基于新型模糊自抗扰控制器的五相容错永磁电机速度控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于新型模糊自抗扰控制器的容错永磁电机速度控制方法，适用 于永磁电机高精度伺服控制领域。
【背景技术】
[0002] 随着永磁同步电机在伺服控制领域的应用越来越广泛，其对于控制精度的要求也 越来越高，其中影响永磁电机控制精度的最重要的因素便是系统的扰动。系统的扰动通常 是由系统的内部参数摄动和系统外部干扰组成，运些扰动的存在会使得系统变得不稳定。 此外，当控制系统处于不同的运行工况时，控制器的参数需发生相应的改变，运便需要进行 人工调节控制器的参数。如果无法实现参数随着工况的改变而实时调节，便无法实现系统 的无扰运行。因此，为了进一步提高永磁电机速度控制系统的精度，控制器不仅要有很强的 抗扰能力，而且要有很强的适应能力。
[0003] 在传统的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PID控制器。虽然PID控制器具有设计简单，易于掌握等 优点，但由于传统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。
[0004] 为了解决自抗扰控制器参数难于调节的问题，中国发明专利申请号为 201310129388.0《一种基于模糊自抗扰控制的PMSM伺服系统控制方法》中设计的基于模糊 自抗扰控制器的永磁同步电动机伺服系统将转速误差和转速误差的微分作为模糊模块的 输入，将非线性误差反馈控制律中的=个控制参数作为模糊模块的输出，扩张状态观测器 中的增益值是预先调节好的。运样虽然减少了系统的调节参数，但依然没有完全消除参数 的调节问题，并且由于将转速误差作为模糊控制逻辑的输入对于控制系统来说具有一定的 滞后性，无法根据系统的扰动实时调节控制器的参数。在文献（J.Gai, S.血ang，Q.血ang， M.Li,H.Wang；D.Luo,X.Wu and W丄iao."A new fuzzy active-disturbance rejection controller applied in PMSM position servo system/' 17*^ International Conference on Electrical Machines and Systems(ICEMS2014)，卵：2055-2059,2014.) 中设计了一种二阶位置环的模糊自抗扰控制器，减少了自抗扰控制器所需调节的参数，可 W在一定范围内稳定运行。该文献使用给定位置和反馈位置的误差及微分信号作为模糊控 制器的输入，模糊控制器的输出是非线性状态误差反馈的=个输入信号，并没有彻底解决 自抗扰控制器参数调节问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于新型模糊自抗扰控制技术的 五相容错永磁电机系统控制方法。该方法充分结合了线性自抗扰(LADRC)技术和模糊控制 技术的优点，可W使控制器参数随着电机运行工况实时自适应调节，保证了五相容错永磁 电机动态过程中响应快速性和无超调，同时增强了系统的抗扰动性能和鲁棒稳定性。
[0006] 本发明采用的技术方案有W下步骤：
[0007] -种基于新型模糊自抗扰控制器的容错永磁电机速度控制方法，包括W下步骤：
[0008] SI,通过光电编码盘获取五相容错永磁电机转子的位置角0，并通过微分计算得到 电机转子的速度W ;
[0009] S2,检测五相容错永磁电机的五相电流13，山1。心，16，利用转子位置信息0并经过 5s/化(Clark-Park)变换得到直轴电流id和交轴电流iq;
[0010] S3，根据速度设定值CO勺日速度反馈值CO经新型模糊自抗扰控制器得到交轴电流 的给定值弓;：
[0011] S4,直轴电流给定为0,交轴电流给定为转速环控制器的输出值和电流反馈值id 和iq分别作差，差值分别经过PI控制器得到直轴电压Ud和交轴电压Uq;
[0012] S5,利用转子位置信息，对直轴电压Ud和交轴电压Uq进行化/2s反化rk变换，得到a-0轴电压Ua和化；
[0013] S6，Ua和化作为SVPWM模块的输入，产生10路PWM脉冲，控制五相电压源逆变器产生 五相脉冲宽度变化的电压，驱动五相容错永磁电机旋转。
[0014] 进一步，所述步骤S3中模糊自抗扰控制器的设计步骤如下：
[0015] S3.1，给定电机转速值CO ^采用新型跟踪微分器1，获得电机转速实时给定值Vi;
[0016] S3.2,利用线性扩张状态观测器2观测出负载转矩扰动值d，采用跟踪微分器2从实 际的转速信号中获得无噪声污染的转速微分信号ec;
