抗擾算法中采用廣義速度誤差開方的比例控制器，其形式如下u0(t)=Kp|ω*-ωδ|sign(ω*-ωδ)]]>其中Kp為速度環(huán)比例增益，ω*為轉(zhuǎn)速給定，ωδ為復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋量，簡化自抗擾控制器的輸出為u(t)=Kp|ω*-ωδ|sign(ω*-ωδ)-z2/b---(16)]]>其中，-z2/b為對擾動的補償量。
有益效果本發(fā)明的原理是通過構(gòu)造簡化自抗擾控制器，將永磁同步電機這一多變量、強耦合、非線性系統(tǒng)的控制，通過坐標(biāo)變換和解耦控制再加上速度閉環(huán)控制模塊和電源逆變技術(shù)，實現(xiàn)對永磁同步電機的矢量控制。永磁同步電機交流調(diào)速系統(tǒng)的主要目標(biāo)是實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的精確控制，為此調(diào)速系統(tǒng)常設(shè)計成雙閉環(huán)系統(tǒng)，速度環(huán)和電流環(huán)。由于速度環(huán)采用了簡化自抗擾控制器，能檢測并補償?shù)粝到y(tǒng)的內(nèi)外部擾動，使得速度響應(yīng)具有更好的動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和抗負(fù)載擾動能力。
本發(fā)明的優(yōu)點在于a、采用簡化自抗擾控制器，與PI控制器相比，可以做到統(tǒng)一的固定參數(shù)下的控制，并且能夠兼顧不同給定速度下的控制需要，兼顧閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)性能，兼顧空載、帶載起動和突加負(fù)載情況下的性能指標(biāo)，算法適應(yīng)性好。
b、該方案總體性能優(yōu)于PI控制方案，尤其在實際伺服系統(tǒng)中的三個重要指標(biāo)如超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)波動和抗突加負(fù)載擾動能力有了明顯的提升。
c、簡化自抗擾控制器的參數(shù)是有規(guī)律可循的，采用較大的β1、β2并且兩者之間保持一個合適的比例，同時注意不要使參數(shù)過大使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)波動增加，觀測器效果和系統(tǒng)的控制效果比較好。
d、簡化自抗擾控制器是一種性能優(yōu)異的控制器，由于系統(tǒng)中沒有使用積分控制器，系統(tǒng)基本上無超調(diào)，對系統(tǒng)擾動的觀測及補償增強了系統(tǒng)抗擾動能力。
e、與標(biāo)準(zhǔn)的自抗擾控制器相比，該簡化的自抗擾控制器結(jié)構(gòu)簡單，需要調(diào)節(jié)的參數(shù)少，參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律簡單，為現(xiàn)場調(diào)試及工業(yè)應(yīng)用帶來了方便。
f、采用廣義轉(zhuǎn)速誤差開方的比例控制器比一般的誤差比例控制器能更好的抑制穩(wěn)態(tài)波動，同時比例增益能得到很寬的調(diào)節(jié)范圍。
g、復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋由轉(zhuǎn)速的觀測值和轉(zhuǎn)速的測量值加權(quán)組成，進(jìn)一步增強了系統(tǒng)抗干擾能力，兼顧了低速和高速情況下閉環(huán)系統(tǒng)的性能。
本發(fā)明可用于構(gòu)造簡化自抗擾控制器對永磁同步電機的速度環(huán)進(jìn)行高性能控制，不僅在以永磁同步電機為動力裝置的傳動系統(tǒng)中有很高的應(yīng)用價值，而且在以其它類型的交流電機為動力裝置的傳動系統(tǒng)中，應(yīng)用前景也是非常廣闊的。


圖1是包含簡化自抗擾控制器5的本發(fā)明的簡化結(jié)構(gòu)圖，其中有擴張的二階狀態(tài)觀測器52、復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋54、由廣義速度誤差開方控制器51和擾動的補償量-z2/b復(fù)合組成的復(fù)合控制器53以及復(fù)合被控對象10。
圖2是用簡化自抗擾控制器5控制的永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖，其中簡化自抗擾控制器5由復(fù)合控制器53及擴張的二階狀態(tài)觀測器52和復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋54組成，復(fù)合被控對象由擴展的壓控逆變器2、電流控制器3、坐標(biāo)變換4、永磁同步電機7、負(fù)載8、光電編碼器9及速度與角度計算組成。
