CN110277941B - 永磁电机、转子位置控制方法、装置 - Google Patents

永磁电机、转子位置控制方法、装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁电机、转子位置控制方法、装置，所述方法：建立永磁电机的位置控制模型；提取所述位置控制模型中的时变特征参数；采用基于所述时变特征参数的自适应控制器对转子输入电压进行控制，由控制后的转子输入电压决定所述转子位置。采用上述方案，控制模型中的时变特征参数参与自适应控制器，使得时变特征参数最终会趋于恒定值，实现精确性较高且稳定性、鲁棒性较强的控制效果。

Description

永磁电机、转子位置控制方法、装置
技术领域
本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种永磁电机、转子位置控制方法、装置。
背景技术
在高精度控制领域，良好的精密驱动平台是保证高质量控制效果的必要条件。
现有技术中，永磁电机作为驱动平台，而永磁电机是通过其的转子驱动其他设备。在永磁电机中往往采用比例积分控制器进行转子的驱动控制，然而比例积分控制器对***的依赖性高，当存在参数的变化和外界扰动，尤其是在被驱动设备收到多方面因素的干扰的情况下，其控制效果的精确性较低。
发明内容
发明目的：针对现有技术缺陷，本发明旨在提供一种永磁电机、转子位置控制方法、装置，以实现精确性较高的控制效果。
技术方案：本发明实施例中提供一种永磁电机的转子位置控制方法，包括：建立永磁电机的位置控制模型；提取所述位置控制模型中的时变特征参数；采用基于所述时变特征参数的自适应控制器对转子输入电压进行控制，由控制后的转子输入电压决定所述转子位置。
具体的，控制所述永磁电机的d轴电流id＝0。
具体的，以永磁电机的位置环控制器、转速环控制器和电流环控制器建立三阶离散差分形式的特征模型：
θ(k)＝f1(k)θ(k-1)+f2(k)θ(k-2)+f3(k)θ(k-3)+g0(k)Uq(k-1)，
其中，θ为转子位置，Uq为永磁电机q轴输入电压，k为时序，f1，f2，f3和g0为时变特征参数。
具体的，以比例控制器建立位置环控制器；以永磁电机的转速环控制器和电流环控制器建立二阶离散差分形式的特征模型：
ω(k)＝f1(k)ω(k-1)+f2(k)ω(k-2)+g0(k)+Uq(k-1)，
其中，ω为转子角速度。
具体的，采用如下公式实时辨识时变特征参数：
Figure BDA0002111153140000021
φ(k)＝[ω(k-1) ω(k-2) Uq(k-1)]，
其中，，
Figure BDA0002111153140000022
λ1，λ2是正常参数。
具体的，采用维持跟踪控制器：
Figure BDA0002111153140000023
其中，ωr *(k)为给定转子角转速，ω(k)为实际转子角转速，kw为正常参数；
采用黄金分割自适应控制器：
Figure BDA0002111153140000024
其中，l1＝0.382，l2＝0.618，e(k)为转速误差，η1,η2,μ，kL为正常参数，其中Uq＝u0+u。
具体的，修正Uq因干扰而产生的误差，其中：
采用逻辑积分控制器：
uI(k)＝uI(k-1)+kIe(k)
Figure BDA0002111153140000025
其中，kI为积分系数，k1,k2为正常参数，k2＞k1；
采用逻辑微分控制器：
Figure BDA0002111153140000026
其中，kd为微分系数，kd1,kd2为正常参数，ε为给定误差带，y为给定转子角转速与实际转子角速度之差，△t为采样时间，Uq＝u0+u+uI+ud。
具体的，采用混合粒子群算法对正常参数η1，η2，μ，kL和kw进行离线优化。
本发明实施例中还提供一种永磁电机的转子位置控制装置，包括：模型建立单元，提取单元和自适应单元，其中：所述模型建立单元，用于建立永磁电机的位置控制模型；所述提取单元，用于提取所述位置控制模型中的时变特征参数；所述自适应单元，用于采用基于所述时变特征参数的自适应控制器对转子输入电压进行控制，由控制后的转子输入电压决定所述转子位置。
