超高速永磁同步电机转速自适应鲁棒控制系统及方法与流程

本发明涉及电机控制领域，特别是一种超高速永磁同步电机转速自适应鲁棒控制系统及方法。

背景技术：

现代科学技术、工业技术的发展，使得超高速加工和超精密加工成为未来制造业发展的两个方向。其中超高速加工不仅代表了极高的生产率，也可显著提高零件的加工精度和表面质量，普通电机无法满足这些加工需求，人们对超高速电机需求日益剧增。超高速电机在工业制造、航空航天、能源、船舶、医疗和国防工业等领域的应用愈来愈广泛，应用前景非常广阔。超高速电机主要指额定转速在10000转/分钟(r/min)以上的电机，具有转速高、功率密度大等优点；并且与同功率的普通转速电机相比，体积有较大程度的减小，从而可有效节约材料，也极大减轻了电机的重量，成本大幅下降；此外，超高速电机可以直接驱动高速负载，从而可以避免传统的机械传动装置引起的噪音和损耗，可以提高传动系统的运行效率。

目前，占据国内外大部分市场份额的超高速电机为异步电机，虽然其结构简单，但异步电机转矩密度较低、效率低、寿命短、动态响应慢、稳速困难，且多用在40000r/min以下的领域。近年来，随着永磁材料的发展，以及电机制造工艺的进一步改善，永磁同步电机已由中低速领域发展到了超高速领域。永磁同步电机具有体积小、重量轻、功率密度高、可靠性好等优点，并且拥有优良的动态响应特性，使得它非常适合于对转速和转矩要求高的场合，于是，永磁同步电机在超高速场合得到广泛应用，与此同时，其驱动控制技术成为了当前的研究热点。

现有超高速永磁同步电动机的控制中，大多采用V/f控制，V/f控制是基于电机稳态模型的一种标量控制方式，恒定V/f控制的目的就是保持定子磁链的恒定，这样可以取得最大的转矩电流比和最快的转矩响应。为了保持磁场匣定，即保持磁化电流恒定，必须保持V/f恒定。V/f控制存在不稳定的问题，并且非常依赖于速度参考曲线和V/f曲线参数的选择，由于V/f属于开环控制，无法得到很好的动态性能，并且系统负载转矩的扰动很容易造成失步甚至起动失败。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超高速永磁同步电机转速自适应鲁棒控制系统及方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种超高速永磁同步电机转速自适应鲁棒控制系统，包括自适应鲁棒控制器、电压矢量选择模块、死区补偿模块、PWM控制模块、CLARK变换器、旋转变换器、定子磁链计算模块、转矩计算模块和无传感器转速估计模块；

所述自适应鲁棒控制器用于对电机转速进行控制，其输入为无传感器转速估计模块输出转速与设定转速的误差值，输出控制信号至电压矢量选择模块；

所述电压矢量选择模块用于确定基本电压控制信号，其输入为自适应鲁棒控制器输出值、定子磁链计算模块输出值与定子磁链设定值的误差值、转矩计算模块输出值与转矩设定值的误差值，输出基本电压控制信号至PWM控制模块和死区补偿模块；

所述死区补偿模块用于计算三相补偿电压，补偿死区效应造成的电流畸变，其输入为电压矢量选择模块输出的基本电压控制信号和无传感器转速估计模块输出的位置信号，输出三相补偿电压至PWM控制模块；

所述PWM控制模块用于控制电机转速，其输入为电压矢量选择模块输出的基本电压控制信号和死区补偿输出的三相补偿电压，其输出三相电流信息至电机；

所述CLARK变换器用于将三相坐标系下的信号转化成静止两相正交坐标系αβ下的信号；CLARK变换器的输入为电机的三相电流信号和三相电压信号，输出静止两相正交坐标系下电流值和电压值至定子磁链计算模块；

所述旋转变换器用于将三相坐标系下的电流信号转化成旋转正交坐标系dq下的电流信号；旋转变换器的输入为静止三相坐标系下电机的电流值，输出旋转正交坐标系dq下电流值至转矩计算模块；

