具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

图1示出了本申请一种基于切换结构的同步电机鲁棒控制装置的结构示意图。

参阅图1，于发明一实施例中，本发明的基于切换结构的同步电机鲁棒控制装置包括：

线性非线性切换自抗扰控制模块1，用于生成交轴电压参考值；

电流调节器2，用于将直轴电流和直轴电流参考值的差值调节生成直轴电压参考值；

第一Park逆变换器3，连接所述线性非线性切换自抗扰控制模块与所述电流调节器，用于将所述直轴电压参考值和所述交轴电压参考值变换生成静止坐标系中的两相电压参考值；

SVPWM模块4，连接所述第一Park逆变换器，用于将所述两相电压参考值调制生成三相开关信号；

电压型逆变器5，连接所述SVPWM模块，用于将所述三相开关信号生成三相电流控制信号；

光电编码器7，输入端连接所述永磁同步机，输出端连接所述线性非线性切换自抗扰控制模块，用于采集所述永磁同步电机的转子角度，并将所述转子角度转换为转速输入到所述线性非线性切换自抗扰控制模块。

根据本发明实施例，所述基于切换结构的同步电机鲁棒控制装置还包括Clark变换器8，连接所述电压型逆变器，用于将所述电压型逆变器生成的所述三相电流控制信号变换生成所述静止坐标系中的两相电流。

需要说明的是，所述Clark变换器8用于将所述三相电流i_a，i_b，i_c变换生成静止坐标系中的两相电流i_α和i_β，并将所述静止坐标系中的两相电流i_α和i_β作为所述第二Park变换器9的输入。

根据本发明实施例，所述基于切换结构的同步电机鲁棒控制装置还包括第二Park变换器9，输入端连接所述Clark变换器，输出端连接所述电流调节器，用于将所述Clark变换器生成的所述两相电流变换生成所述直轴电流，并比较所述直轴电流与直轴电流参考值，将比较值作为所述电流调节器的输入。

需要说明的是，所述第二Park变换器9用于将所述静止坐标系中的两相电流i_α和i_β变换生成所述直轴电流i_d，后将所述直轴电流i_d与所述直轴电流参考值i_dref比较的比较值作为所述电流调节器2的输入。

需要说明的是，如图1所示，将所述线性非线性切换自抗扰控制模块1、电流调节器2、第一Park逆变换器3、SVPWM模块4、电压型逆变器5、光电编码器7、Clark变换器8和第二Park变换器9共同组成完整的所述基于切换结构的同步电机鲁棒控制装置；所述永磁同步电机6将电机转子角位置θ_m输入所述光电编码器7中得到所述转速ω_m作为所述线性非线性切换自抗扰控制模块1的输入，同时输入所述转速给定值ω_ref到所述线性非线性切换自抗扰控制模块1中输出所述交轴电压参考值u_q形成转速闭环；采样所述三相电流i_a，i_b，i_c作为所述Clark变换器8的输入，所述Clark变换器8输出静止坐标系中的两相电流i_α和i_β作为所述第二Park变换器9的输入，所述第二Park变换器9输出直轴电流i_d，并将所述直轴电流i_d和所述直轴电流给定值i_dref的所述直轴电流差值Δi_d作为所述电流调节器2的输入，所述电流调节器2输出所述直轴电压参考值u_d形成电流闭环，其中本发明采用i_d＝0控制方式，因此i_dref＝0；将所述交轴电压参考值u_q和所述直轴电压参考值u_d作为所述第一Park逆变换器3的输入，所述第一Park逆变换器3输出静止坐标系中的两相电压参考值u_α和u_β作为所述SVPWM模块4的输入，所述SVPWM模块4输出所述三相开关信号S_abc作为所述电压型逆变器5的输入，所述电压型逆变器5输出所述三相电流i_a，i_b，i_c来控制所述永磁同步电机6，所述永磁同步机6输入端连接所述电压型逆变器5，用于接收所述三相电流控制信号，并根据所述三相电流控制信号进行工作。

