[发明专利]一种基于ESO-CPC的激光追踪控制系统电机Simulink仿真方法

摘要

本发明公开了一种基于ESO‑CPC的激光追踪控制系统电机Simulink仿真方法，首先建立永磁同步电机的数学模型。选择矢量控制算法。基于状态观测器的电流预测控制算法建模。根据电机和基于状态观测器的电流预测控制的数学模型，通过MATLAB/Simulink软件建立电流预测控制的仿真模型。在电机控制中形成电流闭环控制，运行电流预测控制的仿真模型，并输出仿真结果。本发明提供的方法仿真精度高、平稳性好，使控制系统具有更快的动态响应速度和更高的稳态精度。根据电机和基于状态观测器的电流预测控制算法模型建立的数学模型，可精确仿真分析电机控制中电流闭环运行的动态特征。

主权项

1.一种基于ESO‑CPC的激光追踪控制系统电机Simulink仿真方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一：建立永磁同步电机的数学模型；为简化分析，在不影响控制性能的前提下做如下假设：忽略铁心饱和效应；不计涡流和磁滞损耗；气隙磁场呈正弦分布；转子上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用；三相绕组是对称、均匀的，绕组中感应电感波形是正弦波；忽略温度、频率对电机参数的影响；根据解析模型，永磁同步电机在dq两相旋转坐标系下的状态方程式为：式中，ud,uq分别为dq坐标系下PMSM定子绕组的电压值；id,iq为dq坐标系下PMSM定子绕组的电流值；R,L分别为PMSM定子绕组的等效电阻和等效电感；ωr为PMSM的转子角速度，与电磁角速度ω关系为ω＝Pnωr；ψf0为PMSM的永磁体在定子绕组上产生磁链的幅值；Pn为PMSM的极对数；B为PMSM的粘滞摩擦系数；J为dq坐标系下PMSM的转动惯量；TL为dq坐标系下PMSM的负载转矩；步骤二：选择矢量控制算法；采用id＝0控制方式，随着PMSM负载的增加，电机端电压Ua增加，电机的功率因数cosφ减小；步骤三：基于状态观测器的电流预测控制算法建模；PMSM系统采用i_d＝0控制方式时，d、q轴电流作为状态变量，根据式(1)构造PMSM的状态空间函数，PMSM的状态空间函数的矩阵形式为：式中，i为电流矢量，且u为电压矢量，且A为电流系数矩阵，且B为电压系数矩阵，且D为常数项，且由于PMSM控制系统中的采样周期Ts小，在一个控制周期即kTs～(k+1)Ts内认为u恒定不变，k为采样周期Ts的倍数；此外，PMSM的旋转电动势的变化相对于电流环变化缓慢，在一个控制周期内认为旋转电动势也是恒定不变的；采用一阶欧拉前向离散化方法对式(2)的状态方程进行离散化，得到PMSM离散化的电流预测控制模型：i(k+1)＝F(k)·i(k)+Gu(k)+H(k)      (3)式中，i(k)为离散化的电流矢量，且u(k)为离散化的电压矢量，且F(k)为离散化的电流系数矩阵，且G为离散化的电压系数矩阵，且H(k)为离散化的常数项，且将PMSM当前周期的参考电流给定值作为下一周期的电流预测值i(k+1)，结合当前PMSM运行状态的电流矢量i(k)，计算得到PMSM电流跟随指令所需作用的电压矢量u(k)方程式为u(k)＝G‑1[i*(k)‑F(k)·i(k)‑H(k)]     (4)式中，i^*(k)为当前周期的参考电流值，且在实际的PMSM系统中，电流并不会完全跟随给定值i*(k)，将会使得控制器控制效果与理想状态有所差别；随工况的变化，PMSM参数易发生失配问题导致电机模型的计算误差，造成PMSM系统中电流抖动；因此，采用状态观测器ESO来观测实际PMSM系统的d、q轴电流，对预测电流进行修正；同时构造扩张状态变量，对PMSM系统内外扰动进行评估，以修正PMSM系统电流环的电压输出；将PMSM的d、q轴电流电压作为状态观测器的输入输出，令X1作为状态观测器的状态变量，U作为状态观测器的输入量，Y作为状态观测器的输出量，因此得到PMSM的电流状态方程式为：式中，W为PMSM控制系统的其他未知干扰；将含有电感L和电机非线性因素影响的f(X1)看作PMSM控制系统的内部扰动，与PMSM其他未知干扰W一起扩张成状态观测器一个新的状态变量X2，即：X2＝f(X1)+W      (7)基于扩张状态观测器，观测值Z₁即对PMSM交直轴电流X₁的估计，对电流预测控制器输入量即d、q轴电流参考值进行修正；观测值Z₂即对PMSM控制系统所有内外扰动X₂的估计，对电流预测控制器输出量即d、q轴电压参考值进行实时补偿；经扩张状态观测器修正补偿后PMSM电流精确跟随指令所需作用的电压矢量方程式为式中，分别为经扩张状态观测器修正补偿后PMSMd、q轴的电压矢量；γ为PMSM的电流修正权重因子；ρ为PMSM扰动量的补偿系数；Z1d,Z1q分别为Z1在d、q轴的电流观测量；Z2d,Z2q分别为Z2在d、q轴的扰动观测量；根据上述PMSM基于状态观测器的电流预测控制的数学模型，扩张状态观测器的观测量Z1修正电流环的电流输入，扩张状态观测器的观测量Z2修正电流环的电压输出；步骤四：根据电机和基于状态观测器的电流预测控制的数学模型，通过MATLAB/Simulink软件建立电流预测控制的仿真模型；在电机控制中形成电流闭环控制，运行电流预测控制的仿真模型，并输出仿真结果。