一種基于自抗擾和鎖相環(huán)技術(shù)的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)無傳感器速度控制方法
【專利摘要】一種基于自抗擾和鎖相環(huán)技術(shù)的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)無傳感器速度控制方法，包括:建立永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，初始化系統(tǒng)狀態(tài)及控制參數(shù)；設(shè)計擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，估計電機(jī)的反電動勢；基于三角函數(shù)，設(shè)計鎖相環(huán)系統(tǒng)，通過估計的反電動勢提取電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度和位置信號，并基于自抗擾設(shè)計電機(jī)的速度控制器。本發(fā)明能夠有效解決永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜不穩(wěn)定問題，簡化電機(jī)硬件設(shè)計，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的無傳感器穩(wěn)定控制。
【專利說明】
-種基于自抗擾和鎖相環(huán)技術(shù)的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)無傳感器 速度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于永磁同步電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種基于自抗擾和鎖相環(huán)技術(shù)的永 磁同步電機(jī)系統(tǒng)無傳感器速度控制方法，特別是對于含有不確定項的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的 無傳感器速度控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，永磁同步電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著越來越重要的位 置。對于永磁同步電機(jī)來說，矢量控制是一種常見的控制策略，矢量控制需要知道電機(jī)轉(zhuǎn)子 的速度和位置。傳統(tǒng)的方法是使用機(jī)械傳感器來檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度和位置，但是運(yùn)種方 法不僅造價昂貴而且不可靠。無傳感器控制方法有許多優(yōu)點(diǎn)，例如成本低，硬件結(jié)構(gòu)簡單， W及更高的可靠性等等。無傳感器控制的關(guān)鍵是狀態(tài)觀測器的使用，如果能夠合理的選取 控制參數(shù)，那么無傳感器控制方法就可W在線提供準(zhǔn)確的速度和位置變量。
[0003] 到目前為止，已經(jīng)有很多方法被用來估計永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子的速度，例如卡爾 曼濾波法，模型參考自適應(yīng)法，滑模觀測器方法等等。在W上提到的方法中，滑模觀測器法 是一種最常見的基于狀態(tài)觀測器的方法，雖然運(yùn)種方法設(shè)計過程非常簡單，但是它會引起 嚴(yán)重的抖振問題。而模型參考自適應(yīng)法雖然沒有抖振問題，但是設(shè)計過程較為復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決帶有不確定項的永磁同步電機(jī)無傳感器速度控制問題，使永磁同步電機(jī) 系統(tǒng)能夠在有限時間內(nèi)穩(wěn)定并具備較強(qiáng)的魯棒性，本發(fā)明提供了一種基于自抗擾和鎖相環(huán) 技術(shù)的無傳感器控制方法，該方法采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器觀測系統(tǒng)中的不確定項和反電動 勢，并基于觀測到的反電動勢，設(shè)計一種鎖相環(huán)方法來提取轉(zhuǎn)子的速度和位置信號，電機(jī)的 速度控制器是基于自抗擾方法設(shè)計的，最終可W實(shí)現(xiàn)電機(jī)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題提出的技術(shù)方案如下：
[0006] -種基于自抗擾和鎖相環(huán)技術(shù)的永磁同步電機(jī)無傳感器速度控制方法，包括W下 步驟：
[0007] 步驟1，建立永磁同步電機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，初始化系統(tǒng)狀態(tài)及控制參數(shù)，過程如下： [000引1.1，永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型表示如下：
[0009]
(I)
[0010] 其中，ia，ie分別為a軸和0軸上的定子電流;Ua，ue分別為a軸和0軸上的定子電壓;R 為定子的等效電阻;ea，ee分別為a-e軸上的反電動勢，表示如下：
[0011]
(2)
[001 2]其中，Ie為反電動勢系數(shù);0和CO分另鳩轉(zhuǎn)子的速度和位置信號；
[001引1.2,式（1)被轉(zhuǎn)化為：
[0014]
巧
[001引其中Xl為[ia ie]T，X康示[/。ij;u。為[UaUe]T，b是控制器的增益并滿足b = l/l; d(t)為系統(tǒng)總的擾動;根據(jù)式(3)，設(shè)計W下的反電動勢觀測器來估計反電動勢ea和ee;
[0016]
(4)
[0017] 其中，ZOl和Zll分別是ia和ie的觀測值；ei和62分別是估計誤差；Z02和Z12都是反電動 勢的估計值;e〇i，階2都是正常量；
[001引 1 .3.巧據(jù)式（2)，獲得：
[0019]
釣
[0020] 并且有：
[0021]
樹
[0022] 其中，I為轉(zhuǎn)子位置0的估計值；
[0023] 未M^il.
