CN116094383A - 永磁同步电机时变非线性扰动观测器及电流约束控制方法 - Google Patents

Abstract

永磁同步电机时变非线性扰动观测器及电流约束控制方法涉及永磁同步电机控制方法技术领域，该方法采用非级联控制结构实现控制设计简单和参数调整简单，采用时变非线性扰动观测器实现对扰动的精确观测和降低不匹配扰动和初始估计峰值过高对***的影响，采用基于积分滑模的永磁同步电机转速控制器解决了PI控制器应用在非级联结构存在***鲁棒性差和电流超限的问题。本发明控制***结构简单，易于实现，鲁棒性强，控制***设计参数较少，具有转速响应速度快和转速脉动较小的优点，在抑制电流初始峰值的同时保证了***的鲁棒性，有效的改善了***的动静态特性。

Description

永磁同步电机时变非线性扰动观测器及电流约束控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制方法技术领域，具体涉及一种永磁同步电机的时变非线性扰动观测器和电流约束积分滑模控制方法。

背景技术

目前，永磁同步电机相比较其他电机，具有较高的功率密度、功率因数及峰值效率等优势。永磁同步电机被广泛应用于电动汽车驱动***、工业机器人、航空航天等领域。传统永磁同步电机双闭环***结构复杂，且多环限制***动态性能。因此，采用非级联结构可以实现控制设计简单(电流、转速同时控制)和参数调整简单；然而，该结构存在不匹配扰动和电流超限的问题，影响***动态性能。电流超限不仅会损坏硬件，还会增加不必要的能量损耗。因此，开展同时兼顾电流约束及调速***动态性能的控制算法研究具有重要意义。

永磁同步电机控制***中不匹配扰动是由参数扰动和负载转矩组成的，并通过不同控制输入通道影响***。为了抑制不匹配扰动，利用观测器技术可以提高观测的扰动信号，进而改善扰动响应，增强***动态性能。常用的观测器有如下几种：非线性扰动观测器、滑模扰动观测器、扩展状态观测器、自抗扰观测器等。其中非线性扰动观测器以其估计精度高，设计简单被广泛应用于永磁同步电机控制***。然而，非线性扰动观测器中存在过高的初始峰值估计，该问题未被很好的解决。

针对电流超限及***鲁棒性问题，现有预测控制、设置电流上限、状态依赖的黎卡提方程等控制方法。预测控制可以将控制设计问题转化为优化问题，有效预测和约束电流幅值，并提高电流控制精度，但是这种约束方式是间接的；通过设置电流上限的方式可直接解决电流超限问题，然而，这将会降低***的动态特性；状态依赖的黎卡提方程可以满足约束最大电流幅值，但是该方法计算量巨大。针对永磁同步电机调速***高精度控制需求，传统的PID控制不能很好的保证永磁同步电机动静态性能。与其他控制方法相比，滑模控制具体滑动模态式独立设计，且不受参数摄动及外界扰动影响的优点。其中，积分滑模可以通过设置积分初值，使得状态变量快速达到滑模面。由于在平衡点附近加速收敛，滑动模态是可设计的，且与***的参数变化及外部扰动无关，因此积分滑模理论特别适用于高精度的控制，并且在实际工程中逐渐得到了推广和应用。

发明内容

为了解决传统永磁同步电机双闭环***结构复杂、非线性扰动观测器初始峰值估计较大、永磁同步电机电流超限和参数摄动及负载引发的不匹配扰动的技术问题，本发明提供一种永磁同步电机时变非线性扰动观测器及电流约束控制方法。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

永磁同步电机时变非线性扰动观测器及电流约束控制方法，其包括如下步骤：

步骤一、通过信号检测电路检测到PMSM(永磁同步电机)的三相定子电流i_a、i_b、i_c，三相定子电流i_a、i_b、i_c经过三相静止变两相静止坐标系模块、两相静止变两相旋转坐标系模块以及转速和转子位置传感器得到的电机转子位置角度θ共同计算得到d轴电流i_d、q轴电流i_q；

步骤二、将转速和转子位置传感器得到的转速ω与给定转速ω^*的差值x₁、步骤一中得到的i_q、时变非线性扰动观测器计算的扰动估计值

和ω^*作为积分滑模转速外环控制器的输入，积分滑模转速外环控制器的输出x₂和差值x₁作为时变非线性扰动观测器的输入，积分滑模转速外环控制器的输出q轴电压u_q作为两相旋转变两相静止坐标系模块的输入；

步骤三、矢量控制中给定

与步骤一中得到的i_d的差值经过d轴电流内环控制器(PI电流控制器)计算得到d轴电压u_d；

步骤四、将步骤二和步骤三中得到的u_d、u_q经过两相旋转变两相静止坐标系模块计算得到电压分量u_α、u_β，将u_α、u_β作为SVPWM(电压空间矢量脉宽调制)模块的输入，并选择相应的电压空间矢量，实现对永磁同步电机积分滑模和时变非线性扰动观测器的控制。

