一种基于自抗扰和锁相环技术的永磁同步电机系统无传感器速度控制方法
【专利摘要】一种基于自抗扰和锁相环技术的永磁同步电机系统无传感器速度控制方法，包括:建立永磁同步电机系统的数学模型，初始化系统状态及控制参数；设计扩张状态观测器，估计电机的反电动势；基于三角函数，设计锁相环系统，通过估计的反电动势提取电机转子的速度和位置信号，并基于自抗扰设计电机的速度控制器。本发明能够有效解决永磁同步电机系统的复杂不稳定问题，简化电机硬件设计，实现永磁同步电机系统的无传感器稳定控制。
【专利说明】
-种基于自抗扰和锁相环技术的永磁同步电机系统无传感器 速度控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于永磁同步电机控制技术领域，设及一种基于自抗扰和锁相环技术的永 磁同步电机系统无传感器速度控制方法，特别是对于含有不确定项的永磁同步电机系统的 无传感器速度控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着经济和科技的快速发展，永磁同步电机在工业生产中占据着越来越重要的位 置。对于永磁同步电机来说，矢量控制是一种常见的控制策略，矢量控制需要知道电机转子 的速度和位置。传统的方法是使用机械传感器来检测电机的转子速度和位置，但是运种方 法不仅造价昂贵而且不可靠。无传感器控制方法有许多优点，例如成本低，硬件结构简单， W及更高的可靠性等等。无传感器控制的关键是状态观测器的使用，如果能够合理的选取 控制参数，那么无传感器控制方法就可W在线提供准确的速度和位置变量。
[0003] 到目前为止，已经有很多方法被用来估计永磁同步电机的转子的速度，例如卡尔 曼滤波法，模型参考自适应法，滑模观测器方法等等。在W上提到的方法中，滑模观测器法 是一种最常见的基于状态观测器的方法，虽然运种方法设计过程非常简单，但是它会引起 严重的抖振问题。而模型参考自适应法虽然没有抖振问题，但是设计过程较为复杂。
【发明内容】
[0004] 为了解决带有不确定项的永磁同步电机无传感器速度控制问题，使永磁同步电机 系统能够在有限时间内稳定并具备较强的鲁棒性，本发明提供了一种基于自抗扰和锁相环 技术的无传感器控制方法，该方法采用扩张状态观测器观测系统中的不确定项和反电动 势，并基于观测到的反电动势，设计一种锁相环方法来提取转子的速度和位置信号，电机的 速度控制器是基于自抗扰方法设计的，最终可W实现电机的持续稳定运行。
[0005] 为了解决上述技术问题提出的技术方案如下：
[0006] -种基于自抗扰和锁相环技术的永磁同步电机无传感器速度控制方法，包括W下 步骤：
[0007] 步骤1，建立永磁同步电机系统数学模型，初始化系统状态及控制参数，过程如下： [000引1.1，永磁同步电机的数学模型表示如下：
[0009]
(I)
[0010] 其中，ia，ie分别为a轴和0轴上的定子电流;Ua，ue分别为a轴和0轴上的定子电压;R 为定子的等效电阻;ea，ee分别为a-e轴上的反电动势，表示如下：
[0011]
(2)
[001 2]其中，Ie为反电动势系数;0和CO分另鳩转子的速度和位置信号；
[001引1.2,式（1)被转化为：
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[001引其中Xl为[ia ie]T，X康示[/。ij;u。为[UaUe]T，b是控制器的增益并满足b = l/l; d(t)为系统总的扰动;根据式(3)，设计W下的反电动势观测器来估计反电动势ea和ee;
[0016]
(4)
[0017] 其中，ZOl和Zll分别是ia和ie的观测值；ei和62分别是估计误差；Z02和Z12都是反电动 势的估计值;e〇i，阶2都是正常量；
[001引 1 .3.巧据式（2)，获得：
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[0020] 并且有：
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[0022] 其中，I为转子位置0的估计值；
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[002引其中，爲是估计误差，当#变得很小的时候，得到Sin曲S0，经过锁相环的调节之 后，最终得到I斗0，因此0二苗成立；
[0026] 1.4,锁相环的传递函数和闭环误差传递函数如下所示：
[0027] 喊
[002引 锁
[0029] 由丰巧早的仿晋倍写县阶献倍写.巧化鋪相环的稳态误差传递函数为；
[0030]
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[0031 ]步骤2，基于自抗扰的速度控制器设计，过程如下：
[0032] 2.1，电机的运动学模型建立如下：
[0033]
(11)
[0034] 其中，a(t)为系统的总扰动；
[0035] 系统的状态方程为：
[0036]
(12)
[0037] 2.2，线性扩张状态观测器被设计为：
[00測
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[0039] 其中，Zl为O (t)的观测值;Z2为系统总扰动的估计值;和都是正常量；