圖3是以數(shù)字信號處理器DSP為控制器，智能功率模塊IPM為逆變器的本發(fā)明的一種實現(xiàn)方式的硬件結(jié)構(gòu)圖，其中有電壓控制電壓源逆變器1、永磁同步電機7、數(shù)字信號處理器即DSP控制器6、負(fù)載8、光電編碼器9組成。
圖4給出了實現(xiàn)本簡化自抗擾控制器的系統(tǒng)的主程序框圖，軟件主要由初始化、背景循環(huán)和中斷處理程序三部分組成，電機的控制主要是通過電流環(huán)中斷子程序和速度環(huán)中斷子程序?qū)崿F(xiàn)的，而采用的簡化自抗擾控制器是在速度環(huán)中斷中實現(xiàn)的。
圖5a是電流環(huán)中斷子程序，圖4b是速度環(huán)中斷子程序，圖4c是簡化自抗擾控制器算法流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施方案是由電壓控制電壓源逆變器(1)和(空間矢量脈寬調(diào)制)SVPWM共同組成擴展的壓控逆變器(2)；由擴展的壓控逆變器(2)與電流控制器(3)、坐標(biāo)變換(4)、永磁同步電機(7)、負(fù)載(8)及光電編碼器(9)共同構(gòu)成復(fù)合被控對象(10)；電流控制器(3)由電流調(diào)節(jié)器(31)、電流調(diào)節(jié)器(32)及派克逆變換構(gòu)成，電流調(diào)節(jié)器(31)、電流調(diào)節(jié)器(32)采用比例積分PI控制器實現(xiàn)；坐標(biāo)變換(4)由派克變換和克拉克變換構(gòu)成；利用復(fù)合被控對象(10)的輸入信號iq*及輸出信號ω構(gòu)造擴張的二階狀態(tài)觀測器(52)；由擴張的二階狀態(tài)觀測器(52)得到的轉(zhuǎn)速的觀測量，利用轉(zhuǎn)速測量值和轉(zhuǎn)速觀測值兩者的加權(quán)和組成復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋(54)，給定速度與復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋(54)之差為廣義速度誤差；構(gòu)造出由廣義速度誤差開方控制器(51)及對系統(tǒng)擾動的補償項(-z2/b)兩部分疊加組成的復(fù)合控制器(53)；最后由復(fù)合控制器(53)及擴張的二階狀態(tài)觀測器(52)共同構(gòu)造簡化的自抗擾控制器(5)，簡化自抗擾控制器(5)串聯(lián)在復(fù)合被控對象(10)之前用于永磁同步電機的速度環(huán)中來對永磁同步電機進(jìn)行控制。
具體實施分以下五步1、形成復(fù)合被控對象(10)。首先由電壓控制電壓源逆變器(1)和SVPWM共同組成擴展的壓控逆變器(2)；由擴展的壓控逆變器(2)與電流控制器(3)、坐標(biāo)變換(4)、永磁同步電機(7)、負(fù)載(8)及光電編碼器(9)共同構(gòu)成復(fù)合被控對象(10)；電流控制器(3)由q軸電流調(diào)節(jié)器(31)及d軸電流調(diào)節(jié)器(32)構(gòu)成，兩個電流調(diào)節(jié)器均采用比例積分PI控制器，參數(shù)均整定為比例增益P為100，積分增益I為2；此復(fù)合被控對象(10)的輸入信號為q軸電流給定信號iq*，輸出信號為轉(zhuǎn)速信號ω。
2、利用復(fù)合被控對象(10)的輸入輸出信號構(gòu)造擴張的二階狀態(tài)觀測器(52)。該狀態(tài)觀測器為線性的，其輸入為轉(zhuǎn)速信號ω和q軸電流iq*，本發(fā)明中用iq代替iq*，輸出z1用于跟蹤系統(tǒng)輸出ω，z2用于跟蹤系統(tǒng)擾動，該擴張的二階狀態(tài)觀測器(52)模型為z·1=z2-β1(z1-ω)+biq*z·2=-β2(z1-ω)---(17)]]>其中，β1、β2為觀測器的可調(diào)參數(shù)，ω為系統(tǒng)輸出信號，z1用來跟蹤輸出信號ω，z2用來跟蹤擾動信號，β1＝3000，β2＝400，b＝300。此擴展的二階狀態(tài)觀測器(52)作為簡化自抗擾控制器(5)的一部分。
3、由擴張的二階狀態(tài)觀測器(52)的輸出z1及轉(zhuǎn)速測量值ω構(gòu)造復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋(54)，復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋按如下公式計算ωδ＝δω+(1-δ)z1，δ為權(quán)重因子，其值可調(diào)，取值范圍為δ∈
。
