基于干扰观测器与重复控制器的永磁同步电机调速控制方法与流程

本发明属于永磁同步电机控制
技术领域：
，尤其涉及一种基于干扰观测器与重复控制器的永磁电机调速控制方法。
背景技术：
：随着现代科学技术的飞速发展，特别是电力电子技术、稀土永磁材料、电机控制技术的不断发展，为交流伺服系统的发展创造了有利条件，永磁同步电机交流伺服系统现在已在工业、国防、制造业、家用电器等领域得到广泛应用，特别是在机器人、精密雷达、军用武器、数控机床等对交流伺服电机性能、控制精度要求越来越高的领域，交流伺服系统受到越来越多的关注。重复控制的控制方法是源于内模原理，提供了消除动态系统中出现的周期性误差、提高跟踪精度的方法。永磁同步电机在工作场合要求的精度相当高，但电机稳态输出时会有许多干扰，而这些干扰主要以周期性信号为主，若控制器不对周期扰动进行处理，则闭环系统很难达到强干扰抑制与高精度跟踪的性能要求。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种基于干扰观测器与重复控制器的永磁电机调速控制方法，旨在解决常规控制方法中干扰抑制能力不强与跟踪精度不高的问题。本发明是这样实现的，一种基于干扰观测器与重复控制器的永磁电机调速控制方法，所述基于干扰观测器与重复控制器的永磁电机调速控制方法，构建干扰观测器以重构该系统中的各种干扰，并将重构的干扰信息等效到反馈控制输入中进行完全补偿以抑制干扰对系统的影响；在反馈控制的基础上，将重复控制器引入前向通道，以提高系统的跟踪性能。进一步，所述基于干扰观测器与重复控制器的永磁电机调速控制方法包括以下步骤：步骤一，在永磁同步电机实际运行工况环境中收集相关参数样本信息，用最小二乘辨识算法辨识电机的PMSM定子电阻、定子电感、转动惯量以及粘滞摩擦系数相关参数的样本信息；步骤二，将相关参数的样本信息进行整理，根据力学原理与电路定理，建立永磁同步电机d-q坐标系下的电机方程；步骤三，针对永磁同步电机电机得到传递函数，推导出干扰观测器的模型；步骤四，以电机位置反馈变量作为输入变量，设计重复控制器。进一步，所述永磁同步电机的电机方程：usd=Rsisd+ddtΦsd-ωΦsqusq=Rsisq+ddtΦsq-ωΦsdT=32p[ψfisq-(Ld-Lq)isdisq];]]>其中usd,usq为d，q轴定子电压分量；isd,isq为d，q轴定子电流分量；Φsd,Φsq为d，q轴定子磁链分量；Φsd＝Ldisd+ψf，Φsq＝Lqisq；Ld,Lq为d，q轴轴电感分量；Rs为定子电阻；ω为电机的电气角速度；ψf为转子永磁体磁链，是一常数；p为极对数。进一步，对usq进行拉普拉斯变换，整理后可得电压/电流传递函数：IsqUsq(s)-Ef(s)=1Lqs+Rs.]]>进一步，所述干扰观测器Q1(s)的选取；Q1(s)滤波器相对阶位3，此处取滤波器结构：Q1(s)=1τ3s3+3τ2s2+3τs+1.]]>进一步，所述重复控制器获取方法包括：重复控制器的闭环传递函数为：T(s)=Y(s)R(s)=C(s)P(s)1-Q2(s)exp(-Ls)+C(s)P(s);]]>确定重复控制器中的滤波器Q2(s)，|Q2(jω)|在1附近频带越宽，Q2(s)取为一阶的低通滤波器，Q2(s)＝1/(1+Ts)；确定串联补偿器C(s)，使满足|1+G(jω)|＞|Q2(jω)|，本发明的另一目的在于提供一种采用所述基于干扰观测器与重复控制器的永磁电机调速控制方法的永磁同步电机交流伺服系统。本发明的另一目的在于提供一种应用所述永磁同步电机交流伺服系统的机器人控制方法。本发明的另一目的在于提供一种应用所述永磁同步电机交流伺服系统的精密雷达控制方法。本发明的另一目的在于提供一种应用所述永磁同步电机交流伺服系统的数控机床控制方法。本发明提供的基于干扰观测器与重复控制器的永磁电机调速控制方法，通过在位置环增设干扰观测器，使位置环的控制不受永磁同步电机的参数变化及外部干扰的影响；通过将重复控制器引入前向通道，使系统具有高精度的跟踪性能。与常规的PID控制方法相比，系统的抑制干扰能力提高了20％，与传统的基于干扰观测器PID控制相比，系统的跟踪精度提高了15％。本发明提供的系统结构简单，稳定性好，可应用于工程实践中；在建立永磁同步电机(PMSM)系统频域模型的基础上，首先构建干扰观测器以重构该系统中的各种干扰,并将重构的干扰信息等效到反馈控制输入中进行完全补偿以抑制干扰对系统的影响；在反馈控制的基础上，在前向通道中引入重复控制器，以提高系统对周期输入信号的跟踪能力；针对该二自由度系统结构，结合灵敏度分析和小增益定理，设计控制器参数，实现电机转速输出对期望输出信号的高精度跟踪和对外部干扰的有效抑制。与现有方法不同的是，该二自由度结构能将扰动抑制过程与跟踪控制过程独立地进行设计与参数整定，增加了调节的灵活性。本发明在建立永磁同步电机(PMSM)d-q坐标系下的数学模型的基础上，通过构造干扰观测器来抑制干扰对系统的影响，同时采用重复控制技术提高系统的精确度，实现永磁同步电机(PMSM)在d-q轴坐标下位置伺服的跟踪。