一种永磁同步电机的控制方法及装置
阅读说明：本技术 一种永磁同步电机的控制方法及装置 (Control method and device for permanent magnet synchronous motor ) 是由 刘开欣 宋墩文 于明 杨学涛 李铮 郁舒雁 许鹏飞 陈勇 刘英志 郅治 位士全 于 2020-04-15 设计创作，主要内容包括：本申请提供一种基于自抗扰控制与负载转矩前馈补偿的永磁同步电机的控制方法及装置,通过自抗扰控制的三大模块：非线性TD、线性ESO和比例误差反馈控制和在传统电流环的基础上加入负载转矩前馈补偿,建立永磁同步电机的控制系统对永磁同步电机进行控制,解决了现有技术对负载转矩观测精度的要求高,算法复杂,运算量较大,不利于控制的实时性的问题。(The application provides a control method and a device of a permanent magnet synchronous motor based on active disturbance rejection control and load torque feedforward compensation, which are characterized in that the method comprises the following three modules of active disturbance rejection control: nonlinear TD, linear ESO and proportional error feedback control, and load torque feedforward compensation are added on the basis of the traditional current loop, a control system of the permanent magnet synchronous motor is established to control the permanent magnet synchronous motor, and the problems that the requirement on load torque observation precision is high, the algorithm is complex, the calculation amount is large, and the real-time performance of control is not facilitated in the prior art are solved.)
技术领域
本申请涉及永磁同步电机控制算法领域，具体涉及一种基于ADRC与负载转矩前馈补偿的永磁同步电机的控制方法，同时涉及一种基于ADRC与负载转矩前馈补偿的永磁同步电机的控制装置。
背景技术
永磁同步电机(PMSM)具有诸多优点，被广泛应用于伺服运动控制系统中，其调速方式主要有恒压频比(V/F)调速、直接转矩(DTC)调速和磁场定向矢量控制(FOC)，其中FOC是高性能高精度运动控制系统的主流。
传统的永磁同步电机矢量调速系统采用内环电流环，外环速度环的双闭环控制，且速度调节器和电流调节器均采用PI控制，但传统PI控制会引起速度快速性与超调性无法协调的矛盾，同时积分环节会使矢量控制系统反应迟钝从而导致系统震荡不稳定。
鉴于传统PI(比例积分控制)控制存在的一系列问题，自抗扰控制(ADRC)作为一种改进非线性控制算法，采用扩张状态观测器(ESO)对系统内外综合干扰量进行观测并进行补偿，很好地提高了系统鲁棒性和抗干扰能力，有效解决传统PI控制器存在的一系列问题。但现有研究方法中都存在着应对大扰动的能力稍显不足的问题。针对传统自抗扰控制器的ESO观测精度受干扰量大小影响，干扰量过大会加大ESO的观测负担，降低观测精度，从而弱化了ADRC的抗干扰能力，对此提出了辨识补偿自抗扰控制器，对电机的转动惯量和负载转矩进行辨识并补偿给ESO，减少了ESO的干扰观测量，但是该方法算法复杂，运算量较大，不利于控制的实时性。
发明内容
本申请提供一种基于自抗扰控制与负载转矩前馈补偿的永磁同步电机的控制方法及装置，解决现有技术对负载转矩观测精度的要求高，算法复杂，运算量较大，不利于控制的实时性的问题。
