一种采用新型过渡过程的容错永磁电机速度控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及永磁电机速度控制技术，具体的是一种采用新型过渡过程的容错永磁 电机速度环线性自抗扰控制（LADRC)方法，适用于永磁同步电机高性能伺服控制领域。
【背景技术】
[0002] 永磁同步电机是一个复杂的非线性，强耦合的系统，在运行过程中通常会发生参 数摄动和外部干扰。然而在永磁同步电机矢量控制调速系统中，通常采用速度外环和电流 内环的双闭环控制系统，且控制器均采用传统的PID控制器。由于传统PID控制器存在超 调量大，响应时间长，抗扰动能力较差等缺点，通常不能达到满意的控制效果。因此很多先 进的算法被应用于永磁同步电机调速系统，如神经网络控制方法，滑模变结构控制方法，模 糊控制方法，自适应控制方法等，但它们大多需要进行复杂的数学运算和理论推导，难以真 正应用于永磁同步电机调速系统中。因此，研究新型的简单控制算法，并将其应用到容错永 磁同步电机控制系统中以提高控制系统的性能是一个亟待解决的问题。
[0003] 采用传统的线性跟踪微分器虽然可以达到减小超调量的目的，可是转速依然会有 超调，这是由于传统的线性跟踪微分器并没有完全考虑电机的启动特性，使电机在起始阶 段的误差得以积累，最终产生超调。而且传统的线性跟踪微分器的使用并没有起到提高系 统鲁棒性的作用，没有一个明确的调节参数的方向，对电机转速的控制的指导不够明确。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种小（无）跟随误差的容错永磁同步电机速度控制方法， 用以解决容错永磁同步电机在动态过程中响应快速性和超调之间的矛盾以及提高稳态时 的抗扰动能力，以提尚电机运彳丁的性能。
[0005] 本发明的技术方案是在线性自抗扰控制器基础上，根据电机的动态特性设计跟踪 微分器，使电机在动态过程中转速可以准确的跟踪给定值。在本发明设计的速度控制器中， 除了跟踪微分器，控制器的调节参数都由带宽值（即观测器系统的特征多项式的极点值） 决定，与传统控制器相比减少了控制器参数的数量和调节的难度，同时保证了系统的鲁棒 性。
[0006] 本发明采用的技术方案有以下步骤：一种采用新型过渡过程的容错永磁电机速度 控制方法，包括以下步骤：
[0007] S1，给定电机转速值η%设计一种新型过渡过程的跟踪微分器，获得电机转速实时 给定值ν1;所述跟踪微分器根据电机动态特性安排过渡过程，依据转速给定η $合理的安排 实时转速给定值^，将此过渡过程函数表示为：
[0009] 其中，f为转速给定值，ν i为转速过渡信号，ν 2为过渡信号的微分信号，k是根据 电机动态特性而设计的快速因子；
[0010] S2,通过光电编码器获得永磁同步电机的转子位置Θ，通过光电编码器获得容错 永磁电机转子位置Θ，然后经过5s/2r坐标变换模块将相电流转变为d-q电流，采用2r/2s 坐标变换模块将d-q轴电压转变为α - β轴电压，并计算出转速n ;
[0011] S3,根据转速给定值Vi和转速反馈值η对速度环线性自抗扰控制器进行设计，速 度环线性自抗扰控制器中的线性扩张状态观测器是对永磁同步电机控制系统的转速输出 和系统总扰动进行观测，得出转速观测值Zl和扰动估计值ζ 2，最后求出线性自抗扰控制器 的相关控制参数；
[0012] S4,将由线性自抗扰控制器得到的控制信号u(即交轴电流给定值ζ )作为内环q 轴电流控制器的给定，进而实现电机调速控制，经旋转坐标系到静止坐标系的变换得到静 止坐标系α-β轴的电压U。、Up，将其送入空间电压矢量SVPWM调制模块产生电机各相的 PWM波信号，实现电机的转速控制。
[0013] 进一步，所述步骤S1中，快速因子函数的表达式为：
[0015] 其中，t表示系统运行时间，V T2、^分别表示系统运行的三个时间点，它们之间 的关系是由电机电气时间常数和机械时间常数决定，a_表示系统最大加速度，a ,表示系统 实时加速度，/表示线性自抗扰控制器实时估计转矩扰动，h是转矩反馈系数。
[0016] 进一步，所述?\、T2、T3三个参数之间的关系满足8T 8(T 3-T2) = L-Ti。
[0017] 进一步，所述快速因子函数k的参数选取为：?\= 0. 005, T 2= 0. 045, T 3= 0. 05， amax= 330? h = 0. 4〇
[0018] 进一步，所述步骤S3的具体过程为：
[0019] S3. 1，建立永磁同步电机控制系统的线性扩张状态观测器，线性扩张状态观测器 是对容错永磁同步电机控制系统的转速输出和系统总扰动进行观测获得转速观测值zJP 扰动估计值z2，具体表达式为：
[0021] 其中，e为观测值与实际值的差值，4是转速观测值的微分信号，七是系统总扰动的 微分信号，u为自抗扰控制器的输出信号
·由系统模型确定，β ρ β 2为控制器参数；
[0022] S3. 2,构建线性扩张状态观测器的特征多项式，并调节特征多项式中的参数βρ β 2;
[0024] S3. 3,根据线性误差反馈控制律将转速过渡信号Vl和转速输出观测值ζ亦差得到 误差e2, e2经一比例控制器得原始控制信号u。，再经扰动补偿得自抗扰控制器的控制信号 u ：