本发明实施例中还提供一种永磁电机，采用根据权利要求1～8任意一项所述的永磁电机的转子位置控制方法。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：由于永磁电机***没有使用精确建模，无需传递函数推导，因此减少了大量的数值计算过程。采用控制模型中的时变特征参数参与自适应控制器，使得时变特征参数最终会趋于恒定值，实现精确性较高且稳定性、鲁棒性较强的控制效果。
附图说明
图1为本发明实施例中永磁电机的转子位置控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中混合粒子群算法优化正常参数的过程示意图；
图3为本发明实施例中永磁电机的转子位置控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
参阅图1，其为本发明实施例中永磁电机的转子位置控制方法的流程示意图，其中包括具体步骤，以下结合具体步骤进行详细说明。
步骤S101，建立永磁电机的位置控制模型。
本发明实施例中，控制所述永磁电机的d轴电流id＝0。
本发明实施例中，以永磁电机的位置环控制器、转速环控制器和电流环控制器建立三阶离散差分形式的特征模型：
θ(k)＝f1(k)θ(k-1)+f2(k)θ(k-2)+f3(k)θ(k-3)+g0(k)Uq(k-1)，
其中，θ为转子位置，Uq为永磁电机q轴输入电压，k为时序，f1，f2，f3和g0为时变特征参数。
本发明实施例中，以比例控制器建立位置环控制器；以永磁电机的转速环控制器和电流环控制器建立二阶离散差分形式的特征模型：
ω(k)＝f1(k)ω(k-1)+f2(k)ω(k-2)+g0(k)+Uq(k-1)，
其中，ω为转子角速度。
在具体实施中，永磁电机的控制结果可以由永磁电机的转子位置体现。
在具体实施中，在永磁电机控制中，为了能够得到类似直流电机的控制特性，在电机转子上可以建立了坐标系，此坐标系与转子同步转动，取转子磁场方向为d轴，垂直于转子磁场方向为q轴，将电机的数学模型转换到此坐标系下，可实现d轴和q轴的解耦。控制所述永磁电机的d轴电流id＝0，可以避免来自d轴的扰动，进一步提升控制结果的精确性。
在具体实施中，通过机械运动方程、q轴电压方程和电磁转矩方程，可以推导出
Figure BDA0002111153140000041
其中，θ为转子位置，J为电机转动惯量，B为阻尼系数，Te为电磁转矩，Pn为极对数，ψf为永磁体磁链，Rs为定子电阻，L为定子电感，iq为定子电流的q轴分量，uq为定子电压q轴分量。则可以建立以转子位置θ为输出，以q轴等效电压Uq为输入的三阶离散差分形式的特征模型为：
θ(k)＝f1(k)θ(k-1)+f2(k)θ(k-2)+f3(k)θ(k-3)+g0(k)Uq(k-1)，
其中，θ为转子位置，Uq为永磁电机q轴输入电压，k为时序，f1，f2，f3和g0为时变特征参数。
在具体实施中，k是离散的计数下的时序状态，θ(k)表示在k时序状态下的转子位置，其他相同的表示形式同理。
在具体实施中，为增强永磁电机***的抗干扰能力，将三阶离散差分形式的特征模型可以分解为以比例控制器建立的位置环控制器，和永磁电机的转速环控制器和电流环控制器建立二阶离散差分形式的特征模型：
ω(k)＝f1(k)ω(k-1)+f2(k)ω(k-2)+g0(k)+Uq(k-1)，
其中，ω为转子角速度。
在具体实施中，f1，f2，f3和g0为时变特征参数，即随时序状态k而变化的特征参数，可以体现为是外界对永磁电机的影响因素和电机运行中自身变化的影响因素的体现。
在具体实施中，通过对上述输入二阶离散差分形式的特征模型的Uq进行补偿、抗干扰、自适应调整，使输出的转子角速度达到比较稳定的状态，进而转子角速度决定转子位置不受外界和自身变化的干扰影响，最终实现控制驱动效果的稳定性和精确性。
步骤S102，提取所述位置控制模型中的时变特征参数。
本发明实施例中，采用如下公式实时辨识时变特征参数：
Figure BDA0002111153140000051
φ(k)＝[ω(k-1)ω(k-2)Uq(k-1)]，
其中，，
Figure BDA0002111153140000052
λ1，λ2是正常参数。
