基于新型模糊自抗擾控制器的五相容錯永磁電機速度控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種基于新型模糊自抗擾控制器的容錯永磁電機速度控制方法，適用 于永磁電機高精度伺服控制領域。
【背景技術】
[0002] 隨著永磁同步電機在伺服控制領域的應用越來越廣泛，其對于控制精度的要求也 越來越高，其中影響永磁電機控制精度的最重要的因素便是系統(tǒng)的擾動。系統(tǒng)的擾動通常 是由系統(tǒng)的內部參數攝動和系統(tǒng)外部干擾組成，運些擾動的存在會使得系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。 此外，當控制系統(tǒng)處于不同的運行工況時，控制器的參數需發(fā)生相應的改變，運便需要進行 人工調節(jié)控制器的參數。如果無法實現(xiàn)參數隨著工況的改變而實時調節(jié)，便無法實現(xiàn)系統(tǒng) 的無擾運行。因此，為了進一步提高永磁電機速度控制系統(tǒng)的精度，控制器不僅要有很強的 抗擾能力，而且要有很強的適應能力。
[0003] 在傳統(tǒng)的永磁同步電機矢量控制調速系統(tǒng)中，通常采用速度外環(huán)和電流內環(huán)的雙 閉環(huán)控制系統(tǒng)，且控制器均采用傳統(tǒng)PID控制器。雖然PID控制器具有設計簡單，易于掌握等 優(yōu)點，但由于傳統(tǒng)PID控制器存在超調量大，響應時間長，抗擾動能力較差等缺點，通常不能 達到滿意的控制效果。
[0004] 為了解決自抗擾控制器參數難于調節(jié)的問題，中國發(fā)明專利申請?zhí)枮?201310129388.0《一種基于模糊自抗擾控制的PMSM伺服系統(tǒng)控制方法》中設計的基于模糊 自抗擾控制器的永磁同步電動機伺服系統(tǒng)將轉速誤差和轉速誤差的微分作為模糊模塊的 輸入，將非線性誤差反饋控制律中的=個控制參數作為模糊模塊的輸出，擴張狀態(tài)觀測器 中的增益值是預先調節(jié)好的。運樣雖然減少了系統(tǒng)的調節(jié)參數，但依然沒有完全消除參數 的調節(jié)問題，并且由于將轉速誤差作為模糊控制邏輯的輸入對于控制系統(tǒng)來說具有一定的 滯后性，無法根據系統(tǒng)的擾動實時調節(jié)控制器的參數。在文獻（J.Gai, S.血ang，Q.血ang， M.Li,H.Wang；D.Luo,X.Wu and W丄iao."A new fuzzy active-disturbance rejection controller applied in PMSM position servo system/' 17*^ International Conference on Electrical Machines and Systems(ICEMS2014)，卵：2055-2059,2014.) 中設計了一種二階位置環(huán)的模糊自抗擾控制器，減少了自抗擾控制器所需調節(jié)的參數，可 W在一定范圍內穩(wěn)定運行。該文獻使用給定位置和反饋位置的誤差及微分信號作為模糊控 制器的輸入，模糊控制器的輸出是非線性狀態(tài)誤差反饋的=個輸入信號，并沒有徹底解決 自抗擾控制器參數調節(jié)問題。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提出一種基于新型模糊自抗擾控制技術的 五相容錯永磁電機系統(tǒng)控制方法。該方法充分結合了線性自抗擾(LADRC)技術和模糊控制 技術的優(yōu)點，可W使控制器參數隨著電機運行工況實時自適應調節(jié)，保證了五相容錯永磁 電機動態(tài)過程中響應快速性和無超調，同時增強了系統(tǒng)的抗擾動性能和魯棒穩(wěn)定性。
[0006] 本發(fā)明采用的技術方案有W下步驟：
[0007] -種基于新型模糊自抗擾控制器的容錯永磁電機速度控制方法，包括W下步驟：
[0008] SI,通過光電編碼盤獲取五相容錯永磁電機轉子的位置角0，并通過微分計算得到 電機轉子的速度W ;
[0009] S2,檢測五相容錯永磁電機的五相電流13，山1。心，16，利用轉子位置信息0并經過 5s/化(Clark-Park)變換得到直軸電流id和交軸電流iq;
[0010] S3，根據速度設定值CO勺日速度反饋值CO經新型模糊自抗擾控制器得到交軸電流 的給定值弓;：
[0011] S4,直軸電流給定為0,交軸電流給定為轉速環(huán)控制器的輸出值和電流反饋值id 和iq分別作差，差值分別經過PI控制器得到直軸電壓Ud和交軸電壓Uq;
[0012] S5,利用轉子位置信息，對直軸電壓Ud和交軸電壓Uq進行化/2s反化rk變換，得到a-0軸電壓Ua和化；
[0013] S6，Ua和化作為SVPWM模塊的輸入，產生10路PWM脈沖，控制五相電壓源逆變器產生 五相脈沖寬度變化的電壓，驅動五相容錯永磁電機旋轉。
