基于降維觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感器反推控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于降維觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感器反推控制方法，是在建立永磁同步電機(jī)(PMSM)d?q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，首先利用Lyapunov穩(wěn)定性理論并結(jié)合線性矩陣不等式(LMI)處理技巧設(shè)計(jì)降維觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)PMSM在d?q軸坐標(biāo)下轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度的觀測(cè)與重構(gòu)，然后通過(guò)設(shè)計(jì)包含重構(gòu)變量的虛擬控制輸入，將系統(tǒng)分解為多個(gè)子系統(tǒng)，并運(yùn)用反推控制策略來(lái)設(shè)計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)控制器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出對(duì)期望輸出信號(hào)的高精度跟蹤。與現(xiàn)有方法不同的是，降維觀測(cè)器的應(yīng)用降低了傳感器的個(gè)數(shù)，從而節(jié)約了成本；同時(shí)，基于LMI與反推原理的控制器集成設(shè)計(jì)，優(yōu)化控制器參數(shù)，提高無(wú)速度傳感器的PMSM跟蹤精度。
【專利說(shuō)明】
基于降維觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感器反推控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于降維觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感器反推控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著半導(dǎo)體功率器件、永磁磁性材料和控制理論的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM) 在當(dāng)前中、小功率運(yùn)動(dòng)控制中起著越來(lái)越重要的作用。永磁同步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、高功 率密度、高氣隙磁通和高轉(zhuǎn)矩慣性比等優(yōu)點(diǎn)。然而，PMSM本身存在著諸如定子電流、電磁轉(zhuǎn) 矩、轉(zhuǎn)子磁鏈的耦合，參數(shù)攝動(dòng)和外部擾動(dòng)等諸多不利的因素，會(huì)直接導(dǎo)致控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài) 性能下降。為提高PMSM的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和跟蹤性能，近年來(lái)出現(xiàn)了多種改進(jìn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 方法，如反饋線性化控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、無(wú)源控制、反推控制和自適應(yīng)控制等。在這些控 制策略中，大多假定PMSM電流和電機(jī)位置精確可測(cè)。最常用的手段是采用在轉(zhuǎn)子軸上安裝 傳感器直接測(cè)量。但過(guò)多傳感器的安裝，會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度和運(yùn)行成本。
[0003] 中國(guó)專利201410564140"一種變負(fù)載永磁同步電機(jī)調(diào)速的自適應(yīng)滑?？刂品椒? 描述了一種永磁同步電機(jī)的調(diào)速自適應(yīng)滑?？刂品椒?。該方法的速度跟蹤控制策略采用滑 ?？刂疲⑹褂米赃m應(yīng)環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)魯棒性。由于滑模控制器中存在高頻開(kāi)關(guān)，使得電機(jī)輸 出轉(zhuǎn)速存在一定的抖動(dòng)現(xiàn)象。
[0004] 中國(guó)專利201410404242"一種無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)調(diào)速控制策略"描述了一種 永磁同步電機(jī)傳感器調(diào)速控制策略，該方法通過(guò)檢測(cè)永磁同步電機(jī)的三相電流，經(jīng)過(guò) Clarke變換得到α-β坐標(biāo)系下的電流，經(jīng)過(guò)Park變換，獲得d-q坐標(biāo)系下的電流，并以電流構(gòu) 造全維觀測(cè)器。但該方法將全維觀測(cè)器與控制器分開(kāi)設(shè)計(jì)，從而降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提出一種基于降維觀測(cè)器的無(wú)速度傳感器 反推速度跟蹤控制方法。本發(fā)明用于設(shè)計(jì)變負(fù)載PMSM調(diào)速控制策略，以提高PMSM控制系統(tǒng) 的可靠性，并進(jìn)一步提升效率和降低運(yùn)行成本。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:基于降維觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感器 反推控制方法，包括以下步驟：
