一種采用新型過(guò)渡過(guò)程的容錯(cuò)永磁電機(jī)速度控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及永磁電機(jī)速度控制技術(shù)，具體的是一種采用新型過(guò)渡過(guò)程的容錯(cuò)永磁 電機(jī)速度環(huán)線性自抗擾控制（LADRC)方法，適用于永磁同步電機(jī)高性能伺服控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 永磁同步電機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的非線性，強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，在運(yùn)行過(guò)程中通常會(huì)發(fā)生參 數(shù)攝動(dòng)和外部干擾。然而在永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)中，通常采用速度外環(huán)和電流 內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，且控制器均采用傳統(tǒng)的PID控制器。由于傳統(tǒng)PID控制器存在超 調(diào)量大，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，抗擾動(dòng)能力較差等缺點(diǎn)，通常不能達(dá)到滿意的控制效果。因此很多先 進(jìn)的算法被應(yīng)用于永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，滑模變結(jié)構(gòu)控制方法，模 糊控制方法，自適應(yīng)控制方法等，但它們大多需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算和理論推導(dǎo)，難以真 正應(yīng)用于永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。因此，研究新型的簡(jiǎn)單控制算法，并將其應(yīng)用到容錯(cuò)永 磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中以提高控制系統(tǒng)的性能是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。
[0003] 采用傳統(tǒng)的線性跟蹤微分器雖然可以達(dá)到減小超調(diào)量的目的，可是轉(zhuǎn)速依然會(huì)有 超調(diào)，這是由于傳統(tǒng)的線性跟蹤微分器并沒(méi)有完全考慮電機(jī)的啟動(dòng)特性，使電機(jī)在起始階 段的誤差得以積累，最終產(chǎn)生超調(diào)。而且傳統(tǒng)的線性跟蹤微分器的使用并沒(méi)有起到提高系 統(tǒng)魯棒性的作用，沒(méi)有一個(gè)明確的調(diào)節(jié)參數(shù)的方向，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制的指導(dǎo)不夠明確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種?。o(wú)）跟隨誤差的容錯(cuò)永磁同步電機(jī)速度控制方法， 用以解決容錯(cuò)永磁同步電機(jī)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中響應(yīng)快速性和超調(diào)之間的矛盾以及提高穩(wěn)態(tài)時(shí) 的抗擾動(dòng)能力，以提尚電機(jī)運(yùn)彳丁的性能。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是在線性自抗擾控制器基礎(chǔ)上，根據(jù)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)跟蹤 微分器，使電機(jī)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中轉(zhuǎn)速可以準(zhǔn)確的跟蹤給定值。在本發(fā)明設(shè)計(jì)的速度控制器中， 除了跟蹤微分器，控制器的調(diào)節(jié)參數(shù)都由帶寬值（即觀測(cè)器系統(tǒng)的特征多項(xiàng)式的極點(diǎn)值） 決定，與傳統(tǒng)控制器相比減少了控制器參數(shù)的數(shù)量和調(diào)節(jié)的難度，同時(shí)保證了系統(tǒng)的魯棒 性。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案有以下步驟：一種采用新型過(guò)渡過(guò)程的容錯(cuò)永磁電機(jī)速度 控制方法，包括以下步驟：