[0014] 進一步，所述步驟S3中模糊自抗擾控制器的設計步驟如下：
[0015] S3.1，給定電機轉速值CO ^采用新型跟蹤微分器1，獲得電機轉速實時給定值Vi;
[0016] S3.2,利用線性擴張狀態(tài)觀測器2觀測出負載轉矩擾動值d，采用跟蹤微分器2從實 際的轉速信號中獲得無噪聲污染的轉速微分信號ec;
[0017] S3.3,將觀測出的負載轉矩擾動值d和轉速微分信號ec送入模糊邏輯推理機中，得 到精確的控制器參數值，它們分別是:控制器帶寬值《。、線性擴張狀態(tài)觀測器1的兩個增益 值011和012;它們之間的關系滿足:011 = 2*?〇、知=誠、《0=(4~5) ?c;
[0018] S3.4,將轉速信號CO和q軸電流給定值^乘^6所得到的值送入線性擴張狀態(tài)觀測 器1中，再由步驟3.3中所得到的線性擴張狀態(tài)觀測器1的兩個增益值011和012，計算得到轉 速《的觀測值Zl和系統(tǒng)的擾動值Z2 ;
[0019] S3.5，將由步驟3.1中得到的電機轉速實時給定值Vi與步驟3.4中得到的電機轉速 觀測值Zi作差送入比例控制器中，根據步驟3.3中所得到的控制器帶寬值CO C調節(jié)得到控制 量UO，比例控制器的比例參數為kp = O C;
[0020] S3.6，將由步驟3.5中得到的控制量UO減去步驟S3.4中得到的系統(tǒng)擾動值Z2與b的 商，得到真實的控制量(6=^^將其送入電機同步旋轉坐標系的電流環(huán)控制系統(tǒng)中，驅動容 錯永磁電機運行。
[0021] 進一步，所述步驟S3.1中新型跟蹤微分器1給轉速安排過渡過程包括:轉速給定值 ? ^圣所設計的新型跟蹤微分器1得轉速過渡信號Vl，該過渡過程函數表示為
[0022] . V, = A- Y掃J -Vj j-2 矣 V:
[0023]其中，CO^3轉速給定值，Vi為轉速過渡信號，V2為過渡信號的微分信號，k為快速因 子函數，其表達式為
[002引其中，t表示系統(tǒng)運行時間，TiJsJs分別表示系統(tǒng)運行的立個時間點，它們之間的 關系是由電機電氣時間常數和機械時間常數決定，amax表示系統(tǒng)最大加速度，at表示系統(tǒng)實 時加速度，f表示線性自抗擾控制器實時估計轉矩擾動，h是轉矩反饋系數。Tl = 0.005、T2 = 0.045、T3 = 0.05、amax=330、h = 0.化。
[0026] Ti = 0.005、T2 = 0.045、T3 = 0.05、amax = 330、h = 0.25
[0027] 進一步，所述步驟S3.2中跟蹤微分器2的表達式為：
[0029] 其中，k2為快速因子常數，《表示電機轉速實際值，V3為實際轉速過渡信號，V4為實 際轉速微分信號，即所述步驟53.3中所需轉速微分信號6〇 = 乂4，其中參數1?選取為1? = 320。
[0030] 進一步，線性擴張狀態(tài)觀測器2的表達式為：
[0032] 其中，62為觀測值與實際值的差值，Z3是轉速觀測值，Z4是系統(tǒng)總擾動，即步驟S3.2 中轉矩擾動值d = Z4，U為自抗擾控制器輸出信號W = /; 為線性擴張狀態(tài)觀測器2的增 益值。其中觀測器增益值&1、022選取為&1 = 3600、022 = 1000000。
[0033] 進一步，所述步驟S3.3中線性擴張狀態(tài)觀測器1的表達式為：
[0035] 其中，ei為觀測值與實際值的差值，Zi是轉速觀測值，Z2是系統(tǒng)擾動觀測值，系統(tǒng)擾 動值/二2,，u為自抗擾控制器輸出信號!!二（斯1、&2為線性擴張狀態(tài)觀測器1的增益值。
[0036] 進一步，所述步驟S3.3中模糊推理機的相關設置如下：
[0037] 負載轉矩擾動值d設為[0,20N ? m]，將其范圍處理為[-10N ? m，ION ? m]，然后將量 化因子寫為[-2，-1，0，1，2]，對應到模糊語言中是[NB，NS，ZO，PS，PB]，表示為[負大，負小， 零，正小，正大];
[0038] 轉速微分信號參數ec的變化范圍為[-0.5,3.5]，在輸入端將其范圍處理為[-2， 2]，然后將量化因子寫為[-2，-l，0，l，2]，對應到模糊語言中是[NB，NS，Z0，PS，PB]，表示為
[負大，負小，零，正小，正大];
[0039]控制器帶寬值《。即模糊邏輯推理機的輸出值，其模糊化語言是[NB,NS,Z0，PS， PB]，對應去模糊化量化因子為[-2，-1，0，1，2]，對應的精確輸出范圍為CO。e [60，140];轉 速微分信號參數ec、負載轉矩擾動值d和控制器帶寬值的隸屬度函數均為等腰=角形隸 屬度函數：，等腰=角形隸屬度函數的表達式為：
[0041] 其中：參數a、b、c之間的關系反映了隸屬度函數的形狀與分布，它們滿足的條件為 b-a = c-b〇
[0042] 本發(fā)明具有W下有益效果：
[0043] 1)根據電機矢量控制系統(tǒng)所允許的物理最大加速度安排一個快速且平穩(wěn)的過渡 過程，并且利用線