一種永磁同步電機(jī)自適應(yīng)辨識控制方法及其控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種永磁同步電機(jī)自適應(yīng)辨識控制方法 及其控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 三相永磁同步電機(jī)（PMSM)具有體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)子無發(fā)熱等特點(diǎn)，在高性能交 流伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、航空航天等領(lǐng)域。它是由繞線 轉(zhuǎn)子同步電機(jī)發(fā)展而來，利用永磁體取代電勵磁系統(tǒng)，使電機(jī)結(jié)構(gòu)變得簡單，減少了加工和 裝配費(fèi)用，省去了勵磁繞組、電刷和集電環(huán)，提高了電機(jī)效率和功率密度。
[0003] 目前，交流電機(jī)控制器的參數(shù)主要是由人工手動整定，存在穩(wěn)定性較差、抗干擾 能力弱等問題。同時(shí)，轉(zhuǎn)矩電流的高性能控制或控制器參數(shù)設(shè)計(jì)往往需要電機(jī)準(zhǔn)確參 數(shù)，通過各種不同的辨識方法得到電機(jī)準(zhǔn)確的參數(shù)已成為電機(jī)控制領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之 一?，F(xiàn)有的電機(jī)辨識方法主要有最小二乘法、狀態(tài)觀測器法、卡爾曼濾波辨識等，申請?zhí)枮?200810018783.0的專利文獻(xiàn)公開了一種交流伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量辨識方法，提供了一種電 機(jī)參數(shù)辨識方法，但僅限于辨識系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量，且存在運(yùn)算較復(fù)雜，收斂速度慢的問題，同 時(shí)電機(jī)的參數(shù)會隨著環(huán)境發(fā)生變化，辨識精度不高。申請?zhí)枮?01510096895. 8的專利文獻(xiàn) 公開了一種基于模型參考自適應(yīng)的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量辨識方法，提出了以實(shí)際系統(tǒng)作 為參考模型，建立含有未知參數(shù)的參考模型，比較兩個(gè)模型之間偏差，通過不斷整定模型參 數(shù)實(shí)現(xiàn)可調(diào)模型跟隨參考模型輸出，但是該方法需要在線對系統(tǒng)模型進(jìn)行辨識，計(jì)算量較 大，同時(shí)參考模型的形式會對系統(tǒng)穩(wěn)定性有較大影響。這種情況下，傳統(tǒng)的控制方法勢必會 影響電機(jī)的控制精度，嚴(yán)重降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自適應(yīng)性。因此有必要設(shè)計(jì)一種永磁同 步電機(jī)自適應(yīng)辨識控制方法，用以提高辨識精度，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)系統(tǒng)速度環(huán)的高精度 控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種永磁同步電機(jī)自適應(yīng)辨識控制方法及其控制系統(tǒng)，能 夠充分辨識出永磁同步電機(jī)的準(zhǔn)確參數(shù)，彌補(bǔ)現(xiàn)有控制器自適應(yīng)性差的不足，使速度環(huán)具 有較優(yōu)的穩(wěn)定性、抗干擾能力和控制精度。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種永磁同步電機(jī)自適應(yīng)辨 識控制方法，其特點(diǎn)是，包含以下步驟：
[0006] S1、在dq坐標(biāo)系下，建立永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)的動態(tài)模型，并對定子電 壓在dq坐標(biāo)系的分量進(jìn)行解耦控制；
[0007] S2、采用預(yù)設(shè)控制方法，建立永磁同步電機(jī)的簡化狀態(tài)空間模型；
[0008] S3、采用預(yù)設(shè)辨識方法，對永磁同步電機(jī)的簡化狀態(tài)空間模型中待定參數(shù)進(jìn)行參 數(shù)辨識，得到穩(wěn)定的電機(jī)辨識參數(shù)；
[0009] S4、根據(jù)穩(wěn)定的電機(jī)辨識參數(shù)建立永磁同步電機(jī)的準(zhǔn)確模型，并計(jì)算速度環(huán)閉環(huán) 傳遞函數(shù)；
[0010] S5、根據(jù)速度環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)、矢量控制系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標(biāo)及矢量控制系統(tǒng)的 動態(tài)性能指標(biāo)，構(gòu)建永磁同步電機(jī)的參考模型；
[0011] S6、根據(jù)永磁同步電機(jī)的參考模型與辨識后的速度環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)推導(dǎo)出永磁同 步電機(jī)的自適應(yīng)控制率。
[0012] 所述的步驟S1中對定子電壓在dq坐標(biāo)系的分量進(jìn)行解耦控制的計(jì)算公式為：
[0014] 其中，usd和u sq分表為電機(jī)的定子電壓在dq坐標(biāo)系的分量；n p為電機(jī)極對數(shù)；ω 為電機(jī)的機(jī)械角速度；L為電機(jī)同步電感；isq為電機(jī)的定子電流在dq坐標(biāo)系中的分量；K e=ηρ Φ f，Φ f為電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁鏈。
[0015] 所述的步驟S2中的預(yù)設(shè)控制方法為矢量控制isd= 0的控制方法。
[0016] 所述的步驟S2中的永磁同步電機(jī)的簡化狀態(tài)空間模型表示為：
[0018] 其中，R為電機(jī)定子等效電阻；isq為電機(jī)的定子電流在dq坐標(biāo)系中的分量；u sq分 表為電機(jī)的定子電壓在dq坐標(biāo)系的分量；J為電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量和負(fù)載折合到電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上轉(zhuǎn) 動慣量之和；L為電機(jī)同步電感；Ke= η ρ Φ f，np為電機(jī)極對數(shù)；Φ f為電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁鏈； Td為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；B為電機(jī)轉(zhuǎn)子和負(fù)載的摩擦系數(shù)。