[0007] S1，給定電機(jī)轉(zhuǎn)速值η%設(shè)計(jì)一種新型過(guò)渡過(guò)程的跟蹤微分器，獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí) 給定值ν1;所述跟蹤微分器根據(jù)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性安排過(guò)渡過(guò)程，依據(jù)轉(zhuǎn)速給定η $合理的安排 實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速給定值^，將此過(guò)渡過(guò)程函數(shù)表示為：
[0009] 其中，f為轉(zhuǎn)速給定值，ν i為轉(zhuǎn)速過(guò)渡信號(hào)，ν 2為過(guò)渡信號(hào)的微分信號(hào)，k是根據(jù) 電機(jī)動(dòng)態(tài)特性而設(shè)計(jì)的快速因子；
[0010] S2,通過(guò)光電編碼器獲得永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置Θ，通過(guò)光電編碼器獲得容錯(cuò) 永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子位置Θ，然后經(jīng)過(guò)5s/2r坐標(biāo)變換模塊將相電流轉(zhuǎn)變?yōu)閐-q電流，采用2r/2s 坐標(biāo)變換模塊將d-q軸電壓轉(zhuǎn)變?yōu)棣?- β軸電壓，并計(jì)算出轉(zhuǎn)速n ;
[0011] S3,根據(jù)轉(zhuǎn)速給定值Vi和轉(zhuǎn)速反饋值η對(duì)速度環(huán)線性自抗擾控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，速 度環(huán)線性自抗擾控制器中的線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器是對(duì)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速輸出 和系統(tǒng)總擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，得出轉(zhuǎn)速觀測(cè)值Zl和擾動(dòng)估計(jì)值ζ 2，最后求出線性自抗擾控制器 的相關(guān)控制參數(shù)；
[0012] S4,將由線性自抗擾控制器得到的控制信號(hào)u(即交軸電流給定值ζ )作為內(nèi)環(huán)q 軸電流控制器的給定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速控制，經(jīng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到靜止坐標(biāo)系的變換得到靜 止坐標(biāo)系α-β軸的電壓U。、Up，將其送入空間電壓矢量SVPWM調(diào)制模塊產(chǎn)生電機(jī)各相的 PWM波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。
[0013] 進(jìn)一步，所述步驟S1中，快速因子函數(shù)的表達(dá)式為：
[0015] 其中，t表示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，V T2、^分別表示系統(tǒng)運(yùn)行的三個(gè)時(shí)間點(diǎn)，它們之間 的關(guān)系是由電機(jī)電氣時(shí)間常數(shù)和機(jī)械時(shí)間常數(shù)決定，a_表示系統(tǒng)最大加速度，a ,表示系統(tǒng) 實(shí)時(shí)加速度，/表示線性自抗擾控制器實(shí)時(shí)估計(jì)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)，h是轉(zhuǎn)矩反饋系數(shù)。
[0016] 進(jìn)一步，所述?\、T2、T3三個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系滿足8T 8(T 3-T2) = L-Ti。
[0017] 進(jìn)一步，所述快速因子函數(shù)k的參數(shù)選取為：?\= 0. 005, T 2= 0. 045, T 3= 0. 05， amax= 330? h = 0. 4〇
[0018] 進(jìn)一步，所述步驟S3的具體過(guò)程為：
[0019] S3. 1，建立永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器 是對(duì)容錯(cuò)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速輸出和系統(tǒng)總擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)獲得轉(zhuǎn)速觀測(cè)值z(mì)JP 擾動(dòng)估計(jì)值z(mì)2，具體表達(dá)式為：
[0021] 其中，e為觀測(cè)值與實(shí)際值的差值，4是轉(zhuǎn)速觀測(cè)值的微分信號(hào)，七是系統(tǒng)總擾動(dòng)的 微分信號(hào)，u為自抗擾控制器的輸出信號(hào)
·由系統(tǒng)模型確定，β ρ β 2為控制器參數(shù)；
