一种基于负载转矩辨识观测器的二阶滑模永磁同步电机复合控制方法

本发明属于永磁同步电机控制领域，涉及一种基于负载转矩辨识观测器的二阶滑模永磁同步电机复合控制方法。

背景技术：

1、永磁同步电机以其功率因数高、效率高、动态响应快、可靠性高等优点，在工业、民用和军事领域得到了广泛的应用。近年来逐渐取代了一些大型高端设备中使用的传统大功率异步机或液压系统，如伺服拉床、全电动注塑机、曲柄伺服压力机等。当永磁同步电机驱动系统应用在上述大型高端设备中，在负载和惯性变化较大的工况下，传统控制器往往难以抑制转速波动。为了实现这一目标，需要在线负载转矩识别。

2、滑模观测器具有鲁棒性强、对系统参数变化不敏感、响应速度快、易于实现等优点。因此，许多基于滑模观测器的参数识别方法被提出。然而，在上述的传统滑模观测器中，符号函数会导致高频抖振问题，这可能会造成系统振荡、性能下降，甚至系统不稳定。一种折中的解决方案是增加一个低通滤波器来获取估计参数的有用信息。遗憾的是，低通滤波器的引入会导致相位延迟，增益下降，影响估计精度和驱动系统的性能。因此，需要适当的补偿来减轻低通滤波器的影响，特别是在估计连续相位延迟显示为的交流信号时。

3、高阶滑模控制通过在滑模变量的高阶微分中引入非连续控制，使得控制量通过积分得到，因此控制量在时间上是本质连续的，避免了传统一阶滑模中不连续量显存于滑模变量一阶导数中的缺点，既保留了传统滑模对外界干扰及不确定性具有不变性的优点，也削弱了传统一阶滑模的抖振。

4、因此，本发明设计了一种复合二阶滑模控制器，二阶滑模能够有效抑制非连续项导致的抖振，同时负载转矩辨识观测器能在不同工况以更高的精度和更快的响应速度识别负载转矩，提高抗扰性能。

技术实现思路

1、本发明是一种基于负载转矩辨识观测器的二阶滑模永磁同步电机复合控制方法。通过设计二阶滑模复合控制器使电机转速在复杂工况下能快速准确跟踪至给定转速。具体步骤如下：

2、步骤1、采用坐标变换法对永磁同步电机建立旋转坐标系模型，选取滑模面，利用继电-多项式方法进行二阶滑模控制器设计，使电机实际转速快速稳定跟踪给定转速；

3、步骤2、为进一步改善步骤1所提出控制器的鲁棒性，建立转矩辨识观测器运动学方程；

4、步骤3、基于步骤2中的运动学方程，引入一种新型的非光滑函数代替开关函数作为切换函数降低不连续性；

5、步骤4、基于步骤3中的运动学方程，引入levant滑模滤波器降低高频信号对本观测器的输入干扰；

6、步骤5、基于步骤4中的运动学方程，构造反馈回路进一步抵消低通滤波器对观测器增益下降的影响；

7、步骤6、基于步骤5中的改进，得到负载转矩估计值；

8、步骤7、将步骤6得到的负载转矩估计值补偿在步骤1所设计的控制器中，得到一种基于负载转矩辨识观测器的二阶滑模永磁同步电机复合控制方法。

9、进一步，所述步骤1，使用坐标变换法对永磁同步电机建立旋转坐标系模型，假设永磁同步电机系统处于理想状态下，则永磁同步电机在旋转坐标系下的电压方程为：

10、

11、转矩方程为：

12、

13、机械运动方程为：

14、

15、其中，ud、uq分别是定子d、q轴电压；id、iq分别为定子d、q轴电流；分别为定子d、q轴磁链；r为定子绕组相电阻；ld、lq分别为定子绕组d、q轴电感；为电机磁链；ωe为电角速度；te为电磁转矩；pn为极对数；tl为负载转矩；b为摩擦系数；j为转动惯量；ω为转子机械角速度，且ωe＝pω；