[0024] 口)
[002引其中，爲(wèi)是估計誤差，當(dāng)#變得很小的時候，得到Sin曲S0，經(jīng)過鎖相環(huán)的調(diào)節(jié)之 后，最終得到I斗0，因此0二苗成立；
[0026] 1.4,鎖相環(huán)的傳遞函數(shù)和閉環(huán)誤差傳遞函數(shù)如下所示：
[0027] 喊
[002引 鎖
[0029] 由豐巧早的仿晉倍寫縣階獻(xiàn)倍寫.巧化鋪相環(huán)的穩(wěn)態(tài)誤差傳遞函數(shù)為；
[0030]
。日）
[0031 ]步驟2，基于自抗擾的速度控制器設(shè)計，過程如下：
[0032] 2.1，電機(jī)的運(yùn)動學(xué)模型建立如下：
[0033]
(11)
[0034] 其中，a(t)為系統(tǒng)的總擾動；
[0035] 系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：
[0036]
(12)
[0037] 2.2，線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器被設(shè)計為：
[00測
（域
[0039] 其中，Zl為O (t)的觀測值;Z2為系統(tǒng)總擾動的估計值;和都是正常量；
[0040] 2.3，非線性誤差反饋控制器設(shè)計如下：
[0041 ]
(14)
[0042] 其中，u(t)為電機(jī)的速度控制器輸入信號；COm為電機(jī)速度的參考信號;b為電機(jī)速 度的參考信號；
[0043] 2.4，為了簡化線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，U被設(shè)計為：
[0044]
(巧）
[0045] 忽略系統(tǒng)擾動的影響，式(12)被簡化為：
[0046]
(巧)
[0047] 根據(jù)式（12)和式（16)，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：
[0048]
(17)
[0049] 通過選擇k，速度控制系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定。
[0050] 本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為:采用基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器來設(shè)計，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器是自抗 擾控制的一部分，運(yùn)種控制方法有一系列的優(yōu)點(diǎn)，例如更快的響應(yīng)速度，更高的精度，W及 更強(qiáng)的魯棒性。
[0051] 鎖相環(huán)是一種根據(jù)反電動勢來提取轉(zhuǎn)子位置和速度的工具，它可W有效的抑制系 統(tǒng)的高頻噪聲。鎖相環(huán)一般由=部分組成，分別是電壓振蕩器，鑒相器，環(huán)路濾波器=部分 組成。相比于傳統(tǒng)的直接計算方法，鎖相環(huán)方法不僅提高了估計精度，而且對于系統(tǒng)噪聲具 有很大的抑制能力。
[0052] 針對帶有非線性不確定項的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)，本發(fā)明采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器來逼 近系統(tǒng)中的非線性不確定項和估計反電動勢，并根據(jù)觀測到的反電動勢設(shè)計了鎖相環(huán)來提 取電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度和位置信號，相比于傳統(tǒng)的機(jī)械傳感器方法，有效降低了電機(jī)的成本并 提高了電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。此外，基于自抗擾方法設(shè)計了電機(jī)的速度控制器，增強(qiáng)了系統(tǒng)抗 擾動的能力。本發(fā)明提供了一種能夠有效估計電機(jī)轉(zhuǎn)子速度和位置的方法，并使系統(tǒng)的魯 棒性得W提高，確保永磁同步電機(jī)無傳感器速度控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較好的控制效果。
[0053] 本發(fā)明的有益效果為:實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的精確控制，降低了電機(jī)的成本，提高 系統(tǒng)的快速收斂性能和魯棒性。
【附圖說明】
[0054] 圖1為本發(fā)明的控制流程圖；
[0055] 圖2為自抗擾和PID的速度輸出信號比較；
[0056] 圖3為受擾動時的自抗擾控制器速度輸出；
[0057] 圖4為受擾動時的PID控制器速度輸出；
[005引圖5為估計轉(zhuǎn)子速度信號比較；
[0059] 圖6為估計轉(zhuǎn)子位置信號比較。
【具體實(shí)施方式】
[0060] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0061] 參照圖1-圖6,一種基于自抗擾和鎖相環(huán)技術(shù)的永磁同步電機(jī)無傳感器速度控制 方法，包括W下步驟：
[0062] 步驟1，建立永磁同步電機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，初始化系統(tǒng)狀態(tài)及控制參數(shù)，過程如下：