在此基础上，以位置环的反馈变量作为控制输入变量，将系统分解为多个子系统来设计基于干扰观测器的重复控制器，实现永磁同步电机位置伺服的高精度跟踪的目的；通过系统参数在线辨识方法获得永磁同步电机参数的样本信息；将相关参数进行整理，并建立永磁同步电机d-q坐标系下的矢量模型；通过电机参数分析设计干扰观测器，提高系统抑制干扰能力；以电机位置反馈作为控制输入变量，采用重复控制策略设计控制器，提高系统跟踪精度。附图说明图1是本发明实施例提供的基于干扰观测器与重复控制器的永磁电机调速控制方法流程图。图2是本发明实施例提供的永磁同步电机控制框图。图3是本发明实施例提供的基于干扰观测器的永磁同步电机重复控制系统框图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。如图1所示，本发明实施例的基于干扰观测器与重复控制器的永磁电机调速控制方法包括以下步骤：S101：在PMSM实际运行工况环境中收集相关参数样本信息，用最小二乘辨识算法辨识电机相关参数，如PMSM定子电阻、定子电感、转动惯量以及粘滞摩擦系数等相关参数样本信息；S102：将相关参数进行整理，在适当假设条件下，根据力学原理与电路定理，建立PMSM坐标系下的电机方程；S103：针对PMSM电机得到传递函数，推导出干扰观测器的模型；S104：以电机位置反馈变量作为输入变量，设计重复控制器。下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。实施例1图2结构图组建了一个基于重复控制的永磁同步电机干扰观测器控制方案。本发明公开了一种永磁同步电机的控制方法，具体步骤如下。本发明实施例在PMSM实际运行工况环境中收集相关参数样本信息并进行系统辨识，根据相关参数建立d-q坐标系下的数学模型。针对该数学模型推导出干扰观测器的模型，得到由系统输出值与估计值所表示的控制输入，从而设计出控制器。PMSM在该控制器作用下，电机伺服输出能够对期望输出信号进行高精度跟踪。本发明实施例中，基于干扰观测器的永磁同步电机的重复控制器设计方法包括以下具体步骤：步骤1:在PMSM实际运行工况环境中收集相关参数样本信息，用最小二乘辨识算法辨识电机相关参数，如PMSM定子电阻、定子电感、转动惯量以及粘滞摩擦系数等相关参数样本信息；步骤2:将相关参数进行整理，在适当假设条件下，根据力学原理与电路定理，建立PMSMd-q坐标系下的电机方程；步骤3:针对PMSM电机得到传递函数，推导出干扰观测器的模型；步骤4:以电机位置反馈变量作为输入变量，设计重复控制器。在本实施例中，在所述步骤1中，得到了电机各参数。在本实施例中，在所述步骤2中，得到永磁同步电机的电机方程：usd=Rsisd+ddtΦsd-ωΦsqusq=Rsisq+ddtΦsq-ωΦsdT=32p[ψfisq-(Ld-Lq)isdisq];]]>其中usd,usq为d，q轴定子电压分量；isd,isq为d，q轴定子电流分量；Φsd,Φsq为d，q轴定子磁链分量；Φsd＝Ldisd+ψf，Φsq＝Lqisq；Ld,Lq为d，q轴电感分量；Rs为定子电阻；ω为电机的电气角速度；ψf为转子永磁体磁链，是一常数；p为极对数。在本实施例中，所述3还包括以下步骤：步骤31：针对步骤2方程，为解耦isd,isq同时得到最大有效转矩，通常控制isd＝0，则模型变为如下：usd=-pωΦsqusq=Rsisq+Lqddtisq+pωψfT=32pψfisq;]]>由于存在usd分量，它在三相永磁同步伺服电动机中将产生电枢反应转矩，使转矩具有非线性特性。但在实际的三相永磁同步伺服电动机中，Lqisq≤ψf，所以电枢反应影响可忽略不计。步骤32：对电机方程进行分析:对usq进行拉普拉斯变换，整理后可得电压、电流传递函数：IsqUsq(s)-Ef(s)=1Lqs+Rs;]]>同时PMSM的机械方程为：对其进行拉普拉斯变换可得：ω(s)T(s)-TL(s)=1Js;]]>由上述即可容易绘制得出控制框图3。进一步的，由图3可得到位置伺服系统的开环传递函数P(s)。步骤33：设计干扰观测器：干扰观测器的设计关键在于名义模型Gn(s)及低通滤波器Q1(s)的选取。一般情况下，名义对象就是被控系统的实际数学模型P(s)。所以关键在于Q1(s)的选取。选取Q1(s)滤波器尽量应使得正则，本实施例中名义模型为三阶传递函数，因为Q1(s)滤波器相对阶位3，此处取滤波器结构：Q1(s)=1τ3s3+3τ2s2+3τs+1.]]>针对步骤4，设计重复控制器有以下步骤：步骤41：基本重复控制器的闭环传递函数为：T(s)=Y(s)R(s)=C(s)P(s)1-Q2(s)exp(-Ls)+C(s)P(s);]]>步骤S42:确定重复控制器中的滤波器Q2(s)，一般是低通滤波器，实际中Q2(s)越接近于1，即|Q2(jω)|在1附近频带越宽，系统统稳态误差越小，跟随性能越好。一般情况下Q2(s)取为一阶的低通滤波器，Q2(s)＝1/(1+Ts)。步骤43：确定串联补偿器C(s)，使满足|1+G(jω)|＞|Q2(jω)|，当Ms(jω)→0时(Ms(jω)≈1-Q2(s)exp(-jLω)为系统灵敏度幅频增益)，系统的灵敏度函数非常小，于是因环境条件的变化引起的系统内部某些特性和参数变化对系统的影响将很小，因而提高了系统动态特性的鲁棒性。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3