4、由轉(zhuǎn)速給定及復(fù)合反饋(54)構(gòu)造廣義速度誤差開方控制器(51)，廣義速度誤差開方控制器(51)的輸入為ω*-ωδ，輸出為u0(t)=Kp|ω*-ωδ|sign(ω*-ωδ),]]>Kp為比例控制器系數(shù)，在本實施例中Kp＝150(可調(diào)范圍約為100至300)，ω*為轉(zhuǎn)速參考輸入，ωδ為復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋(54)。在用DSP程序?qū)崿F(xiàn)廣義速度誤差開方時，是把廣義速度誤差先取絕對值，然后用牛頓迭代比較法尋找廣義速度誤差的開方值，迭代次數(shù)為20次，所尋找的廣義速度誤差開方與實際開方值的誤差精度為0.01。
5、構(gòu)造復(fù)合控制器(53)，把誤差開方控制器(51)的輸出u0(t)再加上系統(tǒng)擾動的補償量(-z2/c)共同構(gòu)成復(fù)合控制器(53)，作為iq環(huán)電流的給定。即為復(fù)合被控對象(10)的給定iq*=u0(t)-z2/b,]]>至此構(gòu)成了速度環(huán)的簡化自抗擾控制器?？筛鶕?jù)不同的要求采用不同的軟件來實現(xiàn)。
圖3給出了本發(fā)明的一種具體實施例的示意圖，其中簡化自抗擾控制器(5)，坐標(biāo)變換(4)、電流控制器(3)、派克逆變換、克拉克逆變換和SVPWM及速度與角度計算都是由數(shù)字信號處理器即DSP控制器(6)通過軟件來實現(xiàn)，系統(tǒng)程序框圖如圖4、5所示；電壓控制電壓源逆變器(1)采用智能功率模塊IPM來構(gòu)成；PWM驅(qū)動信號由SVPWM產(chǎn)生；被控永磁同步電機型號EM——05S1M22，電機參數(shù)為Pe＝450W，Ie＝2.5A，Te＝2.8N*m，np＝2，ψf＝0.353wb，J＝7.24*10-4kg*m2。
根據(jù)以上所述，便可實現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種永磁同步電機的速度環(huán)的簡化自抗擾控制器的構(gòu)造方法，其特征在于該方法將簡化的自抗擾控制器(5)串聯(lián)在復(fù)合被控對象(10)之前構(gòu)造而成，其中，復(fù)合被控對象(10)由電流控制器(3)與擴展的壓控逆變器(2)先進(jìn)行串聯(lián)，并接在永磁同步電機(7)和負(fù)載(8)及光電編碼器(9)之前，然后再與電流ia，ib反饋通道上的坐標(biāo)變換(4)共同組成；永磁同步電機(7)與負(fù)載(8)通過機械連軸器連在一起，光電編碼器(9)在永磁同步電機(7)內(nèi)部，并與永磁同步電機(7)同軸連在一起；簡化自抗擾控制器(5)由擴張的二階狀態(tài)觀測器(52)與復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋(54)及復(fù)合控制器(53)依次閉環(huán)連接而成；由復(fù)合控制器(53)的輸出信號U(t)及系統(tǒng)的輸出信號ω作為擴張的二階狀態(tài)觀測器(52)的輸入信號；由擴張的二階狀態(tài)觀測器的輸出信號z1及ω共同作為復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋(54)的輸入信號；由給定轉(zhuǎn)速信號ω*與復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋(54)的輸出ωδ相減得到的誤差信號與擴張的二階狀態(tài)觀測器的輸出信號z2一起作為復(fù)合控制器(53)的輸入信號，復(fù)合控制器(53)由廣義速度誤差開方控制器(51)及對系統(tǒng)擾動的補償項(-z2/b)兩部分疊加組成，最后把復(fù)合控制器(53)的輸出U(t)作為簡化自抗擾控制器(5)的輸出信號并作為復(fù)合被控對象(10)的給定信號iq*。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機的簡化自抗擾控制器構(gòu)造方法，其特征在于該擴展的壓控逆變器(2)由空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)與電壓控制電壓源逆變器(1)串聯(lián)組成，其中空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)輸出六路驅(qū)動信號觸發(fā)擴展的壓控逆變器(2)的智能功率模塊(IPM)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機的簡化自抗擾控制器構(gòu)造方法，其特征在于電流控制器(3)是由電流調(diào)節(jié)器(31)與電流調(diào)節(jié)器(32)經(jīng)過派克逆變換后并行組成的兩通道電流控制器，其中電流調(diào)節(jié)器(31)及