CN117914204A - 一种基于改进型扩张状态观测器的永磁同步电机自抗扰控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于改进型扩张状态观测器的永磁同步电机自抗扰控制方法，属于永磁同步电机控制领域，包括：对转速环的总扰动进行建模，构建以转速和总扰动为状态变量的状态方程，并扩张扰动微分项为一个全新的状态变量；搭建改进型三阶扩张状态观测器，根据转速实测值和估计值的误差，通过观测器对扰动及扰动微分项进行多重观测，得到更精确的扰动估计值，用来补偿总扰动；根据转速实测值与指令值的误差，通过误差反馈控制率算出初始电流指令值，再通过扰动补偿得到参考电流指令值；通过电流控制器和空间矢量调制模块控制逆变器输出。相较于传统控制方法，本发明在电机转速无超调、无静差的同时，加快了***的动态响应速度，保证***噪声抑制能力不变的情况下，大幅提高了***扰动抑制能力。
Description
技术领域
本发明公开了一种基于改进型扩张状态观测器的永磁同步电机自抗扰控制方法，属于永磁同步电机控制领域。
背景技术
永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)具有体积小、功率密度高、效率高、结构简单、噪音低及动态响应快等优点，近年来被广泛应用于诸多领域，特别是在对电机性能要求较高、运行可靠性要求较强的场合，如全电飞机、电动汽车等。典型的永磁同步电机控制***拓扑由外环转速环和内环电流环组成，转速环根据转速指令和转速反馈值计算出电流内环的电流指令，因此转速环控制性能的好坏直接决定了电机的调速性能。
目前，各类先进控制策略大多都对电机参数有着不同程度的依赖，为达到良好的动静态性能，传统的比例积分控制(proportional integral，PI)也需要借助电机参数来计算比例和积分增益。而在复杂运行工况下，永磁同步电机驱动***难以避免参数频繁变化的问题，影响***综合运行性能，难以满足高性能要求。
随着现代控制理论的应用以及数字控制器的快速发展，自抗扰控制(activedisturbance reiection control，ADRC)以其动态响应快、抗扰性高、可靠性好、不依赖模型等优点，在电机控制领域得到了广泛地研究。而扩张状态观测器(extended stateobserver，ESO)是自抗扰控制的核心，观测器的带宽影响了***的性能，当观测器带宽增大时，***在低频段的扰动抑制能力会提升，但是同时也会带来***在高频段的噪声抑制能力降低等一系列问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于改进型扩张状态观测器的永磁同步电机自抗扰控制方法，将扰动微分项扩张为全新的状态变量，对扰动及扰动微分项进行多重观测，得到更精确的扰动估计值，在不削弱***噪声抑制能力的同时大幅提高***的扰动抑制能力，实现更快更稳的永磁同步电机转速环控制。
本发明为实现上述目的采用了如下的技术方案：
一种基于改进型扩张状态观测器的永磁同步电机自抗扰控制方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1)，根据所述永磁同步电机的转矩方程和机械运动方程，以电机转子转速ω为状态变量x1，对永磁同步电机总扰动进行建模，将内外扰动视为一个整体，将总扰动f定义为状态变量x2，在此基础上，将扰动的微分项扩张为新的状态变量x3，建立三阶状态方程；
步骤2)，根据三阶状态方程搭建改进型三阶扩张状态观测器，z1为状态变量x1的观测值，z2为状态变量x2的观测值，z3为状态变量x3的观测值，对扰动及扰动的微分项进行多重观测，更准确地估计总扰动量，经扰动计算输出扰动补偿值z2；
步骤3)，设计线性误差反馈控制律，将电机实际转速ω与给定转速ω*之间的误差输入线性误差反馈控制律得到初始电流指令值再将改进型线性扩张状态观测器估计得到的总扰动量进行反馈补偿，得到参考电流指令值/>
步骤4)，根据参考电流指令值结合/>控制，通过电流控制器输出电压ud和uq，依次通过坐标变化和空间矢量脉宽调制算法SVPWM处理后生成逆变器的六路开关信号控制逆变器，进而通过逆变器驱动永磁同步电机正常工作，实现永磁同步电机的闭环反馈控制。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)优化了永磁同步电机的瞬态性能，具有更快的响应速度和更小的超调量；
(2)改进型线性扩张状态观测器将状态方程扩张为三阶，能抵抗更复杂形式的扰动；
(3)在保证***噪声抑制能力一定的同时大幅提高***的扰动抑制能力；
(4)保持了***强鲁棒性，所需要的模型参数少，受电机参数变化影响小，参数配置简单，控制灵活。
附图说明
图1是基于改进型扩张状态观测器的永磁同步电机自抗扰控制***结构图。
图2是改进型自抗扰控制具体结构框图。
图3是传统ESO与本发明提出的改进型ESO在低频段对扰动的传递函数伯德图对比。
图4是传统ESO与本发明提出的改进型ESO在高频段对噪声的传递函数伯德图对比。