[0019] 所述的步驟S3中的預(yù)設(shè)辨識方法為Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識方法。
[0020] 所述的步驟S3具體包含：
[0021] S3. 1、采集永磁同步電機(jī)的電流及角速度信息；
[0022] S3. 2、根據(jù)永磁同步電機(jī)的電流及角速度信息構(gòu)建Hopfield網(wǎng)絡(luò)；
[0023] S3. 3、求解Hopfield網(wǎng)絡(luò)，使Hopfield網(wǎng)絡(luò)辨識誤差函數(shù)趨于極小，得到穩(wěn)定的 電機(jī)辨識參數(shù)。
[0024] 所述的步驟S4中速度環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)的計(jì)算公式為：
[0026] 其中，Ke= η ρ Φ f，np為電機(jī)極對數(shù)，Φ f為電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁鏈；K P和K :為設(shè)計(jì)的 PI控制器參數(shù)；R為電機(jī)定子等效電阻；J為電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量和負(fù)載折合到電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上轉(zhuǎn)動 慣量之和。
[0027] 所述的步驟S6中永磁同步電機(jī)的自適應(yīng)控制率的計(jì)算公式為：
[0029] 其中，為自適應(yīng)控制律；歹為參考模型和實(shí)際模型狀態(tài)變量之間的廣義誤 差；P為Lyapunov方程正定解；λ為任意一個(gè)給定的正數(shù)；b為狀態(tài)方程參數(shù)矩陣；kp為速 度環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)增益；U為系統(tǒng)輸入。
[0030] 所述的步驟S6中永磁同步電機(jī)的自適應(yīng)控制率的計(jì)算公式。為：
[0032] 其中，為自適應(yīng)控制律；e為參考模型輸出與實(shí)際模型輸出之間誤差；λ為 任意一個(gè)給定的正數(shù)；kp為速度環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)增益；u為系統(tǒng)輸入。
[0033] -種永磁同步電機(jī)自適應(yīng)辨識控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是，包含
[0034] 位置和速度傳感器，用于測量永磁同步電機(jī)的機(jī)械角速度數(shù)據(jù)和角位置數(shù)據(jù)；
[0035] 參考模型輸出模塊，用于根據(jù)角速度給定指令輸出角速度參考值；
[0036] 自適應(yīng)控制率輸出模塊，用于根據(jù)角速度給定指令及角速度參考值與機(jī)械角速度 數(shù)據(jù)差值確定自適應(yīng)控制率輸出值；
[0037] 速度控制器，用于根據(jù)角速度給定指令與機(jī)械角速度數(shù)據(jù)的偏差值輸出轉(zhuǎn)矩電流 在dq坐標(biāo)系上的分量；
[0038] 電壓前饋單元，用于根據(jù)轉(zhuǎn)矩電流在dq坐標(biāo)系上的分量輸出定子電壓在dq坐標(biāo) 系上的第一分量及第二分量；
[0039] 反Park變換模塊，用于將定子電壓在dq坐標(biāo)系上的第一分量及第二分量進(jìn)行反 Park變換，得到兩相靜止坐標(biāo)系上的給定電壓；
[0040] SVPWM算法模塊，用于根據(jù)兩相靜止坐標(biāo)系上的給定電壓實(shí)現(xiàn)SVPWM算法，控制變 壓變頻器輸出正弦波，以使永磁同步電機(jī)空間形成幅值穩(wěn)定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，以產(chǎn)生恒定 的電磁轉(zhuǎn)矩。
[0041] 本發(fā)明一種永磁同步電機(jī)自適應(yīng)辨識控制方法及其控制系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比具 有以下優(yōu)點(diǎn)：采用電壓前饋單元對系統(tǒng)變量進(jìn)行解耦，利用矢量控制原理，構(gòu)建永磁同步電 機(jī)簡化模型，針對電機(jī)模型中不確定的參數(shù)，采用Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識的方法對電機(jī)參 數(shù)進(jìn)行辨識，能夠得到準(zhǔn)確參數(shù)，辨識精度較高；利用辨識的電機(jī)參數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行建模，設(shè) 計(jì)參考模型形式，利用參考模型的參考輸出與實(shí)際模型輸出之間誤差，對控制器參數(shù)進(jìn)行 自適應(yīng)整定，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，具有參數(shù)設(shè)計(jì)簡單、運(yùn)算量少、收斂速度快等 優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0042] 圖1為本發(fā)明一種永磁同步電機(jī)自適應(yīng)辨識控制方法的流程圖；
[0043] 圖2為永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型；
[0044] 圖3為包含電壓前饋單元的永磁同步電機(jī)矢量控制伺服系統(tǒng)框圖；
[0045] 圖4為電壓前饋單元示意圖；
[0046] 圖5為Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型示意圖；
[0047] 圖6為本發(fā)明永磁同步電機(jī)自適應(yīng)辨識控制系統(tǒng)框圖；
[0048] 圖7為本發(fā)明針對永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)模型參考自適應(yīng)控制器簡化原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0049] 以下結(jié)合附圖，通過詳細(xì)說明一個(gè)較佳的具體實(shí)施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。
[0050] 如圖1所示，一種永磁同步電機(jī)自適應(yīng)辨識控制方法，包含以下步驟：
[0051] S1、在dq坐標(biāo)系下，建立永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)的動態(tài)模型，并對定子電 壓在dq坐標(biāo)系的分量進(jìn)行解耦控制；
[0052] S2、采用預(yù)設(shè)控制方法，建立永磁同步電機(jī)的簡化狀態(tài)空間模型；
[0053] S3、采用預(yù)設(shè)辨識方法，對永磁同步電機(jī)的簡化狀態(tài)空間模型中待定參數(shù)進(jìn)行參 數(shù)辨識，得到穩(wěn)定的電機(jī)辨識參