[0007] 1)通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)在線辨識(shí)方法獲得永磁同步電機(jī)參數(shù)的樣本信息；
[0008] 2)將步驟1)中的參數(shù)進(jìn)行整理，并建立永磁同步電機(jī)d_q坐標(biāo)系下的矢量模型；
[0009] 3)設(shè)計(jì)降維觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度和d軸電流的觀測(cè)與重構(gòu)；
[0010] 4)以電機(jī)電流輸出和重構(gòu)角速度作為控制輸入變量，將系統(tǒng)分解為多個(gè)子系統(tǒng)并 采用反推控制策略設(shè)計(jì)控制器。
[0011] 作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟1 )，在PMSM實(shí)際運(yùn)行工況環(huán)境中收集相關(guān)參 數(shù)樣本信息，用最小二乘辨識(shí)算法辨識(shí)電機(jī)相關(guān)參數(shù)，所述參數(shù)包括PMSM定子電阻、定子電 感、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及粘滯摩擦系數(shù)相關(guān)參數(shù)樣本信息。
[0012] 作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟2)，將步驟1)中的參數(shù)進(jìn)行整理，根據(jù)力學(xué)原 理與電路定理，以d-q軸電流、電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度作為系統(tǒng)狀態(tài)變量，q軸電流作為系統(tǒng)輸 出、負(fù)載轉(zhuǎn)矩作為外部干擾，建立PMSM d_q坐標(biāo)系下的矢量模型。
[0013] 作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟3)的轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度的觀測(cè)與重構(gòu)，采用的 觀測(cè)器是降維的，其觀測(cè)器增益設(shè)計(jì)方法是基于線性矩陣不等式的設(shè)計(jì)方法。
[0014] 作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟4)的集成控制器設(shè)計(jì)，是以電機(jī)電流輸出和 重構(gòu)角速度作為控制輸入變量，將系統(tǒng)分解為多個(gè)子系統(tǒng)并采用反推控制策略設(shè)計(jì)控制 器。
[0015] 采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明用于設(shè)計(jì)變負(fù)載PMSM調(diào)速控 制策略，以提尚PMSM控制系統(tǒng)的可靠性，并進(jìn)一步提升效率和降低運(yùn)彳丁成本。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可 以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0017]圖1本發(fā)明涉及的控制器設(shè)計(jì)流程圖；
[0018] 圖2本發(fā)明涉及的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0020] 本發(fā)明涉及的控制器設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示，涉及的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所 示。步驟1為電機(jī)參數(shù)樣本信息獲取與辨識(shí)。步驟2對(duì)PMSM進(jìn)行d-q坐標(biāo)系下進(jìn)行建模，獲取 系統(tǒng)狀態(tài)空間方程，其中d-q軸電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速作為系統(tǒng)狀態(tài)變量，q軸電流作為可測(cè)得系統(tǒng) 輸出、負(fù)載轉(zhuǎn)矩作為外部干擾。步驟3進(jìn)行降維觀測(cè)器設(shè)計(jì)與變量重構(gòu)。具體設(shè)計(jì)步驟如下： [0021 ] (1)針對(duì)步驟2建立的PMSM數(shù)學(xué)矢量模型，進(jìn)行能觀性結(jié)構(gòu)分解；
[0022] (2)對(duì)不可測(cè)子系統(tǒng)，構(gòu)造降維觀測(cè)器，并建立動(dòng)態(tài)觀測(cè)誤差系統(tǒng)S，： ζ ;
[0023] (3)應(yīng)用Lyapunov穩(wěn)定性原理和LMI處理技巧，獲得降維觀測(cè)器設(shè)計(jì)及其求解方 法；
[0024] (4)利用降維觀測(cè)器對(duì)不可測(cè)變量進(jìn)行變量?，$重構(gòu)。
[0025] 在步驟3獲得重構(gòu)變量基礎(chǔ)上，步驟4進(jìn)行跟蹤控制器設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)步驟如下： [0026] (1)給定期望轉(zhuǎn)速輸出ω'定義跟蹤誤差~=ω$-ω。結(jié)合電機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)力學(xué)觀測(cè)方 程，考慮誤差動(dòng)態(tài)子系統(tǒng)4，其中iq直接測(cè)得，《和。分別由+Γ給出；
