[发明专利]基于分数阶的永磁同步电机速度环控制参数的自整定方法

说明书

技术领域

本发明属于交流伺服系统控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机速度环的控制参数的自整定方法。 

背景技术

永磁同步电动机损耗低，体积小，效率高，并且具有结构简单，响应快速等特点，在工业控制中的得到了广泛的应用。在对永磁同步电机控制上，伺服控制系统是一种十分常见的控制系统。高性能的伺服控制系统成为当代交流伺服控制发展的趋势，并被广泛地应用在激光加工，机器人控制，数控机床，特种加工床等控制精度要求高的领域。伺服控制系统在对永磁同步电机的控制上更显得尤为关键。 

在交流伺服系统中，三环控制是普遍使用的控制结构。三环控制包括电流环，速度环，位置环。电流环作为内层控制环通常具有高带宽，响应快速的特点，可以近似看作比例系数为1的比例环节。位置环是最外环，保证系统的动态跟踪性能和静态精度，使得整个伺服系统稳定，快速的运行。速度环的作用是增强系统抗外界扰动的能力，提高速度的稳定性，速度环性能的好坏直接影响到整体伺服系统的性能。 

传统的三环控制结构中通常是采用整数阶PI控制器完成控制的过程。例如论文文献(仇国庆，罗宣林，王平，吴迪，杨志龙，PMSM伺服系统的PID控制器设计及仿真，重庆大学学报，2008,3（31）)中对整数阶的伺服系统作了详尽地描述，在伺服系统速度控制策略中，速度调节器采用传统的整数阶PI控制器来对伺服系统进行控制。 

但是现实中许多系统属于分数阶系统，仅仅采用整数阶的模型会使实际的系统与数学模型之间存在较大的差异，导致无法得到最优的控制效果。 

I.Podlubny教授基于分数阶控制理论提出了分数阶PID控制器，分数阶PID控制器是整数阶PID控制器的扩展，其传递函数表示为： C(s)＝K_p+K_Is^-λ+K_Ds^μ。分数阶PID控制器比传统的整数阶控制器具有更强的灵活性，并且具有独特的记忆性功能。使用分数阶PID控制器可以提高系统的鲁棒性，以及动态跟踪性能。王瑞萍，史步海，皮佑国在论文《基于分数阶控制器的PMSM恒速控制》（华南理工大学学报(自然科学版).2012.3(40))中采用了基于分数阶控制器的PMSM恒速控制，文中说明对于相同的负载扰动，分数阶比例积分控制器的控制效果明显优于最优的整数阶比例积分控制器，且其对系统开环增益变化具有更强的鲁棒性。 

永磁同步电机交流伺服系统的性能不仅和所选用的控制器结构和控制策略相关，而且决定于驱动器控制环中的控制参数。只有选取的控制参数与伺服驱动系统的固有特性良好的匹配时，伺服系统的控制性能才能达到最优。在伺服系统工作时，伺服系统的运动摩擦系数，负载惯量均会发生变换，因此需要对控制参数进行不断整定。目前控制参数的整定主要还是依赖于工作人员手动整定来完成。由于工作情况千差万别，因此对人工操作人员的要求较高。自整定算法是指根据伺服系统固有的特性以及工作的情况自动选取最合适的控制参数。上述文献中虽然在提出的分数阶的控制结构上给出了一种基本的设计控制器参数的方法，但是此方法对电机的参数和工况的敏感性较大，不能达到自动整定的效果。 

发明内容

本发明的目的是提供一种基于分数阶的永磁同步电机速度环控制参数的自整定方法，该控制方法针对永磁同步电机伺服系统利用分数阶PI控制器取代原有的整数阶PI控制器，并自动地整定控制器的参数。该控制方法通过递推最小二乘来辨识被控对象的模型参数，在此基础之上，利用模式搜索算法对控制器参数进行寻优，整定出的控制器参数，使系统具有良好的鲁棒性、抗扰动能力和控制精度。 

实现上述目的所采用的具体技术方案如下： 

一种基于分数阶的永磁同步电机速度环控制参数的自整定方法，其通过利用分数阶PI控制器代替永磁同步电机交流伺服系统中的整数阶PI控制器，并自动地整定所述分数阶PI控制器的参数，实现对永磁同步电机交流伺服系统的控制，该方法具体包括： 

首先采集所述交流伺服系统的电流与速度信号；其次，根据所述采集信号， 辨识永磁同步电机伺服系统速度环被控对象模型，识别出模型的参数；最后，对控制参数进行寻优整定，获得最优的控制参数。 

作为本发明的进一步改进，所述速度环被控对象模型的参数通过迭代获得，其中，所述速度环被控对象模型的离散表达式为：ω(k)＝-a₁ω(k-1)-a₂ω(k-2)+b₁i_q(k-1)+b₂i_q(k-1)，所述迭代过程通过如下方程组进行：