16、选择滑模面s：

17、s＝ω-ωref

18、其中，ωref为参考转速；特别地，对滑模面s求导可得到，即永磁同步电机机械运动方程：

19、

20、进而，对滑模面s进一步求导可得：

21、

22、其中被看作是虚拟控制器，实际控制器iq需要通过积分得到；

23、需要指出的是，通过设计一个虚拟控制器iq作为实际控制器，通过积分可以削弱控制信号的抖振，改善控制性能；

24、虚拟控制器具有如下形式：

25、

26、其中α、β1、β2为正常数，β1决定系统状态趋近滑动模态的速度，β2为控制增益，需要注意，为了保证控制器使得系统稳定，控制增益β2需要大于负载转矩上界；

27、进一步，二阶滑模控制器设计为

28、进一步，所述步骤2中，负载转矩辨识观测器可以构造为：

29、

30、其中为转速估计值，ω为传感器实际测得转速值，k为滑模增益；

31、将机械运动方程与负载转矩观测器方程作差，可得

32、

33、由滑模理论可知，当状态变量到达滑模面并沿滑模面来回穿越时，此时负载转矩tl被估计为：

34、

35、进一步，所述步骤3中，由于控制信号符号函数为不连续信号，实际使用过程中会引发系统抖振，为获得一个更准确的负载转矩观测值，将开关函数替换为非光滑函数其中α为正常数，特别的，当α为0时，该非光滑函数退化为符号函数；

36、得到新的观测器表达式：

37、

38、此时，通过将不连续控制信号替换为连续的非光滑信号，进一步降低了观测器抖动，提高了观测精度。

39、进一步，所述步骤4中，设计levant观测器：

40、

41、其中，z0为进一步滤除中高频信号的平均值，z1为平均值z0的导数，λ0，λ1，λ2，l是大于零的常数，z-1是内部辅助变量。

42、进一步，所述步骤5中，构建反馈回路进一步抵消滤波器对观测器增益的影响；

43、此时，新的转矩辨识观测器方程为：

44、

45、其中，l为反馈回路增益，z0为进一步滤除中高频信号的平均值。

46、进一步，所述步骤6中，将标准转矩估计值改写为：

47、

48、其中，l为反馈回路增益，通过改变低频分量的权重，可以进一步抑制高频干扰和改善观测器增益下降问题。

49、进一步，所述步骤7中，补偿负载转矩后二阶滑模复合控制器具有如下形式：

50、

51、其中β1、β2为正常数，β1决定系统状态趋近滑动模态的速度，β2为控制增益，为负载转矩观测值；

52、需要指出的是，当负载转矩被观测器补偿时，控制器增益不再需要大于负载转矩上界，而可以取一个更小的值来降低抖振，减少不必要的能量损耗。

53、发明具有以下有益技术效果：

54、1.为了提高传统传统转矩辨识观测器的收敛速度和估计精度，设计了levant滑模滤波器结合反馈回路方法，克服了采样时间对滤波器性能的影响，减少低通滤波器带来的增益下降和相位迟滞问题；

55、2.非光滑函数代替符号函数降低观测器不连续性，使得观测器能够快速准确观测到转矩变化；

56、3.将负载转矩辨识观测器与二阶滑模控制器结合，使得电机转速在复杂工况下能够更好跟踪给定转速，控制器抖振降低，也进一步减少了能量损耗。

57、本发明设计了一种基于负载转矩辨识观测器的二阶滑模永磁同步电机复合控制方法。首先基于永磁同步电机的数学模型设计了一种二阶滑模控制器；其次，为了提高传统传统转矩辨识观测器的收敛速度和估计精度，设计了levant滑模滤波器结合反馈回路方法，克服了采样时间对滤波器性能的影响，减少低通滤波器带来的增益下降和相位迟滞问题，同时用非光滑函数代替符号函数降低观测器不连续性，使得观测器能够快速准确观测到转矩变化；最后将观测器与二阶滑模控制器结合，使得电机转速在复杂工况下能够更好跟踪给定转速，控制器抖振降低，也进一步减少了能量损耗。