CN115333418A - 一种永磁同步电机自抗扰电流控制方法、***和存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机自抗扰电流控制方法、***和存储介质，属于永磁电机扰动抑制领域,其中，所述方法包括：根据电流环存在的各种周期和非周期扰动，对电机进行数学建模，建立考虑扰动的永磁同步电机定子电压方程；利用带宽法设计扩张状态观测器，考虑到观测器的带宽受限，扩张状态观测器不能完全观测出电流环中的总扰动。因此，将谐振项加入积分滑模面，构成谐振滑模，利用其设计反馈控制律，对特定谐波和其它扰动进行抑制，提高***抗干扰性能。本发明提高了电流的跟踪性能，进一步有效地降低了电机中的转矩和转速波动，增强控制***的鲁棒性。

Description

一种永磁同步电机自抗扰电流控制方法、***和存储介质

技术领域

本发明涉及永磁电机扰动抑制领域，具体涉及一种永磁同步电机自抗扰电流控制方法、***和存储介质。

背景技术

随着电力电子技术、稀土永磁材料以及电机制造工艺的日益成熟，永磁同步电机成为电机驱动***中最普遍的交流电机，被广泛应用高性能直驱伺服应用场合。但电流环中存在死区效应、磁链谐波、参数变化和未知的扰动，如果采用传统的比例积分(PI)控制，不能对这些扰动做出快速的反应，会进一步影响电机的转速和电机控制精度。

而自抗扰控制技术因对电机数学模型依赖性小，并且能够利用扩张状态观测器实时观测扰动进行补偿得到广泛的应用。虽然扩张状态观测器的带宽越大，提高了观测精度和响应速度，但是会对噪声更敏感；因此，提出一种永磁同步电机自抗扰电流控制方法、***和存储介质。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种永磁同步电机自抗扰电流控制方法在滑模面上加入谐振项，利用其设计反馈控制，一方面能够对特定的谐波进行抑制，另一方面能够对扰动估计值进行补偿，提高了电流的跟踪性能和响应速度。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种永磁同步电机自抗扰电流控制方法，包括：

基于电流环中扰动产生的总误差电压建立考虑扰动的永磁同步电机的定子电压方程；

基于定子电压方程和带宽法构建自抗扰控制器中的扩张状态观测器，并通过扩张状态观测器确定电流环中的扰动估计值；

在积分滑模面上加入谐振项构建谐振滑模反馈控制律，通过谐振滑模反馈控制律对扰动估计值进行补偿并确定自抗扰控制的输出电压。

进一步地，电流环中的扰动包括磁链畸变、死区效应、电机参数变化和未建模的扰动，则等效的电流环的总误差电压表示为：

式中，Δu_d,flux、Δu_q,flux为磁链畸变等效在电流环电压方程的误差电压；Δu_d,dead、Δu_q,dead为死区效应造成的误差电压；Δu_d,para、Δu_q,para为参数变化引起的误差电压；Δu_d,unkonwn、Δu_q,unkonwn为未知扰动产生的误差电压；Δu_d、Δu_q为电流环由于扰动产生的总误差电压。

进一步地，考虑扰动的永磁同步电机定子电压方程表示为：

式中,u_d、u_q、i_d、i_q分别为定子电压和电流的d、q轴的分量；ψ_f为永磁体磁链；R为定子电阻，L_d和L_q分别为d、q轴电感，ω_e为反电势的角频率。