[0040] 2.3，非线性误差反馈控制器设计如下：
[0041 ]
(14)
[0042] 其中，u(t)为电机的速度控制器输入信号；COm为电机速度的参考信号;b为电机速 度的参考信号；
[0043] 2.4，为了简化线性扩张状态观测器，U被设计为：
[0044]
(巧）
[0045] 忽略系统扰动的影响，式(12)被简化为：
[0046]
(巧)
[0047] 根据式（12)和式（16)，系统的闭环传递函数为：
[0048]
(17)
[0049] 通过选择k，速度控制系统能够保持稳定。
[0050] 本发明的技术构思为:采用基于扩张状态观测器来设计，扩张状态观测器是自抗 扰控制的一部分，运种控制方法有一系列的优点，例如更快的响应速度，更高的精度，W及 更强的鲁棒性。
[0051] 锁相环是一种根据反电动势来提取转子位置和速度的工具，它可W有效的抑制系 统的高频噪声。锁相环一般由=部分组成，分别是电压振荡器，鉴相器，环路滤波器=部分 组成。相比于传统的直接计算方法，锁相环方法不仅提高了估计精度，而且对于系统噪声具 有很大的抑制能力。
[0052] 针对带有非线性不确定项的永磁同步电机系统，本发明采用扩张状态观测器来逼 近系统中的非线性不确定项和估计反电动势，并根据观测到的反电动势设计了锁相环来提 取电机转子的速度和位置信号，相比于传统的机械传感器方法，有效降低了电机的成本并 提高了电机运行的稳定性。此外，基于自抗扰方法设计了电机的速度控制器，增强了系统抗 扰动的能力。本发明提供了一种能够有效估计电机转子速度和位置的方法，并使系统的鲁 棒性得W提高，确保永磁同步电机无传感器速度控制系统能够实现较好的控制效果。
[0053] 本发明的有益效果为:实现永磁同步电机的精确控制，降低了电机的成本，提高 系统的快速收敛性能和鲁棒性。
【附图说明】
[0054] 图1为本发明的控制流程图；
[0055] 图2为自抗扰和PID的速度输出信号比较；
[0056] 图3为受扰动时的自抗扰控制器速度输出；
[0057] 图4为受扰动时的PID控制器速度输出；
[005引图5为估计转子速度信号比较；
[0059] 图6为估计转子位置信号比较。
【具体实施方式】
[0060] 下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0061] 参照图1-图6,一种基于自抗扰和锁相环技术的永磁同步电机无传感器速度控制 方法，包括W下步骤：
[0062] 步骤1，建立永磁同步电机系统数学模型，初始化系统状态及控制参数，过程如下：
[0063] 1.1，永磁同步电机的数学模型表示如下：
[0064]
(I)
[0065] 其中，ia，ie分别为a轴和0轴上的定子电流;ua，ue分别为a轴和0轴上的定子电压;R 为定子的油* K日.。。。。令、别为a-e轴上的反电动势，表示如下：
[0066] (2)
[0067]其中，Ie为反电动势系数;0和《分别是转子的速度和位置信号；
[006引1.2,式(1)被转化为：
[0069]
(3)
[0070] 其中Xi为[ia ie]T，x2表示4 /f]T;u〇为[Ua ue]T，b是控制器的增益并满足b = l/l; d(t)为系统总的扰动;根据式(3)，设计W下的反电动势观测器来估计反电动势ea和ee;
[0071]
(4)
[00巧其中，ZOl和Zll分别是ia和ie的观测值;ei和62分别是估计误差;Z02和Z12都是反电动 势的估计值;e0i，e02都是正常量；
[0073] 1.3,根据式(2)，获得：
[0074]
口）
[00对并且有：
[0076]
(6)
[0077] 其中，谷为转子位置0的估计值；
[0078] 根据式(5)和式(6)，得到：
[0079]
口、
[0080] 其中，資是估计误差，当S变得很小的时候，得到加(0')；==0'，经过锁相环的调节之 后，最终得到# ^ O，因此0 =谷成立；
[0081] 1.4,锁相环的传递函数和闭环误差传递函数如下所示：
[0082] ㈱
[0083] 留）
[0084] 由于转子的位置信号是阶跃信号，因此锁相环的稳态误差传递函数为：
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[0086] 步骤2，基于自抗扰的速度控制器设计，过程如下：
[0087] 2.1，电机的运动学模型建立如下：
[008引
（11)
[0089] 其中，a(t)为系统的总扰动；
[0090] 系统的状态方程为：
[0091]
似
[0092] 2.2，线性扩张状态观测器被设计为：
[OOW]
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[0094]其中，Zl为CO (t)的观测值;Z2为系统总扰动的估计值;和都是正常量；
[009引2.3，非线性误差反馈控制器设计如下：
[0096] u(t) = (k( COm-W )-z2)/b (14)
[0097]其中，u(t)为电机的速度控制器输入信号；COm为电机速度的参考信号;b为电机速 度的参考信号；
[009引2.4，为了简化线性扩张状态观测器，U被设计为：
[0099]
'(巧）
[0100] 忽略系统扰动的影响，式(12)被简化为：
[0101]