在具体实施中，由于时变特征参数是随时序变化的，因此可以实时的获取时变特征参数。
步骤S103，采用基于所述时变特征参数的自适应控制器对转子输入电压进行控制，由控制后的转子输入电压决定所述转子位置。
在具体实施中，可以通过自适应控制器对输入电压进行控制Uq，实现快速跟踪给定目标的目的，进而使得电机***最终的驱动控制效果稳定、精确，给定目标则可以是理想状态下的转子位置、角速度。
本发明实施例中，自适应控制器包括：维持跟踪控制器和黄金分割自适应控制器，其中：
维持跟踪控制器：
Figure BDA0002111153140000053
其中，ωr *(k)为给定转子角转速，ω(k)为实际转子角转速，kw为正常参数；
黄金分割自适应控制器：
Figure BDA0002111153140000061
其中，l1＝0.382，l2＝0.618，e(k)为转速误差，η1,η2,μ，kL为正常参数，其中Uq＝u0+u。
在具体实施中，e(k)为转速误差，即给定转子角转速与实际转子角速度之差，给定转子角速度可以是指上述给定目标，kw、kL为可以防止表达式分母为零的正常参数，上标弧线表示该参数处于变化中。
在具体实施中，转子输入电压Uq＝u0+u，表示经控制器控制后理想状态下的输入电压。
本发明实施例中，修正Uq因干扰而产生的误差，其中：
采用逻辑积分控制器：
uI(k)＝uI(k-1)+kIe(k)
Figure BDA0002111153140000062
其中，kI为积分系数，k1,k2为正常参数，k2＞k1；
采用逻辑微分控制器：
Figure BDA0002111153140000063
其中，kd为微分系数，kd1,kd2为正常参数，ε为给定误差带，y为给定转子角转速与实际转子角速度之差，△t为采样时间，Uq＝u0+u+uI+ud。
在具体实施中，y(k)和e(k)可以表示相同的概念，ε为给定误差带，具体可以由多次试验情况获得。
在具体实施中，uI+ud表示经控制器对干扰的修正补偿，因此Uq＝u0+u+uI+ud表示抗干扰状态下理想的转子q轴输入电压，转子角速度等因k变化而变化的变量在变化时，也可以导致Uq的变化。
本发明实施例中，可以采用混合粒子群算法对正常参数η1，η2，μ，kL和kw进行离线优化。
参阅图2，其为本发明实施例中混合粒子群算法优化正常参数的过程示意图。
在具体实施中，HPSO算法(HPSO，Hybrid Particle Swarm Optimization)与Simulink模型之间进行连接，Simulink模型可以将混合粒子群算法中产生的粒子群赋值给η1，η2，μ，kL和kw，然而运行控制***模型，输出性能指标，混合粒子群算法根据性能指标判断η1，η2，μ，kL和kw是否符合优化标准，若不符合，则进行更新粒子，个体最优交叉，群体最优交叉，粒子变异，产生粒子群的循环操作，直到η1，η2，μ，kL和kw符合优化标准时停止。
在具体实施中，混合粒子群算法与Simulink之间连接的桥梁是粒子(即自适应控制器参数)和该粒子对应的适应度值(即控制***的性能指标)。
在具体实施中，本发明提供永磁电机的转子位置控制方法由于设计的自适应抗扰控制可以自适应调整控制***参数，因此抗扰性与鲁棒性均较好，适用于大口径天文望远镜等类似高精度且受较多外界干扰的设备。其次，由于电机***不需要精确建模，无需传递函数推导，因此可以减少大量的数值计算过程，控制器设计简便，不需要现场反复调试。由于参数辨识最终会趋于恒定值，因此电机控制***稳定可靠。
在具体实施中，由于望远镜口径的增大，且大口径天文望远镜伺服***除了来自电机自身因素的干扰，还存在风阻力矩、摩擦力矩等其它干扰力矩的影响，因此在方位轴和高度轴的轴系驱动上的精确度和稳定度要求越来越高，而本发明实施例中提供的方法应用于永磁电机可以实现望远镜的俯仰轴的精准控制。
参阅图3，其为本发明实施例中永磁电机的转子位置控制装置30的结构示意图，具体包括：模型建立单元301，提取单元302和自适应单元303，其中：所述模型建立单元301，用于建立永磁电机的位置控制模型；所述提取单元302，用于提取所述位置控制模型中的时变特征参数；所述自适应单元303，用于采用基于所述时变特征参数的自适应控制器对转子输入电压进行控制，由控制后的转子输入电压决定所述转子位置。