进一步地，基于定子电压方程和带宽法构建自抗扰控制器中的扩张状态观测器，包括以下步骤：

令

可得

式中，b_d＝1/L_d、b_q＝1/L_q，基于龙伯格观测器的形式，则构造的扩张状态观测器可表示为：

式中，z₁是电流i_d和i_q的估计值；z₂是扰动f_d和f_q的估计值；

L₁和L₂是观测器的增益矩阵参数，满足：

式中，ω_d0和ω_q0表示d轴和q轴观测器的带宽。

进一步地，在积分滑模面上加入谐振项构建谐振滑模反馈控制律，通过谐振滑模反馈控制律对扰动估计值进行补偿并确定自抗扰控制的输出电压，包括以下步骤：

定义e_d＝i_dr-i_d、e_q＝i_qr-i_q为d、q轴的电流误差分量，其中i_dr、i_qr为d、q轴的电流参考值，采用矢量控制i_dr＝0，可得到：

将谐振项加入到积分滑模面，则谐振滑模面向量以及微分可表示为

s_dq＝e+C∫e+KHe

s·s_dq＝se+Ce+Hse＝se+Ce+KGe

式中，s_dq＝[s_d s_q]^T，e＝[e_d e_q]^T，∫e＝[∫e_d ∫e_q]^T，

g_d＝sh_d，g_q＝sh_q；

为了满足稳定性条件，可得到：

式中，sgn是符号函数，ε_d、ε_q、η_d、η_q均大于0；

则自抗扰控制的输出电压为：

进一步地，永磁同步电机自抗扰电流控制方法的稳定条件为：

在反馈控制律的作用下，***在有限时间到达滑模面；且在滑模面上，跟踪误差趋近于0。

进一步地，q轴稳定性判断包括以下步骤：

定义李亚普诺夫函数为

可得：

由李亚普函数理论可知，当V≥0并且

***是稳定的；

当ε_q>|z₂-f_q|，s_q可以在有限时间内收敛到0，***是稳定的；

结合滑模面的微分方程，可得：

a₀＝1,a₁＝2ω_c+2kω_c+c,

根据Herwitz稳定判据，得到***特征方程的各阶顺序行列式为

因为***特征方程的各阶顺序行列式都大于0，即在滑模面上，跟踪误差e能够趋近于0。

本发明还公开一种永磁同步电机自抗扰电流控制***，包括以下模块：

误差模块：分析电流环存在的各种扰动，包括磁链畸变、死区效应、电机参数变化以及未建模的扰动，得到等效的由于扰动产生的总误差电压；

扰动估计模块；建立考虑扰动的永磁同步电机在d-q坐标系下的定子电压方程，基于定子电压方程和带宽法构建自抗扰控制器中的扩张状态观测器，并通过扩张状态观测器确定电流环中的扰动估计值；

扰动补偿模块：在积分滑模面上加入谐振项构建谐振滑模反馈控制律，通过谐振滑模反馈控制律对扰动估计值进行补偿；

输出模块：根据扰动估计模块和扰动补偿模块输出自抗扰控制的输出电压。

本发明还公开一种存储介质，其中存储有计算机可执行的程序，所述计算机可执行的程序被处理器执行时用于实现如上述任一项所述的永磁同步电机自抗扰电流控制方法。

本发明还公开一种电子设备,包括：

至少一个存储器，用于存储程序；

至少一个处理器，用于加载所述程序以执行如上述任一项所述的永磁同步电机自抗扰电流控制方法。

本发明的有益效果：

本发明在积分滑模面上加入谐振项，不仅能够提高***的鲁棒性，还能对特定的谐波进行抑制。本发明针对扩张状态观测器的带宽受限的问题，在自抗扰控制的反馈控制律上利用谐振滑模控制，缓解扰动对跟踪性能的影响。本发明能够对电流环存在的各种周期和非周期扰动进行有效抑制，改善了三相电流波形，提高了电流的跟踪性能。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为永磁同步电机矢量控制的原理图；

图2为本申请的基于谐振滑模的自抗扰电流控制原理图；

图3为本申请的自抗扰控制算法下的q轴电流响应和频谱图；

图4为本申请的q轴电流响应和频谱图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

下面结合实施对本发明作进一步说明，图1是永磁同步电机的矢量控制原理图，包括转速环和电流环双闭环控制***。电机的转速环采用PI控制，电流环采用本发明提供的基于谐振滑模的永磁同步电机自抗扰电流控制方法，其具体框图如图2所示，利用扩张状态观测器对谐振滑模设计的反馈控制律实时更新，具体包括以下步骤：

电流环中的扰动一般包括磁链畸变、死区效应、电机参数变化以及未建模的扰动，则等效的电流环总误差电压可表示为

式中，Δu_d,flux、Δu_q,flux为磁链畸变等效在电流环电压方程的电压；Δu_d,dead、Δu_q,dead为死区效应造成的电压分量；并且磁链畸变和死区效应对dq坐标系下的电压方程引入了6次谐波分量。Δu_d,para、Δu_d,para为参数变化引起的电压分量；未知扰动产生的误差电压表示为Δu_d,unkonwn、Δu_q,unkonwn。Δu_d、Δu_q为电流环由于扰动产生的总误差电压。因此，可得到考虑扰动的永磁同步电机定子电压方程：

式中,u_d、u_q、i_d、i_q分别为定子电压和电流的d、q轴的分量；ψ_f为永磁体磁链；R为定子电阻，L_d和L_q分别为d、q轴电感，ω_e为反电势的角频率。