本申请提供一种永磁同步电机的控制方法，包括：
建立一阶自抗扰控制器数学模型的标准形式；
建立包含磁路不饱和的表贴式永磁同步电机的数学模型；
基于非线性微分跟踪器和线性化扩张状态观测器，获取一阶简化自抗扰速度控制器数学模型；
在传统电流环的基础上，加入负载转矩前馈补偿，建立基于自抗扰控制与负载转矩前馈补偿控制的永磁同步电机的控制系统对永磁同步电机的控制。
优选的，建立一阶自抗扰控制器数学模型的标准形式，包括：建立一阶跟踪微分器TD、二阶扩张状态观测器，以及状态误差反馈控制律NLSEF，其中，一阶跟踪微分器TD为，
二阶扩张状态观测器为，
状态误差反馈控制律NLSEF为，
式中，z11为给定参考信号，v为输入信号，z21为系统状态量的跟踪值，z22为系统综合扰动观测值，x为输出信号，[β01,β02]为状态观测器各阶增益系数，r是TD跟踪快慢因子，b0是控制量估测增益，fal(·)是非线性函数，形式如下：
上式中，α为非线性因子，δ线性区间宽度。
优选的，建立包含磁路不饱和的表贴式永磁同步电机的数学模型，所述数据模型如下，
式中：R、LS分别表示电机的定子电阻、d-q坐标系下的电感分量；iq分别是定子电流q轴分量；是永磁体磁链；wm、TL分别是电机机械角速度、负载转矩；J、B分别是电机的转动惯量、阻尼系数；pn是电机的极对数。
优选的，基于非线性微分跟踪器和线性化扩张状态观测器，获取一阶简化自抗扰速度控制器数学模型，包括：
根据一阶非线性微分跟踪器TD和线性化二阶扩张状态观测器ESO，建立比例误差反馈控制律作为一阶简化自抗扰速度控制器数学模型；所述一阶非线性微分跟踪器TD为，
线性化二阶扩张状态观测器ESO为，
比例误差反馈控制律为，
式中，z11为给定参考信号，w为输入信号，z21为系统状态量的跟踪值，z22为系统综合扰动观测值，[β01,β02]为状态观测器各阶增益系数，r是TD跟踪快慢因子，b0是控制量估测增益，fal(·)是非线性函数，形式如下：
上式中，α为非线性因子，δ线性区间宽度。
优选的，在传统电流环的基础上，加入负载转矩前馈补偿，建立基于自抗扰控制与负载转矩前馈补偿控制的永磁同步电机的控制系统对永磁同步电机的控制，包括：
使用负载转矩观测器获取永磁同步电机的负载转矩前馈补偿；
建立基于自抗扰控制与负载转矩前馈补偿控制的永磁同步电机的控制系统对永磁同步电机的控制。
本申请同时提供一种永磁同步电机的控制装置，包括：
自抗扰控制器数学模型建立单元，用于建立一阶自抗扰控制器数学模型的标准形式；
表贴式永磁同步电机的数学模型建立单元，用于建立包含磁路不饱和的表贴式永磁同步电机的数学模型；
简化自抗扰速度控制器数学模型建立单元，用于基于非线性微分跟踪器和线性化扩张状态观测器，获取一阶简化自抗扰速度控制器数学模型；
永磁同步电机的控制单元，用于在传统电流环的基础上，加入负载转矩前馈补偿，建立基于自抗扰控制与负载转矩前馈补偿控制的永磁同步电机的控制系统对永磁同步电机的控制。
本申请提供一种基于自抗扰控制与负载转矩前馈补偿的永磁同步电机的控制方法及装置，通过自抗扰控制的三大模块：非线性TD、线性ESO和比例误差反馈控制和在传统电流环的基础上加入负载转矩前馈补偿，建立永磁同步电机的控制系统对永磁同步电机进行控制，解决了现有技术对负载转矩观测精度的要求高，算法复杂，运算量较大，不利于控制的实时性的问题。
附图说明
图1是本申请提供的一种ADRC与负载转矩补偿复合控制PMSM系统原理图；
图2是本申请提供的一种永磁同步电机的控制方法的流程示意图；
图3是本申请提供的一种永磁同步电机的控制装置示意图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
图1是本申请提供的一种ADRC与负载转矩补偿复合控制PMSM系统原理图，下面结合图1和图2对本申请提供的永磁同步电机的控方法进行详细说明。
步骤S101，建立一阶自抗扰控制器数学模型的标准形式。
一阶自抗扰控制器数学模型的标准形式，包括：建立一阶跟踪微分器TD、二阶扩张状态观测器，以及状态误差反馈控制律NLSEF。
一阶跟踪微分器TD为，
二阶扩张状态观测器为，
状态误差反馈控制律NLSEF为，
式中，z11为给定参考信号，v为输入信号，z21为系统状态量的跟踪值，z22为系统综合扰动观测值，x为输出信号，[β01,β02]为状态观测器各阶增益系数，r是TD跟踪快慢因子，b0是控制量估测增益，fal(·)是非线性函数，形式如下：