图5是电机在阶跃型负载扰动下，采用传统PI控制、传统ADRC控制及本发明所提出基于MESO的ADRC控制的转速波形仿真图对比。
图6是电机在斜坡型负载扰动下，采用传统PI控制、传统ADRC控制及本发明所提出基于MESO的ADRC控制的转速波形仿真图对比。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明公开了一种基于改进型扩张状态观测器的永磁同步电机自抗扰控制方法，如图1所示。具体按照以下步骤实施：
步骤1)，根据所述永磁同步电机的转矩方程和机械运动方程，以电机转子转速ω为状态变量x1，对永磁同步电机总扰动进行建模，将内外扰动视为一个整体，将总扰动f定义为状态变量x2，在此基础上，将扰动的微分项扩张为新的状态变量x3，建立三阶状态方程。
具体地，表贴式永磁同步电机转矩方程和机械运动方程为：
式中，P为极对数；ω为机械角速度；ψf为磁链；iq为q轴电流；Te为电磁转矩；TL为负载转矩；J为转动惯量；Ba为阻尼系数；f0为***中其他扰动。
根据上述方程构建转速ω为状态变量的一阶状态方程：
将***中内扰和外扰定义为总扰动f，表达式为：
以电机转子转速ω为状态变量x1，将总扰动f定义为状态变量x2，并将扰动的微分项扩张为新的状态变量x3，建立三阶状态方程：
式中，y为***输出，即转速ω；u为控制量，即给定电流b为状态方程参数，并满足/>
步骤2)，根据三阶状态方程搭建改进型三阶扩张状态观测器，z1为状态变量x1的观测值，z2为状态变量x2的观测值，z3为状态变量x3的观测值，对扰动及扰动的微分项进行多重观测，更准确地估计总扰动量，经扰动计算输出扰动补偿值z2。
具体地，传统二阶扩张状态观测器(ESO)结构为：
式中，e是ESO的状态观测误差；z1是状态变量x1的观测值，即转速ω的观测值；z2是状态变量x2的观测值，即扰动f观测值；b0是参数b的估计值；h1、h2是ESO的增益系数。
根据带宽法配置观测器增益系数：h1＝2ω0，ω0是观测器带宽，观测器ω0越大，***的扰动抑制能力越强，但同时***的噪声会变大。
进一步地，搭建本发明提出的改进型的三阶扩张状态观测器(MESO)，结构为：
式中，e是MESO的状态观测误差；z1是状态变量x1的观测值，即转速ω的观测值；z2是状态变量x2的观测值，即扰动f观测值；z3是状态变量x3的观测值；b0是参数b的估计值；h1、h2、h3是MESO的增益系数，根据带宽法配置改进型观测器增益系数：h1＝3ω0， ω0是观测器带宽。
MESO的特征方程为λ(s)＝s3+h1s2+h2s+h3，当满足h1＝3ω0，时，只要ω0＞0，特征方程的根都在复平面左侧，***是稳定的。
根据观测器扰动计算方法，输出总扰动估计值z2，具体结构图如图2所示。
步骤3)，设计线性误差反馈控制律，将电机实际转速ω与给定转速ω*之间的误差输入线性误差反馈控制律得到初始电流指令值再将改进型线性扩张状态观测器估计得到的总扰动量进行反馈补偿，得到参考电流指令值/>
具体地，将转速实测值与给定值进行误差反馈，通过线性误差反馈控制律计算，得到初始电流给定值
式中，kp是控制器增益系数。
再将步骤2)所得扰动补偿值z2补偿到初始电流指令值得到参考电流指令值/>
步骤4)，根据参考电流指令值结合/>控制，通过电流控制器输出电压ud和uq，依次通过坐标变化和空间矢量脉宽调制算法SVPWM处理后生成逆变器的六路开关信号控制逆变器，进而通过逆变器驱动永磁同步电机正常工作，实现永磁同步电机的闭环反馈控制。
进一步地，为展现本发明所提出的MESO的优越性能，采用频域分析法，针对MESO和ESO的性能进行比较分析：
首先，对噪声和扰动抑制能力进行分析：
针对传统ESO结构，结合自动控制原理得到观测器对扰动和噪声的传递函数为：
同理，对本发明提出的扩张扰动微分项的MESO结构，写出观测器对扰动和噪声的传递函数为：
对扰动和噪声分别进行伯德图绘制，图3是传统ESO与本发明提出的MESO在低频段对扰动的传递函数伯德图对比，可以看出，MESO在低频段对扰动的抑制能力大大提高；图4是传统ESO与本发明提出的MESO在高频段对噪声的传递函数伯德图对比，可以看出，在高频段对噪声抑制能力几乎没有削弱。
对观测器的扰动估计误差进行分析：
考虑阶跃扰动和斜坡扰动，可以写成以下形式：
式中，U(s)为阶跃扰动；ku为阶跃扰动增益；R(s)为斜坡扰动；kr为斜坡扰动增益。
观测器的扰动估计误差表示为：
e(s)＝z2(s)-f(s)
写出传统ESO的扰动估计表达式，并分析在阶跃扰动和斜坡扰动情况下的估计误差：
可见，传统ESO能对阶跃扰动进行较好的估计，但对斜坡扰动估计始终存在一定的误差。
对本发明提出的MESO进行同样的分析，可得：
可见，MESO对阶跃扰动和斜坡扰动都能进行很好的估计，抗扰性能增强。
进一步地，为了验证本发明所提出基于MESO的ADRC控制方法的优越性能，进行仿真验证，设置电机给定转速1000r·min-1，kp＝0.2，ki＝80，ω0＝1000。
