基于降维观测器的永磁同步电机无速度传感器反推控制方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于降维观测器的永磁同步电机无速度传感器反推控制方法，是在建立永磁同步电机(PMSM)d?q坐标系下的数学模型的基础上，首先利用Lyapunov稳定性理论并结合线性矩阵不等式(LMI)处理技巧设计降维观测器，实现PMSM在d?q轴坐标下转子机械角速度的观测与重构，然后通过设计包含重构变量的虚拟控制输入，将系统分解为多个子系统，并运用反推控制策略来设计闭环系统控制器，实现电机转速输出对期望输出信号的高精度跟踪。与现有方法不同的是，降维观测器的应用降低了传感器的个数，从而节约了成本；同时，基于LMI与反推原理的控制器集成设计，优化控制器参数，提高无速度传感器的PMSM跟踪精度。
【专利说明】
基于降维观测器的永磁同步电机无速度传感器反推控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于降维观测器的永磁同步电机无速度传感器反推控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着半导体功率器件、永磁磁性材料和控制理论的发展，永磁同步电动机(PMSM) 在当前中、小功率运动控制中起着越来越重要的作用。永磁同步电动机具有结构紧凑、高功 率密度、高气隙磁通和高转矩惯性比等优点。然而，PMSM本身存在着诸如定子电流、电磁转 矩、转子磁链的耦合，参数摄动和外部扰动等诸多不利的因素，会直接导致控制系统的动态 性能下降。为提高PMSM的转矩响应和跟踪性能，近年来出现了多种改进的系统结构和设计 方法，如反馈线性化控制、滑模变结构控制、无源控制、反推控制和自适应控制等。在这些控 制策略中，大多假定PMSM电流和电机位置精确可测。最常用的手段是采用在转子轴上安装 传感器直接测量。但过多传感器的安装，会增加系统的复杂程度和运行成本。
[0003] 中国专利201410564140"一种变负载永磁同步电机调速的自适应滑模控制方法" 描述了一种永磁同步电机的调速自适应滑模控制方法。该方法的速度跟踪控制策略采用滑 模控制，并使用自适应环节提高系统鲁棒性。由于滑模控制器中存在高频开关，使得电机输 出转速存在一定的抖动现象。
[0004] 中国专利201410404242"一种无传感器永磁同步电机调速控制策略"描述了一种 永磁同步电机传感器调速控制策略，该方法通过检测永磁同步电机的三相电流，经过 Clarke变换得到α-β坐标系下的电流，经过Park变换，获得d-q坐标系下的电流，并以电流构 造全维观测器。但该方法将全维观测器与控制器分开设计，从而降低了系统的稳定性。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种基于降维观测器的无速度传感器 反推速度跟踪控制方法。本发明用于设计变负载PMSM调速控制策略，以提高PMSM控制系统 的可靠性，并进一步提升效率和降低运行成本。
[0006] 本发明的技术方案是这样实现的:基于降维观测器的永磁同步电机无速度传感器 反推控制方法，包括以下步骤：
[0007] 1)通过系统参数在线辨识方法获得永磁同步电机参数的样本信息；
[0008] 2)将步骤1)中的参数进行整理，并建立永磁同步电机d_q坐标系下的矢量模型；
[0009] 3)设计降维观测器，实现电机转子机械角速度和d轴电流的观测与重构；
[0010] 4)以电机电流输出和重构角速度作为控制输入变量，将系统分解为多个子系统并 采用反推控制策略设计控制器。
[0011] 作为一种优选的技术方案，所述步骤1 )，在PMSM实际运行工况环境中收集相关参 数样本信息，用最小二乘辨识算法辨识电机相关参数，所述参数包括PMSM定子电阻、定子电 感、转动惯量以及粘滞摩擦系数相关参数样本信息。
[0012] 作为一种优选的技术方案，所述步骤2)，将步骤1)中的参数进行整理，根据力学原 理与电路定理，以d-q轴电流、电机转子机械角速度作为系统状态变量，q轴电流作为系统输 出、负载转矩作为外部干扰，建立PMSM d_q坐标系下的矢量模型。
[0013] 作为一种优选的技术方案，所述步骤3)的转子机械角速度的观测与重构，采用的 观测器是降维的，其观测器增益设计方法是基于线性矩阵不等式的设计方法。
[0014] 作为一种优选的技术方案，所述步骤4)的集成控制器设计，是以电机电流输出和 重构角速度作为控制输入变量，将系统分解为多个子系统并采用反推控制策略设计控制 器。
[0015] 采用了上述技术方案，本发明的有益效果为:本发明用于设计变负载PMSM调速控 制策略，以提尚PMSM控制系统的可靠性，并进一步提升效率和降低运彳丁成本。
【附图说明】