[0017] S3.3,将观测出的负载转矩扰动值d和转速微分信号ec送入模糊逻辑推理机中，得 到精确的控制器参数值，它们分别是:控制器带宽值《。、线性扩张状态观测器1的两个增益 值011和012;它们之间的关系满足:011 = 2*?〇、知=诚、《0=(4~5) ?c;
[0018] S3.4,将转速信号CO和q轴电流给定值^乘^6所得到的值送入线性扩张状态观测 器1中，再由步骤3.3中所得到的线性扩张状态观测器1的两个增益值011和012，计算得到转 速《的观测值Zl和系统的扰动值Z2 ;
[0019] S3.5，将由步骤3.1中得到的电机转速实时给定值Vi与步骤3.4中得到的电机转速 观测值Zi作差送入比例控制器中，根据步骤3.3中所得到的控制器带宽值CO C调节得到控制 量UO，比例控制器的比例参数为kp = O C;
[0020] S3.6，将由步骤3.5中得到的控制量UO减去步骤S3.4中得到的系统扰动值Z2与b的 商，得到真实的控制量(6=^^将其送入电机同步旋转坐标系的电流环控制系统中，驱动容 错永磁电机运行。
[0021] 进一步，所述步骤S3.1中新型跟踪微分器1给转速安排过渡过程包括:转速给定值 ? ^圣所设计的新型跟踪微分器1得转速过渡信号Vl，该过渡过程函数表示为
[0022] . V, = A- Y扫J -Vj j-2 矣 V:
[0023]其中，CO^3转速给定值，Vi为转速过渡信号，V2为过渡信号的微分信号，k为快速因 子函数，其表达式为
[002引其中，t表示系统运行时间，TiJsJs分别表示系统运行的立个时间点，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，amax表示系统最大加速度，at表示系统实 时加速度，f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。Tl = 0.005、T2 = 0.045、T3 = 0.05、amax=330、h = 0.化。
[0026] Ti = 0.005、T2 = 0.045、T3 = 0.05、amax = 330、h = 0.25
[0027] 进一步，所述步骤S3.2中跟踪微分器2的表达式为：
[0029] 其中，k2为快速因子常数，《表示电机转速实际值，V3为实际转速过渡信号，V4为实 际转速微分信号，即所述步骤53.3中所需转速微分信号6〇 = 乂4，其中参数1?选取为1? = 320。
[0030] 进一步，线性扩张状态观测器2的表达式为：
[0032] 其中，62为观测值与实际值的差值，Z3是转速观测值，Z4是系统总扰动，即步骤S3.2 中转矩扰动值d = Z4，U为自抗扰控制器输出信号W = /; 为线性扩张状态观测器2的增 益值。其中观测器增益值&1、022选取为&1 = 3600、022 = 1000000。
[0033] 进一步，所述步骤S3.3中线性扩张状态观测器1的表达式为：
[0035] 其中，ei为观测值与实际值的差值，Zi是转速观测值，Z2是系统扰动观测值，系统扰 动值/二2,，u为自抗扰控制器输出信号!!二（斯1、&2为线性扩张状态观测器1的增益值。
[0036] 进一步，所述步骤S3.3中模糊推理机的相关设置如下：
[0037] 负载转矩扰动值d设为[0,20N ? m]，将其范围处理为[-10N ? m，ION ? m]，然后将量 化因子写为[-2，-1，0，1，2]，对应到模糊语言中是[NB，NS，ZO，PS，PB]，表示为[负大，负小， 零，正小，正大];
[0038] 转速微分信号参数ec的变化范围为[-0.5,3.5]，在输入端将其范围处理为[-2， 2]，然后将量化因子写为[-2，-l，0，l，2]，对应到模糊语言中是[NB，NS，Z0，PS，PB]，表示为
[负大，负小，零，正小，正大];
[0039]控制器带宽值《。即模糊逻辑推理机的输出值，其模糊化语言是[NB,NS,Z0，PS， PB]，对应去模糊化量化因子为[-2，-1，0，1，2]，对应的精确输出范围为CO。e [60，140];转 速微分信号参数ec、负载转矩扰动值d和控制器带宽值的隶属度函数均为等腰=角形隶 属度函数：，等腰=角形隶属度函数的表达式为：
[0041] 其中：参数a、b、c之间的关系反映了隶属度函数的形状与分布，它们满足的条件为 b-a = c-b〇
[0042] 本发明具有W下有益效果：
[0043] 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，并且利用线