0.08s突加阶跃负载，如图5所示是本发明所提出基于MESO的ADRC控制与传统ADRC控制、传统PI控制的转速结果对比图，可以看出，电机在转速启动阶段，本发明提出的基于MESO的ADRC控制和传统ADRC控制没有超调，而传统PI控制有2.7％的超调量；当加载时，转速波动量和调节时间均是本发明所提出基于MESO的ADRC控制优于传统ADRC控制优于传统PI控制。
0.08s突加斜坡负载，如图6所示是本发明所提出基于MESO的ADRC控制与传统ADRC控制、传统PI控制的转速结果对比图，从图中可以看出，加载时，本发明所提出基于MESO的ADRC控制能准确跟踪给定转速，而传统ADRC控制和传统PI控制均无法抑制扰动，不能跟踪给定转速。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于改进型扩张状态观测器的永磁同步电机自抗扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)，根据所述永磁同步电机的转矩方程和机械运动方程，以电机转子转速ω为状态变量x1，对永磁同步电机总扰动进行建模，将内外扰动视为一个整体，将总扰动f定义为状态变量x2，在此基础上，将扰动的微分项扩张为新的状态变量x3，建立三阶状态方程；
步骤2)，根据三阶状态方程搭建改进型三阶扩张状态观测器，z1为状态变量x1的观测值，z2为状态变量x2的观测值，z3为状态变量x3的观测值，对扰动及扰动的微分项进行多重观测，更准确地估计总扰动量，经扰动计算输出扰动补偿值z2；
步骤3)，设计线性误差反馈控制律，将电机实际转速ω与给定转速ω*之间的误差输入线性误差反馈控制律得到初始电流指令值再将改进型线性扩张状态观测器估计得到的总扰动量进行反馈补偿，得到参考电流指令值/>
步骤4)，根据参考电流指令值结合/>控制，通过电流控制器输出电压ud和uq，依次通过坐标变化和空间矢量脉宽调制算法SVPWM处理后生成逆变器的六路开关信号控制逆变器，进而通过逆变器驱动永磁同步电机正常工作，实现永磁同步电机的闭环反馈控制。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机改进型自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤1中表贴式永磁同步电机转矩方程和机械运动方程为：
式中，P为极对数；ω为机械角速度；ψf为磁链；iq为q轴电流；Te为电磁转矩；TL为负载转矩；J为转动惯量；Ba为阻尼系数；f0为***中其他扰动。
以电机转子转速ω为状态变量x1，将总扰动f定义为状态变量x2，并将扰动的微分项扩张为新的状态变量x3，建立三阶状态方程：
式中，y为***输出，即转速ω；u为控制量，即给定电流b为状态方程参数，满足
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机改进型自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤2中改进型的三阶扩张状态观测器(MESO)，结构为：
式中，e是MESO的状态观测误差；z1是状态变量x1的观测值，即转速ω的观测值；z2是状态变量x2的观测值，即扰动f观测值；z3是状态变量x3的观测值；b0是参数b的估计值；h1、h2、h3是MESO的增益系数，根据带宽法配置改进型观测器增益系数：h1＝3ω0， ω0是观测器带宽。
4.根据权利要求1所述的永磁同步电机改进型自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤3中将转速实测值与给定值进行误差反馈，通过线性误差反馈控制律计算，得到初始电流给定值
式中，kp是控制器增益系数
再将所得扰动补偿值z2补偿到初始电流指令值得到参考电流指令值/> 。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117997208A (zh) * | 2024-04-03 | 2024-05-07 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种永磁同步电机的转速估计方法、装置、电子设备和存储介质 |
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2024
- 2024-01-16 CN CN202410063354.4A patent/CN117914204A/zh active Pending
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| CN117997208A (zh) * | 2024-04-03 | 2024-05-07 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种永磁同步电机的转速估计方法、装置、电子设备和存储介质 |
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