[0016] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可 以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]图1本发明涉及的控制器设计流程图；
[0018] 图2本发明涉及的控制系统结构框图。
【具体实施方式】
[0019] 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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0020] 本发明涉及的控制器设计流程图如图1所示，涉及的控制系统结构框图如图2所 示。步骤1为电机参数样本信息获取与辨识。步骤2对PMSM进行d-q坐标系下进行建模，获取 系统状态空间方程，其中d-q轴电流、电机转速作为系统状态变量，q轴电流作为可测得系统 输出、负载转矩作为外部干扰。步骤3进行降维观测器设计与变量重构。具体设计步骤如下： [0021 ] (1)针对步骤2建立的PMSM数学矢量模型，进行能观性结构分解；
[0022] (2)对不可测子系统，构造降维观测器，并建立动态观测误差系统S，： ζ ;
[0023] (3)应用Lyapunov稳定性原理和LMI处理技巧，获得降维观测器设计及其求解方 法；
[0024] (4)利用降维观测器对不可测变量进行变量?，$重构。
[0025] 在步骤3获得重构变量基础上，步骤4进行跟踪控制器设计。具体设计步骤如下： [0026] (1)给定期望转速输出ω'定义跟踪误差~=ω$-ω。结合电机转速动力学观测方 程，考虑误差动态子系统4，其中iq直接测得，《和。分别由+Γ给出；
[0027] (2)针对子系统4，选取合适Lyapunov函数及虚拟q轴电流函数ζ，结合不等式处理 巧，使得该子系统渐近稳定；
[0028] (3)定义q轴电流跟踪误差％ =:? -i,及相应的误差动态系统匕，选取合适Lyapunov 函数及q轴定子电压函数<，使子系统?￥渐近稳定；
[0029] (4)设定d轴理想电流Ο =0,定义跟踪误差~ =(； 。结合d轴电流动力学观测方 程，考虑误差动态子系统?,，同（1)，其中iq直接测得，ω和i d分别由? _f ，（, + 7给出；
[0030] (5)选取合适Lyapunov函数及d轴定子电压函数《〗:，使子系统匀渐近稳定。
[0031] 通过以上设计步骤，可以得到基于LMI的降阶观测器设计方法，与以往极点配置方 法不同的是，该方法可以借助Matlab中的LMI工具箱方便地求解。此外，应用反推控制策略 得到的虚拟电流、q轴定子电压、d轴定子电压输入函数能使各个子系统渐近稳定，从而使永 磁同步电机实现电流和期望转速输出的高精度跟踪。
[0032] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 基于降维观测器的永磁同步电机无速度传感器反推控制方法，其特征在于，包括以 下步骤： 1) 通过系统参数在线辨识方法获得永磁同步电机参数的样本信息； 2) 将步骤1)中的参数进行整理，并建立永磁同步电机d_q坐标系下的矢量模型； 3) 设计降维观测器，实现电机转子机械角速度和d轴电流的观测与重构； 4) 以电机电流输出和重构角速度作为控制输入变量，将系统分解为多个子系统并采用 反推控制策略设计控制器。2. 根据权利要求1所述的基于降维观测器的永磁同步电机无速度传感器反推控制方 法，其特征在于，所述步骤1 )，在PMSM实际运行工况环境中收集相关参数样本信息，用最小 二乘辨识算法辨识电机相关参数，所述参数包括PMSM定子电阻、定子电感、转动惯量以及粘 滞摩擦系数相关参数样本信息。3. 根据权利要求1所述的基于降维观测器的永磁同步电机无速度传感器反推控制方 法，其特征在于，所述步骤2)，将步骤1)中的参数进行整理，根据力学原理与电路定理，以(Ια 轴电流、电机转子机械角速度作为系统状态变量， q 轴电流作为系统输出 、负载转矩作为外 部干扰，建立PMSM d-q坐标系下的矢量模型。4. 根据权利要求1所述的基于降维观测器的永磁同步电机无速度传感器反推控制方 法，其特征在于，所述步骤3)的转子机械角速度的观测与重构，采用的观测器是降维的，其 观测器增益设计方法是基于线性矩阵不等式的设计方法。5. 根据权利要求2所述的基于降维观测器的永磁同步电机无速度传感器反推控制方 法，其特征在于，所述步骤4)的集成控制器设计，是以电机电流输出和重构角速度作为控制 输入变量，将系统分解为多个子系统并采用反推控制策略设计控制器。
【文档编号】H02P21/24GK105932926SQ201610428704
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】兰永红, 戴亮, 陈才学
【申请人】湘潭大学