利用带宽法设计扩张状态观测器，设

可得

式中，b_d＝1/L_d、b_q＝1/L_q，借助龙伯格观测器的形式，则构造的扩张状态观测器可表示：

式中，

是电流i_d和i_q的估计值；

是扰动f_d和f_q的估计值；

L₁和L₂是观测器的增益矩阵参数，可设计为：

式中，ω_d0和ω_q0表示d轴和q轴观测器的带宽，当带宽变大时，响应速度和观测精度会提高，但是噪声抑制能力降低，因此需要折中。

设计谐振滑模反馈控制律，由于扩张状态观测器不能完全估计扰动，传统的比例反馈控制律是不能满足控制要求。考虑在反馈控制律上利用滑模控制，提高***鲁棒性，但是仍然对特定的谐波抑制效果不理想。

因此，在积分滑模面上加入了谐振项设计滑模控制：

定义e_d＝i_dr-i_d、e_q＝i_qr-i_q为d、q轴的电流误差分量，其中i_dr、i_qr为d、q轴的电流参考值，采用矢量控制i_dr＝0，可得到：

积分滑模面的设计能够消除***的静态误差，提高控制精度。为了对特定谐波进行抑制，将谐振项加入到积分滑模面，则谐振滑模面向量以及微分可表示为：

式中，s_dq＝[s_d s_q]^T，e＝[e_d e_q]^T，∫e＝[∫e_d ∫e_q]^T，g_d＝sh_d，g_q＝sh_q，

为了实现控制目标，满足稳定性条件，可得到：

式中，sgn是符号函数，ε_d、ε_q、η_d、η_q均大于0。

最终的自抗扰控制输出电压为：

进一步地，为了验证谐振滑模控制的稳定性，需要验证两方面内容。一是，在反馈控制律的作用下，***能够在有限时间到达滑模面，即趋近于0；二是，在滑模面上，跟踪误差e趋近于0。

以q轴稳定性分析为例，定义李亚普诺夫函数为

可得

由李亚普函数理论可知，当V≥0并且

***是稳定的。当ε_q>|z₂-f_q|，s_q可以在有限时间内收敛到0，***是稳定的。结合滑模面的微分方程，可得

a₀＝1,a₁＝2ω_c+2kω_c+c,

根据Herwitz稳定判据，可以得到***特征方程的各阶顺序行列式：

因***特征方程的各阶顺序行列式都大于0，也就是在滑模面上，跟踪误差e能够趋近于0。

本发明相比于现有的永磁同步电机自抗扰电流控制方法，其特点在于反馈控制律上采用谐振滑模控制。一方面，利用带宽法设计扩张状态观测器，实时观测电流环中存在的扰动；另一方面，针对观测器的带宽受限问题，利用滑模控制设计反馈控制律，并在积分滑模面上，加入谐振项，实现对特定谐波的抑制，提高控制***鲁棒性。因此，本发明能够对电流环中存在的各种周期和非周期扰动进行有效抑制，减小稳态误差，提高电流控制精度。

图3展示了q轴给定电流为0.2A，电流环采用自抗扰控制器下的响应结果，从图中可以看出q轴电流波动0.024A，图4为采用了本发明算法，q轴电流波动0.016A，并且根据q轴电流频谱图可知，相比于采用自抗扰控制器算法，本发明算法下电流的6次谐波得到降低，并且低次谐波也得到明显的抑制，说明此发明能够明显提高电流的跟踪性能和扰动抑制性能。

本发明实施例还公开了一种电子设备，该电子设备用于运行数据库存储过程，其中，所述运行数据库存储过程时执行如上述和说明书附图所示公开的一种永磁同步电机自抗扰电流控制方法。

本发明实施例还公开了一种计算机存储介质，所述存储介质包括存储数据库存储过程，其中，在所述数据库存储过程运行时控制所述存储介质所在设备执行如上述和说明书附图所示公开的一种永磁同步电机自抗扰电流控制方法。

在本公开的上下文中，计算机存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行***、装置或设备使用或与指令执行***、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体***、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机自抗扰电流控制方法，其特征在于，包括：

基于电流环中扰动产生的总误差电压建立考虑扰动的永磁同步电机的定子电压方程；

基于定子电压方程和带宽法构建自抗扰控制器中的扩张状态观测器，并通过扩张状态观测器确定电流环中的扰动估计值；

在积分滑模面上加入谐振项构建谐振滑模反馈控制律，通过谐振滑模反馈控制律对扰动估计值进行补偿并确定自抗扰控制的输出电压。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机自抗扰电流控制方法，其特征在于，电流环中的扰动包括磁链畸变、死区效应、电机参数变化和未建模的扰动，则等效的电流环的总误差电压表示为：