[0063] 1.1，永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型表示如下：
[0064]
(I)
[0065] 其中，ia，ie分別為a軸和0軸上的定子電流;ua，ue分別為a軸和0軸上的定子電壓;R 為定子的油* K日.。。。。令、別為a-e軸上的反電動勢，表示如下：
[0066] (2)
[0067]其中，Ie為反電動勢系數(shù);0和《分別是轉(zhuǎn)子的速度和位置信號；
[006引1.2,式(1)被轉(zhuǎn)化為：
[0069]
(3)
[0070] 其中Xi為[ia ie]T，x2表示4 /f]T;u〇為[Ua ue]T，b是控制器的增益并滿足b = l/l; d(t)為系統(tǒng)總的擾動;根據(jù)式(3)，設(shè)計W下的反電動勢觀測器來估計反電動勢ea和ee;
[0071]
(4)
[00巧其中，ZOl和Zll分別是ia和ie的觀測值;ei和62分別是估計誤差;Z02和Z12都是反電動 勢的估計值;e0i，e02都是正常量；
[0073] 1.3,根據(jù)式(2)，獲得：
[0074]
口）
[00對并且有：
[0076]
(6)
[0077] 其中，谷為轉(zhuǎn)子位置0的估計值；
[0078] 根據(jù)式(5)和式(6)，得到：
[0079]
口、
[0080] 其中，資是估計誤差，當(dāng)S變得很小的時候，得到加(0')；==0'，經(jīng)過鎖相環(huán)的調(diào)節(jié)之 后，最終得到# ^ O，因此0 =谷成立；
[0081] 1.4,鎖相環(huán)的傳遞函數(shù)和閉環(huán)誤差傳遞函數(shù)如下所示：
[0082] ㈱
[0083] 留）
[0084] 由于轉(zhuǎn)子的位置信號是階躍信號，因此鎖相環(huán)的穩(wěn)態(tài)誤差傳遞函數(shù)為：
[0085]
打貨
[0086] 步驟2，基于自抗擾的速度控制器設(shè)計，過程如下：
[0087] 2.1，電機(jī)的運(yùn)動學(xué)模型建立如下：
[008引
（11)
[0089] 其中，a(t)為系統(tǒng)的總擾動；
[0090] 系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：
[0091]
似
[0092] 2.2，線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器被設(shè)計為：
[OOW]
(蝴
[0094]其中，Zl為CO (t)的觀測值;Z2為系統(tǒng)總擾動的估計值;和都是正常量；
[009引2.3，非線性誤差反饋控制器設(shè)計如下：
[0096] u(t) = (k( COm-W )-z2)/b (14)
[0097]其中，u(t)為電機(jī)的速度控制器輸入信號；COm為電機(jī)速度的參考信號;b為電機(jī)速 度的參考信號；
[009引2.4，為了簡化線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，U被設(shè)計為：
[0099]
'(巧）
[0100] 忽略系統(tǒng)擾動的影響，式(12)被簡化為：
[0101]
(佩
[0102] 根據(jù)式(12)和式(16)，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：
[0103]
(")
[0104] 通過選擇k，速度巧制系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定。
[0105] 為驗證所提方法的有效性，本發(fā)明對無傳感器速度控制系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行仿真 實(shí)驗，并與PID速度控制器、基于滑模觀測器的無傳感器速度控制效果進(jìn)行了對比。設(shè)置實(shí) 驗中的初始條件和控制參數(shù)為:采取仿真步長0.01s;電機(jī)參數(shù)設(shè)置為Ua = 300，L = 0.0085， 恥= 0.067，R = 3.98;取PID參數(shù)為kp = 0.5,ki = 0.067;自抗擾控制器參數(shù)為021 = 0.1，022 = 200，b = 10，k = 0.6;觀測器增益為階1 = 011 = 0.7，002 = 012 = 1000;狀態(tài)變量初始狀態(tài)均設(shè)為 零。期望信號為2000轉(zhuǎn)/分，仿真時間設(shè)定為0.5s，初始負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)定為2N. m。
[0106] 圖2-圖6是對含有非線性不確定項的永磁同步電機(jī)無傳感器速度控制系統(tǒng)的仿真 效果對比圖。圖2是自抗擾速度控制器和PID速度控制器控制下的電機(jī)輸出速度信號對比 圖，由圖可看出基于自抗擾方法的電機(jī)實(shí)際輸出速度響應(yīng)速率更快，穩(wěn)態(tài)精度更高，PID控 制的響應(yīng)時間為0.13s，而自抗擾控制的響應(yīng)時間只有0.06s。圖3和圖4是受干擾下的電機(jī) 實(shí)際輸出速度對比，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0.2s時突變?yōu)?N，由圖可W看出，采用自抗擾方法的電機(jī)輸 出速度很快恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)，但采用PID方法時，電機(jī)輸出速度經(jīng)過很長時間才恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。