基于新型模糊自抗擾控制器的五相容錯(cuò)永磁電機(jī)速度控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于新型模糊自抗擾控制器的容錯(cuò)永磁電機(jī)速度控制方法，適用 于永磁電機(jī)高精度伺服控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著永磁同步電機(jī)在伺服控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，其對(duì)于控制精度的要求也 越來越高，其中影響永磁電機(jī)控制精度的最重要的因素便是系統(tǒng)的擾動(dòng)。系統(tǒng)的擾動(dòng)通常 是由系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)和系統(tǒng)外部干擾組成，運(yùn)些擾動(dòng)的存在會(huì)使得系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。 此外，當(dāng)控制系統(tǒng)處于不同的運(yùn)行工況時(shí)，控制器的參數(shù)需發(fā)生相應(yīng)的改變，運(yùn)便需要進(jìn)行 人工調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)。如果無法實(shí)現(xiàn)參數(shù)隨著工況的改變而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，便無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 的無擾運(yùn)行。因此，為了進(jìn)一步提高永磁電機(jī)速度控制系統(tǒng)的精度，控制器不僅要有很強(qiáng)的 抗擾能力，而且要有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。
[0003] 在傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)中，通常采用速度外環(huán)和電流內(nèi)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于掌握等 優(yōu)點(diǎn)，但由于傳統(tǒng)PID控制器存在超調(diào)量大，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，抗擾動(dòng)能力較差等缺點(diǎn)，通常不能 達(dá)到滿意的控制效果。
[0004] 為了解決自抗擾控制器參數(shù)難于調(diào)節(jié)的問題，中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?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(shè)計(jì)的基于模糊 自抗擾控制器的永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)將轉(zhuǎn)速誤差和轉(zhuǎn)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(gè)控制參數(shù)作為模糊模塊的輸出，擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器 中的增益值是預(yù)先調(diào)節(jié)好的。運(yùn)樣雖然減少了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)，但依然沒有完全消除參數(shù) 的調(diào)節(jié)問題，并且由于將轉(zhuǎn)速誤差作為模糊控制邏輯的輸入對(duì)于控制系統(tǒng)來說具有一定的 滯后性，無法根據(jù)系統(tǒng)的擾動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)。在文獻(xiàn)（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(shè)計(jì)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(diào)節(jié)的參數(shù)，可 W在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。該文獻(xiàn)使用給定位置和反饋位置的誤差及微分信號(hào)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(gè)輸入信號(hào)，并沒有徹底解決 自抗擾控制器參數(shù)調(diào)節(jié)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于新型模糊自抗擾控制技術(shù)的 五相容錯(cuò)永磁電機(jī)系統(tǒng)控制方法。該方法充分結(jié)合了線性自抗擾(LADRC)技術(shù)和模糊控制 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可W使控制器參數(shù)隨著電機(jī)運(yùn)行工況實(shí)時(shí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，保證了五相容錯(cuò)永磁 電機(jī)動(dòng)態(tài)過程中響應(yīng)快速性和無超調(diào)，同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性能和魯棒穩(wěn)定性。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案有W下步驟：
[0007] -種基于新型模糊自抗擾控制器的容錯(cuò)永磁電機(jī)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(cuò)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置角0，并通過微分計(jì)算得到 電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度W ;
[0009] S2,檢測(cè)五相容錯(cuò)永磁電機(jī)的五相電流13，山1。心，16，利用轉(zhuǎn)子位置信息0并經(jīng)過 5s/化(Clark-Park)變換得到直軸電流id和交軸電流iq;
[0010] S3，根據(jù)速度設(shè)定值CO勺日速度反饋值CO經(jīng)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(zhuǎn)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(jīng)過PI控制器得到直軸電壓Ud和交軸電壓Uq;
[0012] S5,利用轉(zhuǎn)子位置信息，對(duì)直軸電壓Ud和交軸電壓Uq進(jìn)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(chǎn)生10路PWM脈沖，控制五相電壓源逆變器產(chǎn)生 五相脈沖寬度變化的電壓，驅(qū)動(dòng)五相容錯(cuò)永磁電機(jī)旋轉(zhuǎn)。
[0014] 進(jìn)一步，所述步驟S3中模糊自抗擾控制器的設(shè)計(jì)步驟如下：
[0015] S3.1，給定電機(jī)轉(zhuǎn)速值CO ^采用新型跟蹤微分器1，獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)給定值Vi;
