发明内容

为了使线性自抗扰控制器变为两自由度控制器，减小控制器参数整定的难度，本发明提出了一种解耦线性自抗扰控制器，该解耦线性自抗扰控制器为两自由度控制器，其控制系统的跟踪性能与抗扰性能可以实现完全解耦。

同时，为了使解耦线性自抗扰控制器能有效地抑制永磁同步电机控制中的周期性扰动，增强电机电流和转速的控制性能，本发明构建设计了解耦线性自抗扰控制器，分为电流和转速部分。

为实现上述目标，如图1和图2所示，本发明具体采用以下技术方案：

1)建立永磁同步电机的电流环和转速环模型：

其中，p为磁极对数；L_n为永磁同步电机中的电感出厂标称值；J_n为系统转动惯量出厂标称值；ψ_rn为永磁同步电机中的永磁体磁链出厂标称值；i_d和i_q分别为d轴和q轴实际电流；i_qref为永磁同步电机所连接的转速控制器输出q轴参考电流；u_dref和u_qref分别为永磁同步电机所连接的d轴和q轴电流控制器输出参考电压；d_d和d_q分别为d轴和q轴电流环中的集总扰动；d_ω为转速环中的集总扰动；a_d、a_q和a_ω分别为集总扰动d_d、d_q和d_ω的变化率；t表示时间；

电流环包括电流控制器和被控对象。

所述的系统包括永磁同步电机、负载以及永磁同步电机和负载之间的连接件。负载例如为负载电机，永磁同步电机和负载之间的连接件例如为联轴器。

根据电流环和转速环模型可见，永磁同步电机d轴电流环、q轴电流环和转速环具有相同的模型结构，将电流环和转速环模型中的d轴电流环、q轴电流环和转速环均等效为一阶系统模型，统一表示成：

其中，x₁代表i_d、i_q和ω_m其中之一；x₂代表d_d、d_q和d_ω其中之一；b代表1/L_n和1.5pψ_rn/J_n其中之一；u代表u_dref、u_qref和i_qref其中之一；a代表a_d、a_q和a_ω其中之一；

2)根据一阶系统模型建立解耦线性自抗扰控制器：

根据d轴电流环、q轴电流环和转速环的一阶系统模型分别建立各自的解耦线性自抗扰控制器，分别为d轴电流解耦线性自抗扰控制器、q轴电流解耦线性自抗扰控制器、转速解耦线性自抗扰控制器，d轴电流解耦线性自抗扰控制器、q轴电流解耦线性自抗扰控制器、转速解耦线性自抗扰控制器均包含线性跟踪微分器、线性扩张状态观测器和线性控制律的三个部分；

如图2所示，线性跟踪微分器接收预设给定参考指令v处理获得线性跟踪微分参考指令v_LTD并输入到线性控制律中，线性控制律接收线性跟踪微分参考指令v_LTD以及待观测量的观测值和集总扰动处理获得输出参考量并输入到一阶系统模型中，一阶系统模型接收输出参考量处理获得待观测量的实际值并输入到线性扩张状态观测器，线性扩张状态观测器根据待观测量的实际值处理获得待观测量的观测值和集总扰动输入到线性控制律中，从而实现闭环反馈的自抗扰控制；

3)由d轴电流解耦线性自抗扰控制器、q轴电流解耦线性自抗扰控制器、转速解耦线性自抗扰控制器共同工作对永磁同步电机解耦线性自抗扰控制。

所述的集总扰动d_d、d_q和d_ω的表达式如下所示：

其中，L_s为定子电感，ΔL_s为定子电感偏差值，L_s＝L_n+ΔL_s；R_s为定子电阻；ψ_r为永磁体磁链，Δψ_r为永磁体磁链偏差值，ψ_r＝ψ_rn+Δψ_r；ω_m为转子机械转速；J为系统转动惯量，ΔJ为系统转动惯量偏差值，J＝J_n+ΔJ；T_L为负载转矩；T_f为摩擦转矩；γ_id和γ_iq分别为d轴和q轴电流环中存在的周期性扰动；γ_ω为转速环中存在的周期性扰动。

所述2)中，跟踪模块G_c均设计成比例结构，表示为：

G_c＝k_p

其中，k_p为比例系数；

q轴电流、d轴电流和转速对应的解耦线性自抗扰控制器中的跟踪模块G_c均统一设置为比例结构。

所述2)中，q轴电流、d轴电流和转速对应的解耦线性自抗扰控制器中的抗扰模块G_o均设置为比例-微分-谐振结构，但q轴电流、d轴电流和转速对应的解耦线性自抗扰控制器中的抗扰模块进行区分设置；

q轴电流解耦线性自抗扰控制器和d轴电流解耦线性自抗扰控制器中的抗扰模块表达式为：

其中，G_oc(s)表示在复频域中电流解耦线性自抗扰控制器的抗扰模块；s表示复频域的频率参数；h_1c和h_2c分别表示电流解耦线性自抗扰控制器抗扰模块中的比例系数和积分系数；k_r6和分别表示电流解耦线性自抗扰控制器抗扰模块中谐振频率为6pω_m谐振项的比例系数和相位调整角；