本发明的有益效果如下：

1)本发明采用非级联控制结构替代了传统的双闭环控制结构，非级联结构可以实现控制设计简单(电流、转速同时控制)和参数调整简单。

2)针对不匹配扰动和传统非线性扰动观测器初始估计峰值过高的问题，本发明提出一种时变非线性扰动观测器，以实现对扰动的精确观测和降低初始估计峰值过高对***的影响。该时变非线性扰动观测器的优势在于设计参数少，便于实现，并极大的削弱了初始估计峰值。

3)针对PI控制器应用在该非级联结构存在***鲁棒性差和电流超限的问题，本发明提出一种基于积分滑模的永磁同步电机转速控制器。该积分滑模面的特点是引入不匹配扰动的估计值和一个关键非线性项，依靠非线性项的自适应性，使q轴电流限制在一定范围。特别地，该积分滑模控制策略可实现电流约束的效果，同时不影响***的鲁棒性。

4)相比于其他非级联控制***，本发明控制***结构简单，易于实现，鲁棒性强，控制***设计参数较少，具有转速响应速度快和转速脉动较小的优点，在抑制电流初始峰值的同时保证了***的鲁棒性，有效的改善了***的动静态特性。

附图说明

图1是本发明的永磁同步电机***结构框图。

图中：1、逆变器，2、永磁同步电机，3、信号检测电路，4、控制电路，5、积分滑模转速外环控制器，6、d轴电流内环控制器，7、两相旋转变两相静止坐标系模块，8、SVPWM模块，9、时变非线性扰动观测器，10、两相静止变两相旋转坐标系模块，11、三相静止变两相静止坐标系模块，12、转速和转子位置传感器，13、主电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的永磁同步电机时变非线性扰动观测器及电流约束控制方法包括主电路13、控制电路4和信号检测电路3，其中主电路包括逆变器1，永磁同步电机2；控制电路4中的模块5到模块12均由控制算法实现。具体实施步骤如下：

步骤一、通过信号检测电路3检测到永磁同步电机PMSM2的三相定子电流i_a、i_b、i_c，三相定子电流i_a、i_b、i_c经过三相静止变两相静止坐标系模块11、两相静止变两相旋转坐标系模块10以及转速和转子位置传感器12得到的电机转子位置角度θ共同计算得到d轴电流i_d、q轴电流i_q。

具体算法如下：

1)三相静止变两相静止坐标系模块11的算法如下：

2)两相静止变两相旋转坐标系模块10的算法如下：

上述公式中，i_α、i_β分别为α轴电流、β轴电流。

步骤二、转速和转子位置传感器模块12采用基于主动控制的转子位置观测器方法取代传统的机械式转子位置检测传感器，将转速和转子位置传感器12得到的转速ω与给定转速ω^*的差值x₁、步骤一中得到的i_q和时变非线性扰动观测器9计算的扰动估计值

和ω^*作为积分滑模转速外环控制器5的输入。积分滑模转速外环控制器5的输出x₂和上述差值x₁作为时变非线性扰动观测器9的输入，积分滑模转速外环控制器5的输出q轴电压u_q作为两相旋转变两相静止坐标系模块7的输入。

具体算法如下：

1)时变非线性扰动观测器9的算法如下：

建立永磁同步电机数学模型：

T_e＝n_p[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q]                  (4)

上述公式中，u_d为d轴电压，R为定子电阻，L_d、L_q分别为d、q轴定子电感，n_p为电机的极对数，ω为转速，T_e为电机的电磁转矩，T_L为电机施加的外部转矩，ψ_f为转子磁链，J为转动惯量，B为黏性系数。