圖5 是電機(jī)輸出速度的估計信號，由圖可W看出，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器結(jié)合鎖相環(huán)的方法估計誤差 最小，最為接近實(shí)際輸出速度。圖6是電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計信號，由圖可W看出，本發(fā)明采用的 方法估計誤差最小。由W上仿真效果對比可知，與傳統(tǒng)的PID和滑模觀測器比較，基于本發(fā) 明設(shè)計的無傳感器速度控制器，能使系統(tǒng)狀態(tài)快速的收斂至平衡點(diǎn)，且對于轉(zhuǎn)子速度和位 置信號估計效果較好。從仿真實(shí)驗的結(jié)果來看，基于自抗擾的永磁同步電機(jī)無傳感器控制 系統(tǒng)能有效解決永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的速度和位置估計問題，并提高系統(tǒng)的快速收斂性能， 增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。
[0107] W上闡述的是本發(fā)明給出的仿真對比實(shí)驗用W表明所設(shè)計方法的優(yōu)越性，顯然本 發(fā)明不只是局限于上述實(shí)例，在不偏離本發(fā)明基本精神及不超出本發(fā)明實(shí)質(zhì)內(nèi)容所設(shè)及范 圍的前提下對其可作種種變形加W實(shí)施。本發(fā)明所設(shè)計的控制方案對含有不確定項的永磁 同步電機(jī)無傳感器速度控制系統(tǒng)具有良好的控制效果，能有效估計電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度和位置 信號，使永磁同步電機(jī)系統(tǒng)能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。
【主權(quán)項】
1. 一種基于自抗擾和鎖相環(huán)技術(shù)的永磁同步電機(jī)無傳感器速度控制方法，其特征在 于:包括以下步驟： 步驟1，建立永磁同步電機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，初始化系統(tǒng)狀態(tài)及控制參數(shù)，過程如下： 1.1，永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型表示如下：其中，ici，if!分別為α軸和β軸上的定子電流;ua，Uf!分別為α軸和β軸上的定子電壓;R為定 子的等效電阻;ea，ee分別為α-β軸上的反電動勢，表示如下：其中，U為反電動勢系數(shù);Θ和ω分別是轉(zhuǎn)子的速度和位置信號； 1.2, 式(1)被轉(zhuǎn)化為： Λ：! = - f\x2ul{t)) + hxio (3) 其中叉1為[：^1￡!]1^2表示[41//(]2' ;11。為[11(111￡!]1'，13是控制器的增益并滿足匕=1/1 ;(1(1：) 為系統(tǒng)總的擾動;根據(jù)式(3)，設(shè)計以下的反電動勢觀測器來估計反電動勢ea和ee;其中，ZQ1和Z11分別是icc和ip的觀測值;ei和Θ2分別是估計誤差;ZQ2和Z12都是反電動勢的 估計值;β〇1，β〇2都是正常量； 1.3, 根據(jù)式(2)，獲得：其中，#為轉(zhuǎn)子位置Θ的估計值； 根據(jù)式(5)和式(6)，得到：其中，#是估計誤差，當(dāng)#變得很小的時候，得到sin(如經(jīng)過鎖相環(huán)的調(diào)節(jié)之后，最 終得到# 4 ο.因此沒=S成立； 1.4,鎖相環(huán)的傳遞函數(shù)和閉環(huán)誤差傳遞函數(shù)如下所示：由于轉(zhuǎn)子的位置信號是階躍信號，因此鎖相環(huán)的穩(wěn)態(tài)誤差傳遞函數(shù)為：步驟2，基于自抗擾的速度控制器設(shè)計，過程如下： 2.1，電機(jī)的運(yùn)動學(xué)模型建立如下：其中，a(t)為系統(tǒng)的總擾動； 系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：2.2，線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器被設(shè)計為：其中，21為《(〇的觀測值;Z2為系統(tǒng)總擾動的估計值;β21和β 22都是正常量； 2.3，非線性誤差反饋控制器設(shè)計如下： u(t) = (k( t〇m-co )-z2)/b (14) 其中，u(t)為電機(jī)的速度控制器輸入信號；為電機(jī)速度的參考信號;b為電機(jī)速度的 參考信號； 2.4，為了簡化線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，u被設(shè)計為：忽略系統(tǒng)擾動的影響，式(12)被簡化為： y = (a{t)-z:) + ur, vu() (16) 根據(jù)式(12)和式(16)，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：通過選擇k，速度控制系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定。
【文檔編號】H02P6/182GK105827160SQ201610158167
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月18日
【發(fā)明人】陳強(qiáng), 董方, 陶亮, 郭軍, 郭一軍
【申請人】浙江工業(yè)大學(xué)