[0022] S3. 2,構(gòu)建線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的特征多項(xiàng)式，并調(diào)節(jié)特征多項(xiàng)式中的參數(shù)βρ β 2;
[0024] S3. 3,根據(jù)線性誤差反饋控制律將轉(zhuǎn)速過(guò)渡信號(hào)Vl和轉(zhuǎn)速輸出觀測(cè)值ζ亦差得到 誤差e2, e2經(jīng)一比例控制器得原始控制信號(hào)u。，再經(jīng)擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)米钥箶_控制器的控制信號(hào) u ：
[0026] 其中，kp為比例控制器增益，通常取kp= ω。，稱控制器帶寬；
[0027] S3. 4,最后得出觀測(cè)器帶寬ω。和控制器帶寬ω。需滿足ω5-10 ω。。
[0028] 進(jìn)一步，所述控制器帶寬為1〇〇,比例控制器增益kp= 100,觀測(cè)器帶寬ω。 =500,控制器參數(shù) 1000, β 2= 250000。
[0029] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0030] 1)根據(jù)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)所允許的物理最大加速度安排一個(gè)快速且平穩(wěn)的過(guò)渡 過(guò)程，專門根據(jù)五相容錯(cuò)永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)一種新型跟蹤微分器，使電機(jī)在動(dòng) 態(tài)過(guò)程中轉(zhuǎn)速可以準(zhǔn)確的跟蹤給定值；并且利用線性自抗擾控制器對(duì)加速度進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ) 償，使電機(jī)在整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)無(wú)超調(diào)快速響應(yīng)。
[0031] 2)快速因子函數(shù) k 的參數(shù)選取為：?\= 0·005、Τ2= 0·045、Τ3= 0·05、&ΜΧ= 330、 h = 0. 4。從快速因子函數(shù)的波形圖可以看出，它和一般直流電機(jī)啟動(dòng)或突加負(fù)載時(shí)電流波 形很類似，利用此快速因子函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程中的?。o(wú)）誤差運(yùn)行。
[0032] 3)經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：所述控制器帶寬為1〇〇,比例控制器增益kp= 100， 觀測(cè)器帶寬《。= 500,控制器參數(shù)β ι= 1000, β 2= 250000,由于電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中 是?。o(wú)）誤差運(yùn)行，比例控制器增益kp能在一個(gè)較大范圍取值，大大增強(qiáng)了控制器的魯 棒性且不引起系統(tǒng)震蕩；由于采用線性自抗擾控制器，除了跟蹤微分器外，需調(diào)節(jié)的參數(shù)只 有一個(gè)觀測(cè)器帶寬值ω。，很大程度上簡(jiǎn)化了控制器設(shè)計(jì)難度。
[0033] 4)相對(duì)于傳統(tǒng)ΡΙ控制器來(lái)說(shuō)，本發(fā)明設(shè)計(jì)的新型控制器具有很強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力， 且縮短了系統(tǒng)響應(yīng)擾動(dòng)的時(shí)間。
[0034] 從以上所述可以得知，采用本發(fā)明新型控制器后，系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)的魯棒性提高 了，更重要的是系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間縮短了且無(wú)超調(diào)。
【附圖說(shuō)明】
[0035] 圖1為采用本發(fā)明轉(zhuǎn)速控制器的五相容錯(cuò)永磁電機(jī)空間電壓矢量控制結(jié)構(gòu)框圖；
[0036] 圖2五相容錯(cuò)永磁電機(jī)截面圖；
[0037] 圖3為五相容錯(cuò)永磁電機(jī)交軸等效電路圖；
[0038] 圖4為新型跟蹤微分器中快速因子函數(shù)波形圖；
[0039] 圖5為速度環(huán)線性自抗擾控制器框圖；
[0040] 圖6為不同時(shí)刻施加的負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)量波形圖；
[0041] 圖7為在有負(fù)載轉(zhuǎn)矩階躍情況下采用PI控制器的轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形圖；
[0042] 圖8為在有負(fù)載轉(zhuǎn)矩階躍情況下采用新型控制器的轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形圖；