式中，Δu_d,flux、Δu_q,flux为磁链畸变等效在电流环电压方程的误差电压；Δu_d,dead、Δu_q,dead为死区效应造成的误差电压；Δu_d,para、Δu_q,para为参数变化引起的误差电压；Δu_d,unkonwn、Δu_q,unkonwn为未知扰动产生的误差电压；Δu_d、Δu_q为电流环由于扰动产生的总误差电压。

3.根据权利要求2所述的永磁同步电机自抗扰电流控制方法，其特征在于，考虑扰动的永磁同步电机定子电压方程表示为：

式中,u_d、u_q、i_d、i_q分别为定子电压和电流的d、q轴的分量；ψ_f为永磁体磁链；R为定子电阻，L_d和L_q分别为d、q轴电感，ω_e为反电势的角频率。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机自抗扰电流控制方法，其特征在于，基于定子电压方程和带宽法构建自抗扰控制器中的扩张状态观测器，包括以下步骤：

令

可得

式中，b_d＝1/L_d、b_q＝1/L_q，基于龙伯格观测器的形式，则构造的扩张状态观测器可表示为：

式中，z₁是电流i_d和i_q的估计值；z₂是扰动f_d和f_q的估计值；

L₁和L₂是观测器的增益矩阵参数，满足：

式中，ω_d0和ω_q0表示d轴和q轴观测器的带宽。

5.根据权利要求4所述的永磁同步电机自抗扰电流控制方法，其特征在于，在积分滑模面上加入谐振项构建谐振滑模反馈控制律，通过谐振滑模反馈控制律对扰动估计值进行补偿并确定自抗扰控制的输出电压，包括以下步骤：

定义e_d＝i_dr-i_d、e_q＝i_qr-i_q为d、q轴的电流误差分量，其中i_dr、i_qr为d、q轴的电流参考值，采用矢量控制i_dr＝0，可得到：

将谐振项加入到积分滑模面，则谐振滑模面向量以及微分可表示为

s_dq＝e+C∫e+KHe

s·s_dq＝se+Ce+Hse＝se+Ce+KGe

式中，s_dq＝[s_d s_q]^T，e＝[e_d e_q]^T，∫e＝[∫e_d ∫e_q]^T，

g_d＝sh_d，g_q＝sh_q；

为了满足稳定性条件，可得到：

式中，sgn是符号函数，ε_d、ε_q、η_d、η_q均大于0；

则自抗扰控制的输出电压为：

6.根据权利要求1所述的永磁同步电机自抗扰电流控制方法，其特征在于，永磁同步电机自抗扰电流控制方法的稳定条件为：

在反馈控制律的作用下，***在有限时间到达滑模面；且在滑模面上，跟踪误差趋近于0。

7.根据权利要求5所述的永磁同步电机自抗扰电流控制方法，其特征在于，q轴稳定性判断包括以下步骤：

定义李亚普诺夫函数为

可得：

由李亚普函数理论可知，当V≥0并且

***是稳定的；

当ε_q>|z₂-f_q|，s_q可以在有限时间内收敛到0，***是稳定的；

结合滑模面的微分方程，可得：

a₀＝1,a₁＝2ω_c+2kω_c+c,

根据Herwitz稳定判据，得到***特征方程的各阶顺序行列式为

因为***特征方程的各阶顺序行列式都大于0，即在滑模面上，跟踪误差e能够趋近于0。

8.一种永磁同步电机自抗扰电流控制***，其特征在于，包括以下模块：

误差模块：分析电流环存在的各种扰动，包括磁链畸变、死区效应、电机参数变化以及未建模的扰动，得到等效的由于扰动产生的总误差电压；

扰动估计模块；建立考虑扰动的永磁同步电机在d-q坐标系下的定子电压方程，基于定子电压方程和带宽法构建自抗扰控制器中的扩张状态观测器，并通过扩张状态观测器确定电流环中的扰动估计值；

扰动补偿模块：在积分滑模面上加入谐振项构建谐振滑模反馈控制律，通过谐振滑模反馈控制律对扰动估计值进行补偿；

输出模块：根据扰动估计模块和扰动补偿模块输出自抗扰控制的输出电压。

9.一种存储介质，其特征在于，其中存储有计算机可执行的程序，所述计算机可执行的程序被处理器执行时用于实现如权利要求1-7任一项所述的永磁同步电机自抗扰电流控制方法。

10.一种电子设备，其特征在于,包括：

至少一个存储器，用于存储程序；

至少一个处理器，用于加载所述程序以执行如权利要求1-7任一项所述的永磁同步电机自抗扰电流控制方法。

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