本发明还提供一种永磁电机，采用本发明实施例中任意一种的永磁电机的转子位置控制方法。

Claims (9)

1.一种永磁电机的转子位置控制方法，其特征在于，包括：
建立永磁电机的位置控制模型，以永磁电机的位置环控制器、转速环控制器和电流环控制器建立三阶离散差分形式的特征模型：
θ(k)＝f1(k)θ(k-1)+f2(k)θ(k-2)+f3(k)θ(k-3)+g0(k)Uq(k-1)，
其中，θ为转子位置，Uq为永磁电机q轴输入电压，k为时序，f1，f2，f3和g0为时变特征参数；
提取所述位置控制模型中的时变特征参数；
采用基于所述时变特征参数的自适应控制器对转子输入电压进行控制，由控制后的转子输入电压决定所述转子位置。
2.根据权利要求1所述的永磁电机的转子位置控制方法，其特征在于，在所述建立永磁电机的位置控制模型之前，包括：
控制所述永磁电机的d轴电流id＝0。
3.根据权利要求2所述的永磁电机的转子位置控制方法，其特征在于，所述建立永磁电机的位置控制模型，包括：
以比例控制器建立位置环控制器；以永磁电机的转速环控制器和电流环控制器建立二阶离散差分形式的特征模型：
ω(k)＝f1(k)ω(k-1)+f2(k)ω(k-2)+g0(k)+Uq(k-1)，
其中，ω为转子角速度。
4.根据权利要求3所述的永磁电机的转子位置控制方法，其特征在于，所述提取所述位置控制模型中的时变特征参数，包括：
采用如下公式实时辨识时变特征参数：
Figure FDA0002741683700000011
其中，φ(k)＝[ω(k-1) ω(k-2) Uq(k-1)]，
Figure FDA0002741683700000012
λ1，λ2是正常参数。
5.根据权利要求4所述的永磁电机的转子位置控制方法，其特征在于，所述采用基于所述时变特征参数的自适应控制器对转子输入电压进行控制，包括：
采用维持跟踪控制器：
Figure FDA0002741683700000021
其中，ωr *(k)为给定转子角转速，ω(k)为实际转子角转速，kw为正常参数；
采用黄金分割自适应控制器：
Figure FDA0002741683700000022
其中，l1＝0.382，l2＝0.618，e(k)为转速误差，η1,η2,μ，kL为正常参数，其中Uq＝u0+u。
6.根据权利要求5所述的永磁电机的转子位置控制方法，其特征在于，所述采用基于所述时变特征参数的自适应控制器对转子输入电压进行控制，包括：
修正Uq因干扰而产生的误差，其中：
采用逻辑积分控制器：
uI(k)＝uI(k-1)+kIe(k)
Figure FDA0002741683700000023
其中，kI为积分系数，k1,k2为正常参数，k2＞k1；
采用逻辑微分控制器：
Figure FDA0002741683700000024
其中，kd为微分系数，kd1,kd2为正常参数，ε为给定误差带，y为给定转子角转速与实际转子角速度之差，△t为采样时间，Uq＝u0+u+uI+ud。
7.根据权利要求6所述的永磁电机的转子位置控制方法，其特征在于，所述采用基于所述时变特征参数的自适应控制器对转子输入电压进行控制，包括：
采用混合粒子群算法对正常参数η1，η2，μ，kL和kw进行离线优化。
8.一种永磁电机的转子位置控制装置，其特征在于，包括：模型建立单元，提取单元和自适应单元，其中：
所述模型建立单元，用于建立永磁电机的位置控制模型，以永磁电机的位置环控制器、转速环控制器和电流环控制器建立三阶离散差分形式的特征模型：
θ(k)＝f1(k)θ(k-1)+f2(k)θ(k-2)+f3(k)θ(k-3)+g0(k)Uq(k-1)，
其中，θ为转子位置，Uq为永磁电机q轴输入电压，k为时序，f1，f2，f3和g0为时变特征参数；
所述提取单元，用于提取所述位置控制模型中的时变特征参数；
所述自适应单元，用于采用基于所述时变特征参数的自适应控制器对转子输入电压进行控制，由控制后的转子输入电压决定所述转子位置。
9.一种永磁电机，其特征在于，采用根据权利要求1～7任意一项所述的永磁电机的转子位置控制方法。
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