電流調(diào)節(jié)器(32)都采用比例積分PI控制器實現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機的簡化自抗擾控制器構(gòu)造方法，其特征在于坐標(biāo)變換(4)由派克變換和克拉克變換串聯(lián)構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機的簡化自抗擾控制器構(gòu)造方法，其特征在于擴張的二階線性狀態(tài)觀測器(52)，其狀態(tài)模型為z·1=z2-β1(z1-ω)+biq*z·2=-β2(z1-ω),]]>其中β1、β2為可調(diào)參數(shù)，ω為轉(zhuǎn)速信號，b為控制器系數(shù)，z1用于跟蹤系統(tǒng)輸出ω，z2用于跟蹤系統(tǒng)的擾動，iq*為q軸電流給定， 、 為轉(zhuǎn)速和擾動估計的微分。該狀態(tài)觀測器的輸入信號為q軸電流給定iq*及系統(tǒng)輸出ω，輸出信號為轉(zhuǎn)速的觀測值及系統(tǒng)總擾動信號的估計量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機的簡化自抗擾控制器的構(gòu)造方法，其特征在于廣義速度誤差開方控制器(51)由速度環(huán)增益Kp乘以廣義速度誤差的開方構(gòu)成，輸入信號為給定轉(zhuǎn)速減去復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋(54)得到的廣義速度誤差ω*-ωδ，其比例控制器輸出為u0(t)=Kp|ω*-ωδ|sign(ω*-ωδ),]]>Kp為速度環(huán)增益，ω*為給定轉(zhuǎn)速，ωδ為復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋，sign(ω*-ωδ)為廣義速度誤差ω*-ωδ的符號，當(dāng)廣義速度誤差為正或零時取1，當(dāng)廣義速度誤差為負(fù)時取-1；廣義速度誤差的開方用牛頓迭代比較法由DSP程序?qū)崿F(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的廣義速度誤差開方控制器(51)，其特征在于復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋(54)ωδ由轉(zhuǎn)速測量值ω和轉(zhuǎn)速的觀測量z1兩者的加權(quán)和組成，其表達(dá)式為ωδ＝δω+(1-δ)z1，δ為權(quán)重因子，其值可調(diào)，取值范圍為δ∈
。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機的簡化自抗擾控制器構(gòu)造方法，其特征在于復(fù)合控制器(53)的輸出由廣義速度誤差開方控制器(51)的輸出與系統(tǒng)總擾動的補償量(-z2/b)復(fù)合得到，其表達(dá)式為u(t)=Kp|ω*-ωδ|sign(ω*-ωδ)-z2/b.]]>
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機的簡化自抗擾控制器構(gòu)造方法，其特征在于簡化自抗擾控制器(5)中的擴張的二階狀態(tài)觀測器(52)、復(fù)合控制器(53)與復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋(54)，及電流控制器(3)、擴展的壓控逆變器(2)、坐標(biāo)變換(4)、速度與角度計算為采用數(shù)字信號處理器即DSP控制器(6)，通過編制DSP程序來實現(xiàn)。
全文摘要
永磁同步電機的簡化自抗擾控制器的構(gòu)造方法，適用于永磁同步電機的高性能控制。將電壓控制電壓源逆變器(1)與空間矢量脈寬調(diào)制構(gòu)造出擴展的壓控逆變器(2)；將擴展的壓控逆變器與電流控制器(3)、坐標(biāo)變換(4)、永磁同步電機(7)、負(fù)載(8)及光電編碼器(9)構(gòu)成復(fù)合被控對象(10)；利用復(fù)合被控對象的輸入及輸出信號構(gòu)造擴張的二階狀態(tài)觀測器(52)；利用轉(zhuǎn)速的測量值和轉(zhuǎn)速的測量值兩者的加權(quán)和組成復(fù)合轉(zhuǎn)速反饋(54)；構(gòu)造由廣義速度誤差開方控制器(51)及對系統(tǒng)擾動的補償項(－z
文檔編號G05B11/14GK1967414SQ20061009675
公開日2007年5月23日 申請日期2006年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月13日
發(fā)明者李世華, 田玉平, 吳波, 劉志剛, 王帆, 陳誠, 王超, 齊丹丹 申請人:東南大學(xué), 南京埃斯頓工業(yè)自動化有限公司