将式(3)改写为：

设置d轴参考电流

以获得最大转矩电流比。本文以表贴式永磁同步电机为研究对象(L_d＝L_q＝L)，因此可以得到以下方程：

假设i_q以常数a＞0为安全值，一般电机所能承受电流通常选择安全值的2～3倍。

令：x₁＝ω^*-ω，x₂＝n_pψ_fi_q+Bω^*，ω^*为给定转速。

根据永磁同步电机数学模型，推导如下控制模型：

其中d＝T_L，

由于控制模型(8)中存在扰动，因此需要估计式(8)中的扰动及其导数。设计扰动观测器式(9)和式(10)来估计扰动d和扰动的导数

其中假设扰动d(t)是连续的，满足

j＝0,1,2，β₁＞0。

其中，

和

分别是d和

的估计值，p₁₁和p₁₂为观测器辅助变量，l₁₁和l₁₂为观测器增益系数，β₁和β₂为正常数。

2)积分滑模转速外环控制器5的算法如下：

定义如下积分滑模面：

***控制律设计为：

上式中k₁,k₂,c₁,c₂,p,a分别为控制器参数，其中k₁＞0，k₂＞0，它们影响滑模控制的抖振和趋近速率；p为惩罚函数，p＞0；a为i_q电流边界值，

c₁，c₂为滑模参数，它们确定了轨迹误差的衰减率和滑模动力学控制带宽。

步骤三、矢量控制中给定

与步骤一中得到的i_d的差值经过d轴电流内环控制器(PI电流控制器)6计算得到d轴电压u_d。

具体算法如下：

d轴电流内环控制器6的算法如下：

其中K_pq、K_Iq分别为待设计电流环控制器的比例系数和积分系数。

步骤四、将步骤二和步骤三中得到的u_d、u_q经过两相旋转变两相静止坐标系模块7计算得到电压分量u_α、u_β，将u_α、u_β作为SVPWM模块8的输入，并选择相应的电压空间矢量，实现对永磁同步电机积分滑模和时变非线性扰动观测器的控制。

具体算法如下：

两相旋转变两相静止坐标系模块7的具体算法如下：

Claims (5)

1.永磁同步电机时变非线性扰动观测器及电流约束控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一、通过信号检测电路(3)检测到PMSM(2)的三相定子电流i_a、i_b、i_c，三相定子电流i_a、i_b、i_c经过三相静止变两相静止坐标系模块(11)、两相静止变两相旋转坐标系模块(10)以及转速和转子位置传感器(12)得到的电机转子位置角度θ共同计算得到d轴电流i_d、q轴电流i_q；

步骤二、将转速和转子位置传感器(12)得到的转速ω与给定转速ω^*的差值x₁、步骤一中得到的i_q、时变非线性扰动观测器(9)计算的扰动估计值

和ω^*作为积分滑模转速外环控制器(5)的输入，积分滑模转速外环控制器(5)的输出x₂和上述差值x₁作为时变非线性扰动观测器(9)的输入，积分滑模转速外环控制器(5)的输出q轴电压u_q作为两相旋转变两相静止坐标系模块(7)的输入；

步骤三、矢量控制中给定

与步骤一中得到的i_d的差值经过d轴电流内环控制器(6)计算得到d轴电压u_d；

步骤四、将步骤二和步骤三中得到的u_d、u_q经过两相旋转变两相静止坐标系模块(7)计算得到电压分量u_α、u_β，将u_α、u_β作为SVPWM模块(8)的输入，并选择相应的电压空间矢量，实现对永磁同步电机积分滑模和时变非线性扰动观测器的控制。

2.如权利要求1所述的永磁同步电机时变非线性扰动观测器及电流约束控制方法，其特征在于，所述步骤一的算法如下：

1)三相静止变两相静止坐标系模块(11)的算法如下：

2)两相静止变两相旋转坐标系模块(10)的算法如下：

上述公式中，i_α、i_β分别为α轴电流、β轴电流。

3.如权利要求1所述的永磁同步电机时变非线性扰动观测器及电流约束控制方法，其特征在于，所述步骤二的算法如下：

1)时变非线性扰动观测器(9)的算法如下：

建立永磁同步电机数学模型：

T_e＝n_p[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q]                  (4)

上述公式中，u_d为d轴电压，R为定子电阻，L_d、L_q分别为d、q轴定子电感，n_p为电机的极对数，ω为转速，T_e为电机的电磁转矩，T_L为电机施加的外部转矩，ψ_f为转子磁链，J为转动惯量，B为黏性系数；

将式(3)改写为：

设置d轴参考电流

以表贴式永磁同步电机为研究对象(L_d＝L_q＝L)，可以得到以下方程：

假设i_q以常数a＞0为安全值，电机所能承受电流通常选择安全值的2～3倍；

令：x₁＝ω^*-ω，x₂＝n_pψ_fi_q+Bω^*，ω^*为给定转速；

根据永磁同步电机数学模型，推导如下控制模型：

式中，d＝T_L，

设计扰动观测器式(9)和式(10)来估计扰动d和扰动的导数

其中假设扰动d(t)是连续的，满足

j＝0,1,2，β₁＞0；

式中，

和

分别是d和

的估计值，p₁₁和p₁₂为观测器辅助变量，l₁₁和l₁₂为观测器增益系数，β₁和β₂为正常数；

2)积分滑模转速外环控制器(5)的算法如下：

定义如下积分滑模面：

***控制律设计为：

上式中，k₁,k₂,c₁,c₂,p,a分别为控制器参数，其中k₁＞0，k₂＞0；p为惩罚函数，p＞0；a为i_q电流边界值，

c₁，c₂为滑模参数。

4.如权利要求1所述的永磁同步电机时变非线性扰动观测器及电流约束控制方法，其特征在于，所述步骤三中的d轴电流内环控制器(6)的算法如下：

式中，K_pq、K_Iq分别为待设计电流环控制器的比例系数和积分系数。

5.如权利要求1所述的永磁同步电机时变非线性扰动观测器及电流约束控制方法，其特征在于，所述步骤四的算法如下：

两相旋转变两相静止坐标系模块(7)的具体算法如下：

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