所述定子磁链计算模块用于计算定子磁链，定子磁链计算模块输入为CLARK变换器计算出的静止两相正交坐标系αβ下的电流值和电压值，输出定子磁链与定子磁链设定值比较，其误差值输送至电压矢量选择模块；

所述转矩计算模块用于计算转矩，转矩计算模块输入为旋转变换器计算出的旋转正交坐标系dq下的电流信号，输出的转矩与转矩设定值比较，其误差值输送至电压矢量选择模块；

所述无传感器转速估计模块用于在线辨识电机转速；无传感器转速估计模块输入为电机的三相电流、电压信号，输出转速估计值和位置信息，位置信息输送至死区补偿模块，转速估计值与转速设定值比较，误差值输送至自适应鲁棒控制器。

一种超高速永磁同步电机转速自适应鲁棒控制方法，包括以下步骤：

步骤1，采用无传感器转速估计算法确定电机转速估计值，电机转速估计值与转速设定值比较，计算误差值，采用自适应鲁棒转速控制算法确定相应控制量；

步骤2，通过电机三相电流、三相电压得到定子磁链和转矩反馈值，与设定值比较，计算出磁链误差和转矩误差；

步骤3，结合磁链误差、转矩误差和自适应鲁棒转速控制器输出控制量进行电压矢量选择，得到基本电压控制信号；

步骤4，采用无传感器转速估计算法确定转子位置信息，结合基本电压控制信号，采用死区补偿算法得到三相补偿电压；

步骤5，将电压矢量选择模块输出的基本电压控制信号与三相补偿电压相结合，对电机进行PWM控制；

步骤6，重复步骤1～5，直至电机转速达到指标。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明通过对转速在线估计、自适应鲁棒速度控制和死区补偿方法，有效实现超高速永磁同步电机快速、平稳、可靠的转速控制；

(2)本发明的非线性磁链观测器转速估计算法解决了超高速永磁同步电机位置编码器安装困难、成本高、可靠性差的问题，提高了系统运行的稳定性；

(3)本发明的自适应鲁棒转速控制算法结合鲁棒控制和自适应控制的优点，减小了参数不确定和负载强扰动对系统性能的影响，实现了超高速永磁同步电机系统的高精度控制；

(4)本发明的死区补偿算法解决了超高速情况下电机死区时间效应被放大，电压与电流的畸变程度严重，超高速电机运行的不稳定的问题，提高了系统的控制性能。

附图说明

图1为本发明超高速永磁同步电机转速自适应鲁棒控制系统结构图。

图2为本发明的基于无传感器的非线性磁链观测器转速估计算法流程图。

图3为本发明的死区补偿算法流程图。

图4为本发明电流空间矢量图中的三相电流方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

结合图1，一种超高速永磁同步电机转速自适应鲁棒控制系统，包括自适应鲁棒控制器、电压矢量选择模块、死区补偿模块、脉冲宽度调制(PWM)控制模块、CLARK变换器、旋转变换器、定子磁链计算模块、转矩计算模块和无传感器转速估计模块；

所述自适应鲁棒控制器用于对电机转速进行控制，其输入为无传感器转速估计模块输出转速与设定转速的误差值，输出控制信号至电压矢量选择模块；

所述电压矢量选择模块用于确定基本电压控制信号，其输入为自适应鲁棒控制器输出值、定子磁链计算模块输出值与定子磁链设定值的误差值、转矩计算模块输出值与转矩设定值的误差值，输出基本电压控制信号至PWM控制模块和死区补偿模块；

所述死区补偿模块用于计算三相补偿电压，补偿死区效应造成的电流畸变，其输入为电压矢量选择模块输出的基本电压控制信号和无传感器转速估计模块输出的位置信号，输出三相补偿电压至PWM控制模块；

