基于滞环扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制方法与流程

本发明涉及永磁同步电机控制领域，尤其涉及基于滞环扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制方法。

背景技术：

1、永磁同步电机的速度控制一般包括速度环控制与电流环控制两个部分，而速度环控制直接决定电机运行的性能好坏。针对永磁同步电机的速度环控制方法，一般来说可以分为两种方式，其一为利用速度误差反馈直接进行速度控制，其包括常见的比例积分控制，滑模变结构控制，模糊比例积分控制等方式；其二为根据已知的数学模型构造状态观测器，利用状态反馈进行速度环控制，包括依赖于龙贝格观测器的鲁棒控制，依赖于扩张状态观测器的自抗扰控制等。其中，自抗扰控制技术凭借其对状态变量的扩张特性，可以较好地完成对于位置扰动的补偿，大大提高永磁同步电机的动态性能，减少超调量，增强靠扰动能力。但是，自抗扰控制技术的核心，即扩张状态观测器，其由几个积分环节串联构成，虽然由于阶数得到提升可以大大提高对于观测补偿扰动的响应能力，但其纯积分特性导致其收敛速度依然不够迅速，无法做到在扰动出现时就快速完成对扰动的观测补偿。

2、中国专利cn115242146a《一种基于mpc的永磁同步电机控制系统的自抗扰控制方法》提供了一种基于mpc的永磁同步电机控制系统的自抗扰控制方法，以模型预测作为电流内环，减小定子电流脉动，提高系统控制精度，通过卡尔曼观测器引入自抗扰控制器，提高eso(扩张状态观测器)的性能，同时估计负载转矩的扰动量，将卡尔曼观测器与eso相结合。然而上述现有技术的抗干扰能力不足，且不具备短时间恢复原状态的能力。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了基于滞环扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制方法，用于解决现有永磁同步电机速度控制方法的抗干扰能力不强，不具备短时间恢复原状态的能力的问题。

2、本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了基于滞环扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制方法，包括以下步骤：

3、s1，确定速度采样方式与采样周期，建立永磁同步电机的运动方程与转矩方程的数学模型；

4、s2，设计用于永磁同步电机的常规自抗扰控制器；

5、s3，设计基于滞环扩张状态观测器的永磁同步电机自抗扰控制器badrc，根据确定的采样周期进行速度采样与中断控制，完成对永磁同步电机的速度控制。

6、优选的，步骤s1具体包括：

7、建立与外环速度环相关的永磁同步电机的运动方程与转矩方程数学模型为，

8、

9、其中，te为永磁同步电机的运动方程，tl为永磁同步电机的转矩方程，j为电机的转动惯量，wr为转子机械角速度，np为电机极对数，ld为d轴电感，lq为q轴电感，为永磁体磁链。

10、优选的，步骤s2具体包括：

11、建立一阶被控对象的数学模型，

12、

13、其中，y为系统的输出量，b0为控制系统设定参数，u1为被施加的控制量，f(y,w)为系统的扰动函数，w为系统的外部扰动。

14、优选的，步骤s2还包括：

15、将系统的扰动函数写成系统的状态变量，重新建立一阶被控对象的数学模型，

16、

17、其中，x1和x2为被控系统的状态变量，y1为系统的输出量，h为系统的总扰动的一阶导数。

18、优选的，步骤s2还包括：

19、建立二阶线性扩张状态观测器的数学模型，

20、

21、其中，z1为被控对象的输出y2的观测值，z2为控制系统的总扰动的观测值，y2为系统的输出量，β1和β2为扩张状态观测器的增益系数。

22、优选的，步骤s2还包括：

23、基于永磁同步电机的运动方程与转矩方程，建立永磁同步电机速度环的一阶自抗扰控制器，其扩张状态观测器方程为，

24、

25、其中，x3为扩张状态观测器对速度反馈的观测值，x4为扩张状态观测器对速度环扰动的观测值，k1，k2分别为两个阶次的增益系数，u(t)为速度环的输出。

26、优选的，步骤s2还包括：

27、建立永磁同步电机速度环的状态误差反馈控制器，

28、

29、其中，表示给定转速，u0为状态误差反馈控制器的输出值，u为永磁同步电机被施加的控制量，x3为扩张状态观测器对速度反馈的观测值，x4为扩张状态观测器对速度环扰动的观测值，kp为速度环的比例增益系数。