转速解耦线性自抗扰控制器中的抗扰模块表达式为：

其中，G_os(s)表示在复频域中转速解耦线性自抗扰控制器的抗扰模块；h_1s和h_2s分别表示转速解耦线性自抗扰控制器抗扰模块中的比例系数和积分系数；k_r1和分别表示转速解耦线性自抗扰控制器抗扰模块中谐振频率为pω_m谐振项的比例系数和相位调整角；k_r2和分别表示转速解耦线性自抗扰控制器抗扰模块中谐振频率为2pω_m谐振项的比例系数和相位调整角。

电流环和转速环两者的抗扰模块G_o进行区分处理，以适应永磁同步电机电流环主要存在频率为6pω_m的周期性扰动、转速环主要存在频率为pω_m和2pω_m的周期性扰动的情况。

所述3)中：

线性跟踪微分器的表达式为：

其中，v表示预设给定参考指令，v_LTD表示线性跟踪微分参考指令，r表示线性跟踪微分参考指令v_LTD收敛到预设给定参考指令v的速度调节因子；

线性扩张状态观测器的表达式：

其中，和分别为x₁和x₂的观测值；G_o表示抗扰模块，决定了系统的抗扰性能，根据系统具体抗扰指标要求，G_o可以被设计成任何结构；

线性控制律的表达式：

其中，G_c表示跟踪模块，决定了系统对于线性跟踪微分参考指令v_LTD的跟踪性能。根据系统具体跟踪性能指标要求，G_o可以被设计成任何结构。

如图1所示，系统闭环传递函数的表达式：

其中，G_t(s)表示系统的跟踪性能；G_d(s)表示系统的抗扰性能；G_c(s)为G_c在复频域中表现形式；G_o(s)为G_o在复频域中表现形式。

本发明对d轴电流环、q轴电流环和转速环均分别建立统一有效的解耦线性自抗扰控制器，为两自由度控制器，能够有效地抑制这些频率的周期性扰动。

所述3)具体为：

3.1)通过微控制器设定永磁同步电机的转子机械参考转速ω_mref和负载转矩，对永磁同步电机的d轴参考电流i_dref设置为i_dref＝0进行控制；

3.2)通过安装在永磁同步电机上的位置编码器获得电机的转子位置电角度和转子机械实际转速ω_m，通过安装在永磁同步电机上的电流传感器获得永磁同步电机a相电流i_a和b相电流i_b，已知i_a和i_b，根据i_c＝-(i_a+i_b)的关系可以根据a相电流i_a和b相电流i_b得到c相电流i_c，将a相电流i_a、b相电流i_b、c相电流i_c通过帕克坐标变化获得d轴实际电流i_d和q轴实际电流i_q；

3.3)将d轴实际电流i_d输入到d轴电流解耦线性自抗扰控制器的线性扩张状态观测器中得到d轴实际电流观测值和d轴电流环中的扰动观测值将q轴实际电流i_q输入到q轴电流解耦线性自抗扰控制器的线性扩张状态观测器中得到q轴实际电流观测值和q轴电流环中的扰动观测值将转子机械实际转速ω_m输入到转速解耦线性自抗扰控制器的线性扩张状态观测器中得到转子机械实际转速观测值和转速环中的扰动观测值

3.4)将转子机械参考转速ω_mref输入到转速解耦线性自抗扰控制器的线性跟踪微分器中得到线性跟踪微分转子机械参考转速ω_mrefLTD，将线性跟踪微分转子机械参考转速ω_mrefLTD与转子机械实际转速观测值之间的差值和转速环中的扰动观测值输入到转速解耦线性自抗扰控制器的线性控制律中得到q轴参考电流i_qref；

3.5)将d轴参考电流i_dref输入到d轴电流解耦线性自抗扰控制器的线性跟踪微分器中得到d轴线性跟踪微分参考电流i_drefLTD，将d轴线性跟踪微分参考电流i_drefLTD与d轴实际电流观测值的差值和d轴电流环中的扰动观测值输入到d轴电流解耦线性自抗扰控制器的线性控制律中得到d轴参考电压u_dref；

将q轴参考电流i_qref输入到q轴电流解耦线性自抗扰控制器的线性跟踪微分器中得到q轴线性跟踪微分参考电流i_qrefLTD，将q轴线性跟踪微分参考电流i_qrefLTD与q轴实际电流观测值的差值和q轴电流环中的扰动观测值输入到q轴电流解耦线性自抗扰控制器的线性控制律中得到q轴参考电压u_qref；

3.6)将d轴参考电压u_dref和q轴参考电压u_qref通过反帕克坐标变化后送入空间矢量脉宽调制算法SVPWM中，生成逆变器的六路开关信号，逆变器连接在永磁同步电机的输入控制端，驱动永磁同步电机正常工作。

本发明的有益效果是：

(1)解耦线性自抗扰控制器能够保证一阶系统的跟踪性能和抗扰性能完全解耦，大大减少控制器参数整定的难度。

(2)本发明根据解耦线性自抗扰控制器构建的电流解耦线性自抗扰控制器和转速解耦线性自抗扰控制器能够有效地抑制永磁同步电机电流环和速度环中的周期性扰动，增强电机电流和转速的控制性能，极大地提高了电流和转速的控制精度。