上式中，α为非线性因子，δ线性区间宽度。
步骤S102，建立包含磁路不饱和的表贴式永磁同步电机的数学模型。
所述数据模型如下，
式中：R、LS分别表示电机的定子电阻、d-q坐标系下的电感分量；iq分别是定子电流q轴分量；是永磁体磁链；wm、TL分别是电机机械角速度、负载转矩；J、B分别是电机的转动惯量、阻尼系数；pn是电机的极对数。
步骤S103，基于非线性微分跟踪器和线性化扩张状态观测器，获取一阶简化自抗扰速度控制器数学模型。
根据一阶非线性微分跟踪器TD和线性化二阶扩张状态观测器ESO，建立比例误差反馈控制律作为一阶简化自抗扰速度控制器数学模型；所述一阶非线性微分跟踪器TD为，
线性化二阶扩张状态观测器ESO为，
比例误差反馈控制律为，
式中，z11为给定参考信号，w为输入信号，z21为系统状态量的跟踪值，z22为系统综合扰动观测值，[β01,β02]为状态观测器各阶增益系数，r是TD跟踪快慢因子，b0是控制量估测增益，fal(·)是非线性函数，形式如下：
上式中，α为非线性因子，δ线性区间宽度。
步骤S104，在传统电流环的基础上，加入负载转矩前馈补偿，建立基于自抗扰控制与负载转矩前馈补偿控制的永磁同步电机的控制系统对永磁同步电机的控制。
使用负载转矩观测器获取永磁同步电机的负载转矩前馈补偿，建立基于自抗扰控制与负载转矩前馈补偿控制的永磁同步电机的控制系统对永磁同步电机的控制。
由于负载转矩是一种难以利用传感器测量的物理量，因此负载转矩前馈补偿的关键是要实时检测出PMSM所受的负载转矩，故采用降阶的伦伯格状态观测器对负载进行实时检测。
在单个控制周期内将负载转矩大小视作不变，
其中，TL为电机负载转矩。
系统的状态空间模型：
其中，状态量为X＝[w TL]T，C＝[1 0]；控制量为iq分别是定子电流q轴分量；是永磁体磁链；ω，TL分别是电机机械角速度和负载转矩；J和B分别是电机的转动惯量和阻尼系数；pn是电机的极对数。
根据系统的状态空间模型可得降阶的伦伯格负载转矩观测器形式如下：
其中，K＝[k1k2]T是状态反馈增益阵。
假设状态观测器的期望极点为α，则状态误差特征方程为|SI-(A-KC)|＝(S-α)2
其中，S为状态观测器的控制极点，I为单位矩阵，K为状态反馈增益阵。
可得
当α处于负平面时，观测误差渐进收敛于0，期望极点|α|绝对值越大，状态观测器收敛越快，但是过大的|α|会引起抖震。
根据如图1所示的基于ADRC与负载转矩前馈补偿的PMSM系统原理图，利用S函数分别设计出降阶的负载转矩状态观测器和一阶简化ADRC的三大模块：非线性TD、线性ESO和比例误差反馈控制。参考附图搭建了ADRC与转矩前馈补偿控制算法仿真验证模型，选用永磁同步电机参数为：RS/Ω为0.0918；LS/H为0.000975；φf/Wb为0.1688；J/kg·m2为0.003945；B/NS·m-1为0.0004924；p为4。
通过上述模型进行仿真分析，验证了电流环添加负载转矩前馈补偿具有较高的实用价值，说明了本发明算法的实用性和有效性。
本申请同时提供一种永磁同步电机的控制装置300，如图3所示，包括：
自抗扰控制器数学模型建立单元310，用于建立一阶自抗扰控制器数学模型的标准形式；
表贴式永磁同步电机的数学模型建立单元320，用于建立包含磁路不饱和的表贴式永磁同步电机的数学模型；
简化自抗扰速度控制器数学模型建立单元330，用于基于非线性微分跟踪器和线性化扩张状态观测器，获取一阶简化自抗扰速度控制器数学模型；
永磁同步电机的控制单元340，用于在传统电流环的基础上，加入负载转矩前馈补偿，建立基于自抗扰控制与负载转矩前馈补偿控制的永磁同步电机的控制系统对永磁同步电机的控制。
本申请提供一种基于自抗扰控制与负载转矩前馈补偿的永磁同步电机的控制方法及装置，通过自抗扰控制的三大模块：非线性TD、线性ESO和比例误差反馈控制和在传统电流环的基础上加入负载转矩前馈补偿，建立永磁同步电机的控制系统对永磁同步电机进行控制，解决了现有技术对负载转矩观测精度的要求高，算法复杂，运算量较大，不利于控制的实时性的问题。同时可全面提高PMSM调速系统的抗负载、抗干扰能力，实现动态和稳态特性的优化，同时解决了传统PI控制器快速性与超调量之间的矛盾，降低了系统对负载转矩观测精度的要求。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。