所述PWM控制模块用于控制电机转速，其输入为电压矢量选择模块输出的基本电压控制信号和死区补偿输出的三相补偿电压，其输出三相电流信息至电机；

所述CLARK变换器用于将三相坐标系下的信号转化成静止两相正交坐标系αβ下的信号；CLARK变换器的输入为电机的三相电流信号和三相电压信号，输出静止两相正交坐标系下电流值和电压值至定子磁链计算模块；

所述旋转变换器用于将三相坐标系下的电流信号转化成旋转正交坐标系dq下的电流信号；旋转变换器的输入为静止三相坐标系下电机的电流值，输出旋转正交坐标系dq下电流值至转矩计算模块；

所述定子磁链计算模块用于计算定子磁链，定子磁链计算模块输入为CLARK变换器计算出的静止两相正交坐标系αβ下的电流值和电压值，输出定子磁链与定子磁链设定值比较，其误差值输送至电压矢量选择模块；

所述转矩计算模块用于计算转矩，转矩计算模块输入为旋转变换器计算出的旋转正交坐标系dq下的电流信号，输出的转矩与转矩设定值比较，其误差值输送至电压矢量选择模块；

所述无传感器转速估计模块用于在线辨识电机转速；无传感器转速估计模块输入为电机的三相电流、电压信号，输出转速估计值和位置信息，位置信息输送至死区补偿模块，转速估计值与转速设定值比较，误差值输送至自适应鲁棒控制器。