[0043] 圖9為在空載情況下采用PI控制器的轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)波形圖；
[0044] 圖10為在空載情況下采用新型控制器的轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 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。
[0046] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附 圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0047] 本發(fā)明是在如圖1所示的五相容錯(cuò)永磁同步電機(jī)空間電壓矢量控制結(jié)構(gòu)框圖基 礎(chǔ)上實(shí)施的。圖2為本文設(shè)計(jì)的五相容錯(cuò)永磁電機(jī)的截面圖。由圖2可知，本文選用的五 相電機(jī)永磁體呈V型排布，永磁體內(nèi)嵌在轉(zhuǎn)子里，使得加工和安裝都比較方便。對(duì)于永磁體 內(nèi)嵌式的電機(jī)而言，能夠產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，合理利用磁阻轉(zhuǎn)矩，可增加永磁電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的密 度以及擴(kuò)大電機(jī)的調(diào)速范圍。定子繞組采用單層集中式分布，可以減小銅耗，提高效率。電 機(jī)的電樞齒和容錯(cuò)齒交替排布，并且容錯(cuò)齒的寬度小于電樞齒，以此優(yōu)化反電勢(shì)，同時(shí)減少 齒槽轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。單層集中式繞組與容錯(cuò)齒結(jié)構(gòu)能減少相與相之間的耦合，提高 電機(jī)的容錯(cuò)性能。
[0048] 本發(fā)明在轉(zhuǎn)速環(huán)線性自抗擾控制器基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)新的跟蹤微分器（New TD)給 轉(zhuǎn)速安排過(guò)渡過(guò)程，使容錯(cuò)永磁同步電機(jī)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中能夠保證無(wú)超調(diào)量且具有快速響應(yīng) 速度。具體實(shí)施方案包含以下步驟：
[0049] 1)轉(zhuǎn)速值給定f經(jīng)所設(shè)計(jì)的新型跟蹤微分器得轉(zhuǎn)速過(guò)渡信號(hào)v i，該過(guò)渡過(guò)程函數(shù) 表示為
[0051] 其中，f為轉(zhuǎn)速給定值，v i為轉(zhuǎn)速過(guò)渡信號(hào)，v 2為過(guò)渡信號(hào)的微分信號(hào)，k為根據(jù) 電機(jī)動(dòng)態(tài)特性而設(shè)計(jì)的快速因子函數(shù)，其表達(dá)式為
[0052]
[0053] 其中，t表示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，V T2、^分別表示系統(tǒng)運(yùn)行的三個(gè)時(shí)間點(diǎn)，它們之間 的關(guān)系是由電機(jī)電氣時(shí)間常數(shù)和機(jī)械時(shí)間常數(shù)決定，a_表示系統(tǒng)最大加速度，a ,表示系統(tǒng) 實(shí)時(shí)加速度，/表示線性自抗擾控制器實(shí)時(shí)估計(jì)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)，h是轉(zhuǎn)矩反饋系數(shù)。
[0054] ?\、T2、1~3三個(gè)參數(shù)反映的是電流響應(yīng)和轉(zhuǎn)速響應(yīng)之間的關(guān)系，在選取這三個(gè)參數(shù) 時(shí)要考慮到這一點(diǎn)，因此需尋找一種可以反映電機(jī)機(jī)械和電氣特性的常數(shù)。
[0055] 設(shè)機(jī)械時(shí)間常數(shù)、電氣時(shí)間常數(shù)％，兩個(gè)常數(shù)的具體測(cè)量方法為：
[0056] U在繞組上加階躍電壓U，測(cè)量出角速度達(dá)到最大角速度的63. 2%時(shí)所用時(shí)間；
[0057] :將電機(jī)轉(zhuǎn)子固定，在繞組上加上階躍電壓U，測(cè)量出在電流達(dá)到最大電流的 63. 2 %時(shí)所需時(shí)間。
[0058] 圖3為容錯(cuò)永磁電機(jī)交軸等效電路圖，可知電機(jī)電氣時(shí)間常數(shù)為
，機(jī)械時(shí)間 常數(shù)
°Lq為永磁電機(jī)的q軸電感，RS為電機(jī)定子電阻，J為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。KJPK T 分別是反電勢(shì)常數(shù)和電磁轉(zhuǎn)