[0026] 其中，kp为比例控制器增益，通常取kp= ω。，称控制器带宽；
[0027] S3. 4,最后得出观测器带宽ω。和控制器带宽ω。需满足ω5-10 ω。。
[0028] 进一步，所述控制器带宽为1〇〇,比例控制器增益kp= 100,观测器带宽ω。 =500,控制器参数 1000, β 2= 250000。
[0029] 本发明具有以下有益效果：
[0030] 1)根据电机矢量控制系统所允许的物理最大加速度安排一个快速且平稳的过渡 过程，专门根据五相容错永磁同步电机的动态特性设计一种新型跟踪微分器，使电机在动 态过程中转速可以准确的跟踪给定值；并且利用线性自抗扰控制器对加速度进行实时补 偿，使电机在整个动态过程中实现无超调快速响应。
[0031] 2)快速因子函数 k 的参数选取为：?\= 0·005、Τ2= 0·045、Τ3= 0·05、&ΜΧ= 330、 h = 0. 4。从快速因子函数的波形图可以看出，它和一般直流电机启动或突加负载时电流波 形很类似，利用此快速因子函数，可实现永磁电机动态过程中的小（无）误差运行。
[0032] 3)经过大量的实验验证：所述控制器带宽为1〇〇,比例控制器增益kp= 100， 观测器带宽《。= 500,控制器参数β ι= 1000, β 2= 250000,由于电机在整个运行过程中 是小（无）误差运行，比例控制器增益kp能在一个较大范围取值，大大增强了控制器的鲁 棒性且不引起系统震荡；由于采用线性自抗扰控制器，除了跟踪微分器外，需调节的参数只 有一个观测器带宽值ω。，很大程度上简化了控制器设计难度。
[0033] 4)相对于传统ΡΙ控制器来说，本发明设计的新型控制器具有很强的抗扰动能力， 且缩短了系统响应扰动的时间。
[0034] 从以上所述可以得知，采用本发明新型控制器后，系统抗负载扰动的鲁棒性提高 了，更重要的是系统响应时间缩短了且无超调。
【附图说明】
[0035] 图1为采用本发明转速控制器的五相容错永磁电机空间电压矢量控制结构框图；
[0036] 图2五相容错永磁电机截面图；
[0037] 图3为五相容错永磁电机交轴等效电路图；
[0038] 图4为新型跟踪微分器中快速因子函数波形图；
[0039] 图5为速度环线性自抗扰控制器框图；
[0040] 图6为不同时刻施加的负载转矩扰动量波形图；
[0041] 图7为在有负载转矩阶跃情况下采用PI控制器的转速响应波形图；
[0042] 图8为在有负载转矩阶跃情况下采用新型控制器的转速响应波形图；
[0043] 图9为在空载情况下采用PI控制器的转速阶跃响应波形图；
[0044] 图10为在空载情况下采用新型控制器的转速阶跃响应波形图。
【具体实施方式】
[0045] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述。
[0046] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0047] 本发明是在如图1所示的五相容错永磁同步电机空间电压矢量控制结构框图基 础上实施的。图2为本文设计的五相容错永磁电机的截面图。由图2可知，本文选用的五 相电机永磁体呈V型排布，永磁体内嵌在转子里，使得加工和安装都比较方便。对于永磁体 内嵌式的电机而言，能够产生磁阻转矩，合理利用磁阻转矩，可增加永磁电机电磁转矩的密 度以及扩大电机的调速范围。定子绕组采用单层集中式分布，可以减小铜耗，提高效率。电 机的电枢齿和容错齿交替排布，并且容错齿的宽度小于电枢齿，以此优化反电势，同时减少 齿槽转矩和输出转矩脉动。单层集中式绕组与容错齿结构能减少相与相之间的耦合，提高 电机的容错性能。
[0048] 本发明在转速环线性自抗扰控制器基础上，设计一个新的跟踪微分器（New TD)给 转速安排过渡过程，使容错永磁同步电机在动态过程中能够保证无超调量且具有快速响应 速度。具体实施方案包含以下步骤：
[0049] 1)转速值给定f经所设计的新型跟踪微分器得转速过渡信号v i，该过渡过程函数 表示为
[0051] 其中，f为转速给定值，v i为转速过渡信号，v 2为过渡信号的微分信号，k为根据 电机动态特性而设计的快速因子函数，其表达式为
[0052]
[0053] 其中，t表示系统运行时间，V T2、^分别表示系统运行的三个时间点，它们之间 的关系是由电机电气时间常数和机械时间常数决定，a_表示系统最大加速度，a ,表示系统 实时加速度，/表示线性自抗扰控制器实时估计转矩扰动，h是转矩反馈系数。
[0054] ?\、T2、1~3三个参数反映的是电流响应和转速响应之间的关系，在选取这三个参数 时要考虑到这一点，因此需寻找一种可以反映电机机械和电气特性的常数。
[0055] 设机械时间常数、电气时间常数％，两个常数的具体测量方法为：
[0056] U在绕组上加阶跃电压U，测量出角速度达到最大角速度的63. 2%时所用时间；
[0057] :将电机转子固定，在绕组上加上阶跃电压U，测量出在电流达到最大电流的 63. 2 %时所需时间。
[0058] 图3为容错永磁电机交轴等效电路图，可知电机电气时间常数为
，机械时间 常数
°Lq为永磁电机的q轴电感，RS为电机定子电阻，J为电机转动惯量。KJPK T 分别是反电势常数和电磁转