一种超高速永磁同步电机转速自适应鲁棒控制方法，包括以下步骤：

步骤1，采用无传感器转速估计算法确定电机转速估计值，电机转速估计值与转速设定值比较，计算误差值，采用自适应鲁棒转速控制算法确定相应控制量；

步骤2，通过电机三相电流、三相电压得到定子磁链和转矩反馈值，与设定值比较，计算出磁链误差和转矩误差；

步骤3，结合磁链误差、转矩误差和自适应鲁棒转速控制器输出控制量进行电压矢量选择，得到基本电压控制信号；

步骤4，采用无传感器转速估计算法确定转子位置信息，结合基本电压控制信号，采用死区补偿算法得到三相补偿电压；

步骤5，将电压矢量选择模块输出的基本电压控制信号与三相补偿电压相结合，对电机进行PWM控制；

步骤6，重复步骤1～5，直至电机转速达到指标。

进一步的，如图2所示，步骤1和步骤4中采用无传感器转速估计算法确定电机转速估计值和转子位置信息的具体过程为：

第1步，设定静止两相正交坐标系αβ下的定子磁链ψα、ψβ的初始值为0；

第2步，将上一时刻的定子磁链ψα、ψβ经过笛卡尔坐标系到极坐标系变换，得到磁链幅值ψS和相位角θ：

第3步，计算静止两相正交坐标系αβ下的反电动势eα、eβ：

eα＝uα-R·iα

eβ＝uβ-R·iβ

其中，uα、uβ为定子在静止两相正交坐标系αβ下的等效电压，iα、iβ为定子在静止两相正交坐标系αβ下的等效电流，R为定子绕组电阻值；

第4步，将磁链观测值经过惯性环节，惯性环节取低通滤波器即：

其中，为截止频率，τ为时间常数，s为微分算子；

ψβ、eα、eβ的处理方式一样，平滑处理后得到ψ'α、ψ'β、e'α、e'β；

第5步，根据上述磁链和反电动势信号求补偿系数S：

其中e's为反电动势在极坐标系中的表示形式，由笛卡尔坐标系中的e'α、e'β经过笛卡尔坐标系到极坐标系变换得到；

第6步，确定反馈磁链信号的幅值Z：

Z＝S·|ψs|

第7步，将Z其进行极坐标到笛卡尔坐标系变换得到静止两相正交坐标系αβ下的反馈磁链信号Zα、Zβ：

Zα＝|Z|cosθ

Zβ＝|Z|sinθ

第8步，根据反馈磁链信号Zα、Zβ计算静止两相正交坐标系αβ下的磁链反馈补偿量ψαc、ψβc：

第9步，反电动势eα和eβ积分得到静止两相正交坐标系αβ下的基本磁链信号ψαh、ψβh；

第10步，将基本磁链信号ψαh、ψβh与补偿磁链ψαc、ψβc叠加后得到静止两相正交坐标系αβ下的新的观测磁链：

ψα1＝ψαh+ψαc

ψβ1＝ψβh+ψβc

第11步，对新的观测磁链信号ψα1、ψβ1进行正切函数计算，得到位置信号进一步微分可求得转速估计值

第12步，将求得的转速估计值通过低通滤波器消除高频抖动：

第13步，将本时刻求得的磁链ψα1、ψβ1带入下一时刻进行估算，重复上述第2步～第12步。

进一步的，步骤1中采用自适应鲁棒转速控制算法确定相应控制量具体包括以下步骤：

S11，建立系统模型，引入包括建模误差和其它不确定干扰的未知非线性因素，建立电机在两相旋转dq坐标系下的跟踪模型；

其中，J为机械转动惯量，B为阻转矩阻尼系数，np为电机极对数，θm为转子的机械角度，ωm为转子的机械角速度，ψ为转子磁链，Tl为负载转矩，iq、id为旋转正交坐标系dq下的定子电流值，uq、ud为旋转正交坐标系dq下的定子电压值；Δ1、Δ2不确定因素；

S12，假设不确定参数和未知非线性因素有界；

S13，基于反步法的基本原理，定义误差变量：

其中，ωr^*为转速设定值，iq^*、id^*为旋转正交坐标系dq下的定子电流设定值；

S14，选取Lyapunov函数根据李雅普诺夫稳定理论选取虚拟控制量为可调参数；

S15，在考虑了S14所求虚拟控制量的基础上，选取Lyapunov函数根据李雅普诺夫稳定理论，得到控制量uq＝uqa+uqs；

其中，uqa为模型补偿控制量，uqs为鲁棒控制量；

S16，在考虑了S14所求虚拟控制量的基础上，选取Lyapunov函数根据李雅普诺夫稳定理论求得最终的控制量ud＝uda+uds；

其中，uda为模型补偿控制量，uds为鲁棒控制量。

上述自适应鲁棒转速控制算法，针对负载转动惯量不确定、负载转矩扰动以及其它未知非线性因素，采用基于反步法的自适应鲁棒控制器，结合了鲁棒控制和自适应控制的优点，减小参数不确定和负载强扰动对系统性能的影响，实现了超高速永磁同步电机系统的高精度控制。

进一步的，步骤2中转矩反馈值Te的计算公式具体为：

Te＝np(ψdiq-ψqid)

其中，np为电机极对数，ψd、ψq为旋转正交坐标系dq下的定子磁链值，id、iq为旋转正交坐标系dq下的定子电流。

进一步的，如图3所示，步骤4中采用死区补偿算法得到三相补偿电压的具体过程为：

S21，确定三相电压的平均扰动电压▽Va、▽Vb、▽Vc：

其中，Vdc为逆变器直流输入电压、Von为开关管和并联二极管的平均导通压降，Ton和Toff为开通和关断的延时，Ts为开关周期，Td为死区时间，ia、ib、ic为三相坐标系下的电机定子电流；

S22，计算每周期的平均补偿时间

S23，根据平均扰动电压和平均补偿时间计算每周期的平均三相补偿电压

S24，根据所述转速估计算法中的转子位置估算值θr，确定电流极性信息；如图4所示，通过三相电流方向图确定所处区域，进而得到对应的电流矢量区域和电流极性信息，当-60°≤θr≤60°时，对应的电流矢量区域为I，此时A、B、C三相电流极性为+--,即ia＞0、ib＜0、ic＜0；

S25，将S24中的电流极性信息带入S23的电压补偿公式中，求得最终的补偿电压进行死区补偿。

综上所述，本发明的超高速永磁同步电机转速自适应鲁棒控制系统及方法，采用无传感器的转速估计算法、自适应鲁棒转速控制算法、死区补偿算法对超高速永磁同步电机转速进行控制，确保电机转速达到指标要求，最终实现对超高速永磁同步电机转速的稳定控制。