根据本发明实施例，如图2所示，所述线性非线性切换自抗扰控制模块1包括：

跟踪微分器11，用于得到转速跟踪值和转速微分值；

线性扩张状态观测器12，用于输出线性转速观测值、线性转速微分观测值、线性扰动观测值和线性观测误差，构成线性自抗扰控制闭环；

非线性扩张状态观测器13，用于输出非线性转速观测值、非线性转速微分观测值、非线性扰动观测值以及非线性观测误差，构成非线性自抗扰控制闭环；

线性状态反馈控制器14，连接所述跟踪微分器与所述线性扩张状态观测器，用于输出线性交轴电压参考值；

非线性状态反馈控制器15，连接所述跟踪微分器与所述非线性扩张状态观测器，用于输出非线性交轴电压参考值；

输出加权函数单元16，输入端连接所述线性扩张状态观测器、所述非线性扩张状态观测器、所述线性状态反馈控制器以及所述非线性状态反馈控制器，输出端连接所述线性扩张状态观测器与所述非线性扩张状态观测器，用于输出所述交轴电压参考值作为所述线性非线性切换自抗扰控制模块的输出。

需要说明的是，如图3所示，为跟踪微分器11的构造原理图，为所述转速给定值ω_ref安排一个过渡过程，让所述装置实际行为跟随这个过渡过程来达到控制目标，同时给所述转速给定值ω_ref近似的微分信号，从而解决所述装置初始状态由于误差过大而导致控制量过大对所述装置造成冲击的问题，据此构造跟踪微分器11：其中，跟踪微分器11采用的fhan函数形式，其表达式如下：

其中，x₁、x₂、d、a₀、y、a₁、a₂、a₃、a₄和a₅为fhan函数的中间变量，将所述转速给定值ω_ref输入所述跟踪微分器11得到所述转速跟踪值v₁和所述转速微分值v₂作为所述线性状态反馈控制器14的输入，再将所述线性转速观测值z_l1、所述线性转速微分观测值z_l2和所述线性扰动观测值z_l3输入到所述线性状态反馈控制器14中。

需要说明的是，如图4所示，为线性扩张状态观测器12的构造原理图，通过线性机制观测得到所述线性转速观测值z_l1、所述线性转速微分观测值z_l2、所述线性扰动观测值z_l3，其扰动跟踪性能不随扰动幅度变化，据此构造线性扩张状态观测器12：其中，ω_m为转速，e_l为线性观测误差，β_l1、β_l2、β_l3为线性观测器增益，b₀为控制增益，所述线性扩张状态观测器12输出所述线性转速观测值z_l1、所述线性转速微分观测值z_l2、所述线性扰动观测值z_l3和所述线性观测误差e_l，构成线性自抗扰控制闭环；将所述转速跟踪值v₁、所述转速微分值v₂、所述非线性转速观测值z_n1、所述线性转速微分观测值z_n2和所述线性扰动观测值z_n3输入到所述非线性状态反馈控制器15中。

需要说明的是，如图5所示，为非线性扩张状态观测器13的构造原理图，通过非线性机制观测得到所述非线性转速观测值z_n1、所述非线性转速微分观测值z_n2、所述非线性扰动观测值z_n3，其跟踪性能和扰动幅度有关，具有大误差小增益和小误差大增益的特性，非线性函数采用fal函数，据此构造所述非线性扩张状态观测器13：其中，ω_m为转速，e_n为非线性观测误差，β_n1、β_n2、β_n3为非线性观测器增益，b₀为控制增益，u_q为交轴电压参考值，α_e1为非线性观测器转速幂次，α_e2为非线性观测器转速微分幂次，α_e3为非线性观测器扰动幂次，δ_e1为非线性观测器转速线性区间，δ_e2为非线性观测器转速微分线性区间，δ_e3为非线性观测器扰动线性区间，所述非线性扩张状态观测器13输出所述非线性转速观测值z_n1、非线性转速微分观测值z_n2、非线性扰动观测值z_n3和非线性观测误差e_n，构成非线性自抗扰控制闭环；将线性交轴电压参考值u_lq、非线性交轴电压参考值u_nq、线性观测误差e_l、非线性观测误差e_n、线性扰动观测值z_l3和非线性扰动观测值z_n3输入到输出所述加权函数单元16。

需要说明的是，如图6所示，为线性状态反馈控制器14的构造原理图，将所述转速跟踪值v₁和所述线性转速观测值z_l1偏差的比例、转速微分值v₂和所述线性转速微分观测值z_l2偏差的比例通过线性组合构成线性输出电压u_l0，再加入所述线性扰动观测值z_l3的影响得到所述线性交轴电压参考值u_lq，据此构造所述线性状态反馈控制14：其中，k_l1为线性比例增益、k_l2为线性微分增益，b₀为控制增益，所述线性状态反馈控制器14输出所述线性交轴电压参考值u_lq，将所述转速ω_m和所述交轴电压参考值u_q输入到所述线性扩张状态观测器12中。