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[0102] 根据式(12)和式(16)，系统的闭环传递函数为：
[0103]
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[0104] 通过选择k，速度巧制系统能够保持稳定。
[0105] 为验证所提方法的有效性，本发明对无传感器速度控制系统的控制效果进行仿真 实验，并与PID速度控制器、基于滑模观测器的无传感器速度控制效果进行了对比。设置实 验中的初始条件和控制参数为:采取仿真步长0.01s;电机参数设置为Ua = 300，L = 0.0085， 恥= 0.067，R = 3.98;取PID参数为kp = 0.5,ki = 0.067;自抗扰控制器参数为021 = 0.1，022 = 200，b = 10，k = 0.6;观测器增益为阶1 = 011 = 0.7，002 = 012 = 1000;状态变量初始状态均设为 零。期望信号为2000转/分，仿真时间设定为0.5s，初始负载转矩设定为2N. m。
[0106] 图2-图6是对含有非线性不确定项的永磁同步电机无传感器速度控制系统的仿真 效果对比图。图2是自抗扰速度控制器和PID速度控制器控制下的电机输出速度信号对比 图，由图可看出基于自抗扰方法的电机实际输出速度响应速率更快，稳态精度更高，PID控 制的响应时间为0.13s，而自抗扰控制的响应时间只有0.06s。图3和图4是受干扰下的电机 实际输出速度对比，负载转矩在0.2s时突变为6N，由图可W看出，采用自抗扰方法的电机输 出速度很快恢复到稳态，但采用PID方法时，电机输出速度经过很长时间才恢复到稳态。图5 是电机输出速度的估计信号，由图可W看出，扩张状态观测器结合锁相环的方法估计误差 最小，最为接近实际输出速度。图6是电机转子位置估计信号，由图可W看出，本发明采用的 方法估计误差最小。由W上仿真效果对比可知，与传统的PID和滑模观测器比较，基于本发 明设计的无传感器速度控制器，能使系统状态快速的收敛至平衡点，且对于转子速度和位 置信号估计效果较好。从仿真实验的结果来看，基于自抗扰的永磁同步电机无传感器控制 系统能有效解决永磁同步电机系统的速度和位置估计问题，并提高系统的快速收敛性能， 增强系统的鲁棒性。
[0107] W上阐述的是本发明给出的仿真对比实验用W表明所设计方法的优越性，显然本 发明不只是局限于上述实例，在不偏离本发明基本精神及不超出本发明实质内容所设及范 围的前提下对其可作种种变形加W实施。本发明所设计的控制方案对含有不确定项的永磁 同步电机无传感器速度控制系统具有良好的控制效果，能有效估计电机转子的速度和位置 信号，使永磁同步电机系统能够持续稳定运行。
【主权项】
1. 一种基于自抗扰和锁相环技术的永磁同步电机无传感器速度控制方法，其特征在 于:包括以下步骤： 步骤1，建立永磁同步电机系统数学模型，初始化系统状态及控制参数，过程如下： 1.1，永磁同步电机的数学模型表示如下：其中，ici，if!分别为α轴和β轴上的定子电流;ua，Uf!分别为α轴和β轴上的定子电压;R为定 子的等效电阻;ea，ee分别为α-β轴上的反电动势，表示如下：其中，U为反电动势系数;Θ和ω分别是转子的速度和位置信号； 1.2, 式(1)被转化为： Λ：! = - f\x2ul{t)) + hxio (3) 其中叉1为[：^1￡!]1^2表示[41//(]2' ;11。为[11(111￡!]1'，13是控制器的增益并满足匕=1/1 ;(1(1：) 为系统总的扰动;根据式(3)，设计以下的反电动势观测器来估计反电动势ea和ee;其中，ZQ1和Z11分别是icc和ip的观测值;ei和Θ2分别是估计误差;ZQ2和Z12都是反电动势的 估计值;β〇1，β〇2都是正常量； 1.3, 根据式(2)，获得：其中，#为转子位置Θ的估计值； 根据式(5)和式(6)，得到：其中，#是估计误差，当#变得很小的时候，得到sin(如经过锁相环的调节之后，最 终得到# 4 ο.因此沒=S成立； 1.4,锁相环的传递函数和闭环误差传递函数如下所示：由于转子的位置信号是阶跃信号，因此锁相环的稳态误差传递函数为：步骤2，基于自抗扰的速度控制器设计，过程如下： 2.1，电机的运动学模型建立如下：其中，a(t)为系统的总扰动； 系统的状态方程为：2.2，线性扩张状态观测器被设计为：其中，21为《(〇的观测值;Z2为系统总扰动的估计值;β21和β 22都是正常量； 2.3，非线性误差反馈控制器设计如下： u(t) = (k( t〇m-co )-z2)/b (14) 其中，u(t)为电机的速度控制器输入信号；为电机速度的参考信号;b为电机速度的 参考信号； 2.4，为了简化线性扩张状态观测器，u被设计为：忽略系统扰动的影响，式(12)被简化为： y = (a{t)-z:) + ur, vu() (16) 根据式(12)和式(16)，系统的闭环传递函数为：通过选择k，速度控制系统能够保持稳定。
【文档编号】H02P6/182GK105827160SQ201610158167
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月18日
【发明人】陈强, 董方, 陶亮, 郭军, 郭一军
【申请人】浙江工业大学