[发明专利]一种基于无速度传感的永磁同步电机高性能控制方法

说明书

本发明公开了一种基于无速度传感的永磁同步电机高性能控制方法，包括以下：1）在软件中进行基于DSP模块化的PMSM矢量控制系统的设计与仿真；2）搭建基于DSP模块化的PMSM矢量控制系统硬件电路，建立硬件电路与上位机的双向通信；3）在上位机的速度环控制器中加入扩张状态观测器，采用自抗扰控制策略来控制电机转速，同时扩张状态观测器采集速度信号前对速度信号采用差分跟踪滤波器进行滤波处理；4）将3）中的速度环控制器引入2）中搭建的PMSM矢量控制系统硬件电路中，对PMSM进行控制；采用差分跟踪滤波器代替传统的IIR滤波器，解决了噪声的问题，从而提高电机调速性能。

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机控制方法，特别涉及一种永磁同步电机高性能控制方法，属于伺服控制系统领域。

背景技术

永磁同步电机由于其体积小，转矩惯量比大、效率和可靠性高、伺服系统性能优良，在工业生产中起到了重要的作用，特别是在机器人、航空航天、数控机床等对电机性能和控制精度要求高的场合和领域。但永磁同步电动机是一个强耦合的非线性系统。它的应用环境一般比较复杂，经常会受到各种干扰，这些干扰往往来自建模过程中忽略的不确定因素、负载的突变以及工作环境的变化。它们的存在使得闭环系统的性能变差甚至不稳定。在实际工程中，干扰往往是不可避免的，且干扰形式复杂，难以得到精确的模型。因此，采用先进的电机控制算法来提高交流调速系统的性能一直是国内外研究的热点。近年来，有许多的新型控制方法应用于永磁同步电机的控制，如滑模控制、模型预测控制、神经网络控制、自抗扰控制等，这些方法不仅丰富了永磁同步电机的控制理论，而且使得永磁同步电机的性能得到了提升。其中，自抗扰控制器(ADRC)是众多先进的控制方法之一，由于其良好的动态性能、稳定性和鲁棒性，以及理想的抗参数扰动性能，适用于永磁同步电机控制系统。传统的PID控制器不能解决高性能永磁同步电机伺服系统超调量与响应速度的矛盾，其抗干扰能力不强，不能适应不同工况下电机参数的变化(J.Han,From PID to ActiveDisturbance Rejection Control,in IEEE Transactions on IndustrialElectronics,vol.56,no.3,pp.900-906,2009)，而将自抗扰控制应用于永磁同步电机矢量控制的速度环，可以实现永磁同步电机在不同负载下的无超调速度控制，也有效解决了传统PID的问题(W.Xue,Y.Huang,Performance analysis of active disturbancerejection tracking control for a class of uncertain LTI systems,ISA Trans,vol.58,pp.133–154,2015.)。

在永磁同步电动机组成的交流传动系统中，需要检测转子的转速和磁极位置作为反馈信号。通常，反馈信号是通过同轴安装的机械传感器获得的。但是机械传感器给系统的安装造成一定的困难，增加了系统的复杂度，使系统的可靠性降低(庞晴晴.永磁同步电机无传感器控制技术研究[D].中国矿业大学,2014.)。目前，基于转速范围的无位置传感器控制有两种：一种是电机高速运行时基于反电动势的转子位置和速度估计的观测器方法和低速运行时的高频信号注入法。前者由于其操作简单，通用性好被广泛运用。目前常用的基于电机模型的转速估计方法有滑模观测器法、模型参考自适应控制算法和扩张卡尔曼滤波器。采用滑模观测器，电机反电势的估计方法相对简单，但只在电机高速运行时有效，在低速或零速启动时会有较大的误差。后面两种方法虽然鲁棒性好，在高速和低速下具有良好的控制效果，但在使用过程中有计算量大、对参数变化敏感等缺点。滑模观测器具有独特的非线性控制特性，具有实现简单、抗干扰能力强、对参数变化不敏感、鲁棒性好等优点。然而，在使用滑模观测器时，必须考虑高频抖振效应。采用基于非线性扩张状态观测器(ESO)的PMSM无位置传感器控制方法，能够较为准确地获取转子转速与位置信息，并且与传统滑模观测器相比具有更高的观测精度，同时也有效的缓解了高频抖振效应(卢青高,唐春茂,王会明,李清都.基于扩张状态观测器的无传感永磁同步电机研究[J].微特电机,2020,48(06):45-48+52)。