需要说明的是，如图7所示，为非线性状态反馈控制器15的构造原理图，将所述转速跟踪值v₁和所述非线性转速观测值z_n1偏差、所述转速微分值v₂和所述非线性转速微分观测值z_n2偏差通过非线性fal函数的比例线性组合构成所述非线性输出电压u_n0，再加入所述非线性扰动观测值z_n3的影响得到所述非线性交轴电压参考值u_nq，据此构造所述非线性状态反馈控制器15：其中，fal函数表达式如下：其中，e为偏差，α_i为幂次，α_s1为反馈比例幂次、α_s2为反馈微分幂次、δ为线性区间、δ_s1为反馈比例线性区间、δ_s2为反馈微分线性区间、b₀为控制增益，所述非线性状态反馈控制器15输出所述非线性交轴电压参考值u_nq，将所述转速ω_m和所述交轴电压参考值u_q输入到所述非线性扩张状态观测器13中。

需要说明的是，如图8所示，为输出加权函数单元16的构造原理图，将线性交轴电压参考值u_lq和非线性交轴电压参考值u_nq以误差和扰动为基础分配权值从而得到交轴电压参考值u_q，以此来实现线性非线性自抗扰控制的平滑切换，防止出现控制振荡的现象；当误差最大值e或干扰最大值z₃较大的时候，线性交轴电压参考值u_lq占的权重较大，此时线性自抗扰控制大误差快响应的控制特性更符合控制需求，而当误差最大值e或干扰最大值z₃较小的时候，非线性交轴电压参考值u_nq占的权重较大，此时非线性自抗扰控制小误差大增益的控制特性更符合控制需求；据此构造输出加权函数模块16，公式如下所示：

其中，λ为总权值、α为误差权值、β为扰动权值、e₁为误差下限、e₂为误差上限、D₁为扰动下限、D₂为扰动上限、e_l为线性观测误差、e_n为非线性观测误差、z_l3为线性扰动观测值、z_n3为非线性扰动观测值。

图9示出了本发明一种基于切换结构的同步电机鲁棒控制方法的流程图。

如图9所示，本发明公开了一种基于切换结构的同步电机鲁棒控制方法，所述方法包括如下步骤：

S902、生成交轴电压参考值；

S904、将直轴电流和直轴电流参考值的差值调节生成直轴电压参考值；

S906、将所述直轴电压参考值和所述交轴电压参考值变换生成静止坐标系中的两相电压参考值；

S908、将所述两相电压参考值调制生成三相开关信号；

S910、将所述三相开关信号生成三相电流控制信号；

S912、采集所述永磁同步电机的转子角度。

需要说明的是，所述步骤S302生成交轴电压参考值的方法步骤具体包括：

得到转速跟踪值和转速微分值；

输出线性转速观测值、线性转速微分观测值、线性扰动观测值和线性观测误差，构成线性自抗扰控制闭环；

输出非线性转速观测值、非线性转速微分观测值、非线性扰动观测值以及非线性观测误差，构成非线性自抗扰控制闭环；

输出线性交轴电压参考值；

输出非线性交轴电压参考值；

输出所述交轴电压参考值。

由于本实施例的具体实现方式与前述装置实施例对应，因而于此不再对同样的细节做重复赘述。

本发明第三方面提供了一种基于切换结构的同步电机鲁棒控制器，其特征在于，包括：如上述任一项所述的基于切换结构的同步电机鲁棒控制装置。

本发明公开的基于切换结构的同步电机鲁棒控制装置、方法及控制器，具有以下有益效果：

1.本发明基于自抗扰控制，与传统的PI控制相比，自抗扰控制具有更高的控制精度和更强的抗扰能力，并且对永磁同步电机参数不敏感；

2.本发明在控制过程中，将线性交轴电压参考值和非线性交轴电压参考值以误差和扰动为基础分配权值从而得到交轴电压参考值，以此来实现线性非线性自抗扰控制的平滑切换，防止出现控制振荡的现象；

3.本发明采用线性非线性切换自抗扰控制，通过合理的切换策略结合了线性自抗扰控制和非线性自抗扰控制的优点，即大误差快响应和小误差大增益的特性，同时规避了它们的缺点，从而达到全工作范围的最优控制，实现电机输出转矩的快速响应、无超调、高精度控制。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

或者，本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。