[发明专利]基于扩张状态观测器的永磁同步电流控制器的设计方法

说明书

本发明公开了基于扩张状态观测器的永磁同步电流控制器的设计方法，包括如下步骤：步骤SS1：搭建电流环自抗扰控制器闭环回路；步骤SS2：确定永磁同步电机电流环能够解近似耦线性化，通过电流传感器检测得到永磁同步电机的两相定子电流和经过Clarke变换和Park变化得到永磁同步电机的直轴电流和交轴电流，建立PMSM在两相旋转坐标系即d‑q坐标系下的电流环数学模型；步骤SS3：根据交轴电流值，设计“参考电流变换率前馈”；步骤SS4：根据一阶改进型扩张状态观测器观测得到的系统总扰动的补偿模型，设计电流环的改进型自抗扰控制器。本发明彻底解决PMSM的电流波动更小，提高系统的抗动能力，增加电机的稳定性的技术需求。

技术领域

本发明涉及一种基于扩张状态观测器的永磁同步电流控制器的设计方法，属于伺服控制系统技术领域。

背景技术

在高精度伺服系统中，由于永磁同步电机(PMSM)性能优越，广泛应用于各种工业领域和高性能伺服系统，逐渐成为伺服系统执行电机的主流。然而永磁同步电机作为一个多变量、非线性、强耦合的被控对象，在伺服系统实际运行过程中，电机本体参数会发生变化，同时负载对象存在着不确定性，主要有转动惯量变化以及负载扰动等；另外，伺服系统的应用环境也大多存在各种干扰。这些扰动因素对伺服系统期望的伺服性能如动静态特性、控制精度和稳定性等方面造成不良的影响，有时甚至会引起控制品质严重下降，鲁棒性得不到保证。传统的控制理论对系统参数变化的适应能力较差,难以克服系统扰动、参数大范围变化等扰动因素对系统性能的影响，抗干扰能力较弱，难以达到高精度伺服控制的要求。随着控制理论的发展，很多先进的算法被应用于永磁同步电机的控制研究中，如内膜控制、模糊控制、神经网络控制、滑模变结构控制等。但是其中的许多方法，涉及的数学知识较多，计算和实现较为复杂，不少方法只是停留在数值仿真阶段, 而且抗扰动能力有限。所以，针对当前伺服控制系统中面临的问题，需要寻求一种性能更加优良、抗扰动能力强、易于实现的伺服控制策略，来满足日益迫切的高性能的伺服控制需求，使伺服系统具有较强的抗扰能力。其中电流环是永磁同步电机的最内环，其主要功能是通过改善系统最内环性用来改善整个系统的动态性能，所以其电流环的好坏，会直接影响到速度环和位置环的性能，从而会影响到整个永磁同步电机的性能。

由于自抗扰控制技术(ADRC)不依赖于被控对象的内部机理和外扰规律，通过对总扰动量的实时估计并给予及时主动补偿，具有抗扰动能力强、精度高、响应速度快、结构简单等特点，同时算法简单、易实现，对被控系统的不确定性没有严格限制，因而在永磁同步伺服系统的抗扰动能力方面有着其他控制策略无法比拟的优势，成为了 PMSM伺服控制系统控制策略的研究热点。在用自抗扰控制的PMSM 伺服系统中，要想取得好的控制效果，观测器的跟踪效果必须很好才有可能，也即需要扩张状态观测器(ESO)的估计精度要高，如果ESO 的估计能力无法满足系统的控制精度的要求，反过来就会使得自抗扰控制系统的性能受到严重影响。ESO所估计的扰动项包括转速、转矩的变化以及转动惯量和阻尼系数的变化等。在永磁同步电机运行过程中，这些参数及扰动量都会发生变化，尤其是在负载扰动大的时候，扰动项幅值会很大。如果扰动的总和变化过大、过快，让ESO直接估计出这种扰动显然是加重了观测器的负担，ESO对扰动的估计难以保证很高的精度，导致自抗扰控制器对系统扰动也难以进行准确的补偿，限制了自抗扰控制器取得更优的抗扰能力和控制性能。

现在普遍应用的非线性函数为fal(e,α,δ)函数：

在分段点δ处对fal(e,α,δ)函数求导：

αe^α-1≠1/δ^1-α,e＝δ (2-3)

可以看出在分段点处左右导数值不相同，尽管fal(e,α,δ)函数在原点处和分段点处是连续的，但是fal(e,α,δ)函数在原点处和分段点处不可导，并且没有良好的连续性和平滑性。

发明内容