30、优选的，步骤s2还包括：

31、建立永磁同步电机速度环的自抗扰控制器adrc，

32、

33、其中，wr为永磁同步电机的速度反馈值，x5和x6为被控系统的状态变量，e0为误差反馈控制器的控制偏差。

34、优选的，步骤s3具体包括：

35、对步骤s2中建立的永磁同步电机的自抗扰控制器的扩张状态观测器进行改造，引入滞环函数，建立带有滞环函数的扩张状态观测器，

36、

37、

38、其中，wr表示永磁同步电机的速度反馈值，bangbang(m,e0,k)函数为滞环函数，m配置一个大于k的数，大小在2k～5k之间。

39、优选的，步骤s3还包括：

40、使速度环的状态误差反馈控制器保持原结构，构造基于滞环扩张状态观测器的永磁同步电机速度环自抗扰控制器，

41、

42、对建立的基于滞环扩张状态观测器的永磁同步电机速度环自抗扰控制器badrc，采用0.0000625s的采样周期进行速度采样与中断控制，完成对永磁同步电机的速度控制。

43、本发明的基于滞环扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制方法相对于现有技术具有以下有益效果：

44、(1)通过将滞环控制与扩张状态观测器相结合，提出了基于滞环控制的扩张状态观测器，用于对永磁同步电机包括内部扰动与外部扰动的总扰动的观测与补偿，在对被控对象数学敏感度较低的前提下实现对扰动的补偿工作；

45、(2)通过滞环控制的阶跃特性，实现了在不增加稳态时噪声敏感性的前提下实现扩张状态观测器观测速度的极大提升，在扰动量较大的场合尤其是突加扰动与阶跃扰动等场合具有更为优秀的观测与补偿效果；

46、(3)极大提高了永磁同步电机的动态响应性能与抗扰能力，提高系统的鲁棒性与抗扰性。

技术特征：

1.基于滞环扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的基于滞环扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括：

3.如权利要求2所述的基于滞环扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制方法，其特征在于，所述步骤s2具体包括：

4.如权利要求3所述的基于滞环扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制方法，其特征在于，所述步骤s2还包括：

5.如权利要求4所述的基于滞环扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制方法，其特征在于，所述步骤s2还包括：

6.如权利要求5所述的基于滞环扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制方法，其特征在于，所述步骤s2还包括：

7.如权利要求6所述的基于滞环扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制方法，其特征在于，所述步骤s2还包括：

8.如权利要求7所述的基于滞环扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制方法，其特征在于，所述步骤s2还包括：

9.如权利要求8所述的基于滞环扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制方法，其特征在于，所述步骤s3具体包括：

10.如权利要求9所述的基于滞环扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制方法，其特征在于，所述步骤s3还包括：

技术总结
本发明提出了基于滞环扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制方法，涉及永磁同步电机控制领域，包括以下步骤：S1，确定速度采样方式与采样周期，建立永磁同步电机的运动方程与转矩方程的数学模型；S2，设计用于永磁同步电机的常规自抗扰控制器；S3，设计基于滞环扩张状态观测器的永磁同步电机自抗扰控制器BADRC，根据确定的采样周期进行速度采样与中断控制，完成对永磁同步电机的速度控制。通过将滞环控制与扩张状态观测器相结合，提出了基于滞环控制的扩张状态观测器，用于对永磁同步电机包括内部扰动与外部扰动的总扰动的观测与补偿，在对被控对象数学敏感度较低的前提下实现对扰动的补偿工作。

技术研发人员：王金龙
受保护的技术使用者：武汉洛伦兹技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12