[0027] (2)針對(duì)子系統(tǒng)4，選取合適Lyapunov函數(shù)及虛擬q軸電流函數(shù)ζ，結(jié)合不等式處理 巧，使得該子系統(tǒng)漸近穩(wěn)定；
[0028] (3)定義q軸電流跟蹤誤差％ =:? -i,及相應(yīng)的誤差動(dòng)態(tài)系統(tǒng)匕，選取合適Lyapunov 函數(shù)及q軸定子電壓函數(shù)<，使子系統(tǒng)?￥漸近穩(wěn)定；
[0029] (4)設(shè)定d軸理想電流Ο =0,定義跟蹤誤差~ =(； 。結(jié)合d軸電流動(dòng)力學(xué)觀測(cè)方 程，考慮誤差動(dòng)態(tài)子系統(tǒng)?,，同（1)，其中iq直接測(cè)得，ω和i d分別由? _f ，（, + 7給出；
[0030] (5)選取合適Lyapunov函數(shù)及d軸定子電壓函數(shù)《〗:，使子系統(tǒng)勻漸近穩(wěn)定。
[0031] 通過(guò)以上設(shè)計(jì)步驟，可以得到基于LMI的降階觀測(cè)器設(shè)計(jì)方法，與以往極點(diǎn)配置方 法不同的是，該方法可以借助Matlab中的LMI工具箱方便地求解。此外，應(yīng)用反推控制策略 得到的虛擬電流、q軸定子電壓、d軸定子電壓輸入函數(shù)能使各個(gè)子系統(tǒng)漸近穩(wěn)定，從而使永 磁同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)電流和期望轉(zhuǎn)速輸出的高精度跟蹤。
[0032] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于降維觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感器反推控制方法，其特征在于，包括以 下步驟： 1) 通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)在線辨識(shí)方法獲得永磁同步電機(jī)參數(shù)的樣本信息； 2) 將步驟1)中的參數(shù)進(jìn)行整理，并建立永磁同步電機(jī)d_q坐標(biāo)系下的矢量模型； 3) 設(shè)計(jì)降維觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度和d軸電流的觀測(cè)與重構(gòu)； 4) 以電機(jī)電流輸出和重構(gòu)角速度作為控制輸入變量，將系統(tǒng)分解為多個(gè)子系統(tǒng)并采用 反推控制策略設(shè)計(jì)控制器。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于降維觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感器反推控制方 法，其特征在于，所述步驟1 )，在PMSM實(shí)際運(yùn)行工況環(huán)境中收集相關(guān)參數(shù)樣本信息，用最小 二乘辨識(shí)算法辨識(shí)電機(jī)相關(guān)參數(shù)，所述參數(shù)包括PMSM定子電阻、定子電感、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及粘 滯摩擦系數(shù)相關(guān)參數(shù)樣本信息。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于降維觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感器反推控制方 法，其特征在于，所述步驟2)，將步驟1)中的參數(shù)進(jìn)行整理，根據(jù)力學(xué)原理與電路定理，以(Ια 軸電流、電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度作為系統(tǒng)狀態(tài)變量， q 軸電流作為系統(tǒng)輸出 、負(fù)載轉(zhuǎn)矩作為外 部干擾，建立PMSM d-q坐標(biāo)系下的矢量模型。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于降維觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感器反推控制方 法，其特征在于，所述步驟3)的轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度的觀測(cè)與重構(gòu)，采用的觀測(cè)器是降維的，其 觀測(cè)器增益設(shè)計(jì)方法是基于線性矩陣不等式的設(shè)計(jì)方法。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于降維觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感器反推控制方 法，其特征在于，所述步驟4)的集成控制器設(shè)計(jì)，是以電機(jī)電流輸出和重構(gòu)角速度作為控制 輸入變量，將系統(tǒng)分解為多個(gè)子系統(tǒng)并采用反推控制策略設(shè)計(jì)控制器。
【文檔編號(hào)】H02P21/24GK105932926SQ201610428704
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年6月16日
【發(fā)明人】蘭永紅, 戴亮, 陳才學(xué)
【申請(qǐng)人】湘潭大學(xué)