[0016] S3.2,利用線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器2觀測(cè)出負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)值d，采用跟蹤微分器2從實(shí) 際的轉(zhuǎn)速信號(hào)中獲得無噪聲污染的轉(zhuǎn)速微分信號(hào)ec;
[0017] S3.3,將觀測(cè)出的負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)值d和轉(zhuǎn)速微分信號(hào)ec送入模糊邏輯推理機(jī)中，得 到精確的控制器參數(shù)值，它們分別是:控制器帶寬值《。、線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器1的兩個(gè)增益 值011和012;它們之間的關(guān)系滿足:011 = 2*?〇、知=誠(chéng)、《0=(4~5) ?c;
[0018] S3.4,將轉(zhuǎn)速信號(hào)CO和q軸電流給定值^乘^6所得到的值送入線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè) 器1中，再由步驟3.3中所得到的線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器1的兩個(gè)增益值011和012，計(jì)算得到轉(zhuǎn) 速《的觀測(cè)值Zl和系統(tǒng)的擾動(dòng)值Z2 ;
[0019] S3.5，將由步驟3.1中得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)給定值Vi與步驟3.4中得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速 觀測(cè)值Zi作差送入比例控制器中，根據(jù)步驟3.3中所得到的控制器帶寬值CO C調(diào)節(jié)得到控制 量UO，比例控制器的比例參數(shù)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(dòng)值Z2與b的 商，得到真實(shí)的控制量(6=^^將其送入電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電流環(huán)控制系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)容 錯(cuò)永磁電機(jī)運(yùn)行。
[0021] 進(jìn)一步，所述步驟S3.1中新型跟蹤微分器1給轉(zhuǎn)速安排過渡過程包括:轉(zhuǎn)速給定值 ? ^圣所設(shè)計(jì)的新型跟蹤微分器1得轉(zhuǎn)速過渡信號(hào)Vl，該過渡過程函數(shù)表示為
[0022] . V, = A- Y掃J -Vj j-2 矣 V:
[0023]其中，CO^3轉(zhuǎn)速給定值，Vi為轉(zhuǎn)速過渡信號(hào)，V2為過渡信號(hào)的微分信號(hào)，k為快速因 子函數(shù)，其表達(dá)式為
[002引其中，t表示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，TiJsJs分別表示系統(tǒng)運(yùn)行的立個(gè)時(shí)間點(diǎn)，它們之間的 關(guān)系是由電機(jī)電氣時(shí)間常數(shù)和機(jī)械時(shí)間常數(shù)決定，amax表示系統(tǒng)最大加速度，at表示系統(tǒng)實(shí) 時(shí)加速度，f表示線性自抗擾控制器實(shí)時(shí)估計(jì)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)，h是轉(zhuǎn)矩反饋系數(shù)。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(jìn)一步，所述步驟S3.2中跟蹤微分器2的表達(dá)式為：
[0029] 其中，k2為快速因子常數(shù)，《表示電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)際值，V3為實(shí)際轉(zhuǎn)速過渡信號(hào)，V4為實(shí) 際轉(zhuǎn)速微分信號(hào)，即所述步驟53.3中所需轉(zhuǎn)速微分信號(hào)6〇 = 乂4，其中參數(shù)1?選取為1? = 320。
[0030] 進(jìn)一步，線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器2的表達(dá)式為：
[0032] 其中，62為觀測(cè)值與實(shí)際值的差值，Z3是轉(zhuǎn)速觀測(cè)值，Z4是系統(tǒng)總擾動(dòng)，即步驟S3.2 中轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)值d = Z4，U為自抗擾控制器輸出信號(hào)W = /; 為線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器2的增 益值。其中觀測(cè)器增益值&1、022選取為&1 = 3600、022 = 1000000。
[0033] 進(jìn)一步，所述步驟S3.3中線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器1的表達(dá)式為：
[0035] 其中，ei為觀測(cè)值與實(shí)際值的差值，Zi是轉(zhuǎn)速觀測(cè)值，Z2是系統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)值，系統(tǒng)擾 動(dòng)值/二2,，u為自抗擾控制器輸出信號(hào)!!二（斯1、&2為線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器1的增益值。
[0036] 進(jìn)一步，所述步驟S3.3中模糊推理機(jī)的相關(guān)設(shè)置如下：
[0037] 負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)值d設(shè)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(duì)應(yīng)到模糊語言中是[NB，NS，ZO，PS，PB]，表示為[負(fù)大，負(fù)小， 零，正小，正大];
[0038] 轉(zhuǎn)速微分信號(hào)參數(shù)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(duì)應(yīng)到模糊語言中是[NB，NS，Z0，PS，PB]，表示為
[負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大];
[0039]控制器帶寬值《。即模糊邏輯推理機(jī)的輸出值，其模糊化語言是[NB,NS,Z0，PS， PB]，對(duì)應(yīng)去模糊化量化因子為[-2，-1，0，1，2]，對(duì)應(yīng)的精確輸出范圍為CO。e [60，140];轉(zhuǎn) 速微分信號(hào)參數(shù)ec、負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)值d和控制器帶寬值的隸屬度函數(shù)均為等腰=角形隸 屬度函數(shù)：，等腰=角形隸屬度函數(shù)的表達(dá)式為：
[0041] 其中：參數(shù)a、b、c之間的關(guān)系反映了隸屬度函數(shù)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(jù)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)所允許的物理最大加速度安排一個(gè)快速且平穩(wěn)的過渡 過程，并且利用線