一种自抗扰控制的永磁同步电机调速系统及方法与流程

本发明涉及永磁同步电机领域，尤其涉及一种自抗扰控制的永磁同步电机调速系统及方法。

背景技术：

永磁同步电机(PMSM)具有功率密度高、性能可靠及结构简单再加上近年来随着永磁体的研发使得性能大幅提高和价格不断下降逐渐取代了直流电机和其他的异步电机，在高精度的伺服系统中占据了越来越重要的地位。

高性能的永磁同步电机伺服系统具备有无超调启动、动态响应性能优越、稳定性能好，同时对于被控系统参数摄动和外部负载扰动有很强的抗扰性能。但伺服驱动器控制的永磁同步电机却是一个存在非线性、交叉耦合且多变量的被控对象，且在实际运行过程中存在外部负载扰动不缺定因素的影响，这些因素对于伺服系统的控制性能和效果将产生直接的影响。

传统PID控制由于含有积分环节，在异常工况下会产生积分饱和现象，与此相同，具有积分环节的线性自抗扰控制器在异常工况下也会造成积分饱和造成控制器效率低下。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中的不足，本发明的目的在于，提供一种自抗扰控制的永磁同步电机调速系统，包括：永磁同步电机调速控制器，永磁同步电机调速控制器包括：LTD模块、LSEF模块、LESO单元、控制器增益模块、Sat(iq^*)单元、第一节点模块，第二节点模块，第三节点模块；

LTD模块的输入端与永磁同步电机调速控制器的输入端连接，LTD模块的输出端与第一节点模块的第一输入侧连接，LESO单元的第一反馈输出端与第一节点模块的第二输入侧连接，第一节点模块的输出侧与LSEF模块的输入端连接，LSEF模块的输出端分别与LESO单元的第一输入端以及第二节点模块的第一输入侧连接，第二节点模块的第二输入侧与LESO单元的第二反馈输出端连接，第二节点模块的输出侧与控制器增益模块的输入端连接，控制器增益模块的输出端分别连接Sat(iq^*)单元的输入端以及第三节点模块的第一输入侧，第三节点模块的第二输入侧、Sat(iq^*)单元的输出端，永磁同步电机调速控制器的输出端同时连接，第三节点模块的输出侧连接LESO单元的第三输入端。

优选地，LESO单元包括：第一积分器，第二积分器，第一抗积分饱和的增益系数，第二抗积分饱和的增益系数，第一扩张状态增益系数模块，第二扩张状态增益系数模块，第四节点模块，第五节点模块，第六节点模块，第七节点模块；

LESO单元的第一反馈输出端分别与第一积分器输出端，第七节点模块第一输入侧连接，第一积分器输入端与第四节点模块的输出侧连接，第四节点模块的第一输入侧与第五节点模块输出侧连接，第四节点模块的第二输入侧与第一抗积分饱和的增益系数的输出端连接，第五节点模块的第一输入侧与LESO单元的第一输入端连接，第五节点模块的第二输入侧与第一扩张状态增益系数模块的输出端连接；LESO单元的第三输入端分别与第一抗积分饱和的增益系数的输入端和第二抗积分饱和的增益系数的输入端连接，第二抗积分饱和的增益系数的输出端连接第六节点模块的第二输入侧；LESO单元的第二输入端连接第七节点模块第二输入侧，第七节点模块的输出侧分别与第一扩张状态增益系数模块的输入端和第二扩张状态增益系数模块的输入端连接，第二扩张状态增益系数模块的输出端与第六节点模块的第一输入侧连接，第六节点模块的输出侧与第二积分器的输入端连接，第二积分器的输出端与LESO单元第二反馈输出端连接。

优选地，LTD模块为一阶线性跟踪微分控制器，用于对给定信号进行过渡，缓解快速响应对系统产生超调的影响，采用LTD模块如下形式进行过度控制：

ω^*＝-r(ω^*-ω_ref)

式中，r为LTD模块的控制增益，此增益决定跟踪的精度和速度，增益值越大跟踪速度越快跟踪精度越低，增益值越小跟踪速度越慢跟踪精度越高，在实际控制系统中跟踪器的增益需要对跟踪的速度和跟踪精度进行权衡来设置。

优选地，LSEF模块为线性状态误差反馈控制率，LSEF模块将给定信号ω^*和反馈信号w求取状态误差，通过线性状态误差反馈控制率形成控制输出量u0，在线性状态误差反馈控制率中，控制率的输出量补偿系统的不确定扰动，使被控对象等效为纯积分环节，对于纯积分环节，采用线性状态误差反馈控制率为比例控制实现对给定信号ω^*无误差跟踪，线性状态误差反馈控制率形式如下：

式中，z₁₁为LSEF模块的输入信号，z₂₁、z₂₂为别为被控对象输出和综合扰动的观测值，β₁₁为比例控制，b₀为为控制增益，u为控制器输出。

优选地，LESO单元为二阶线性扩张状态观测器，LESO单元观测系统的综合扰动和系统状态变量的作用，对形同状态变量进行估计和对整个系统的外部工作环境扰动和内部参数改变所产生的综合扰动进行观测，LESO单元的观测精度将会直接影响控制器的性能；LESO单元的形式如下：

式中，z₂₁为被控对象输出变量的观测值，z₂₂为系统综合扰动的观测值，b₀为控制增益，β₂₁为第一扩张状态增益系数模块的扩张状态增益系数，β₂₂第二扩张状态增益系数模块的扩张状态增益系数，该增益的选取决定观测器的观测精度和观测速度；

控制器增益模块为控制增益b₀的倒数即为1/b₀。

优选地，Sat(iq^*)单元包括：积分系数模块，第三积分器，抗饱和抑制增益模块，u(sat)模块，第八节点模块，第九节点模块，第十节点模块，第十一节点模块；

第八节点模块的第一输入侧与控制器增益模块的输出端连接，第八节点模块的第二输入侧连接Sat(iq^*)单元的限定幅值输入端；第八节点模块的输出侧连接积分系数模块的输入端，积分系数模块的输出端连接第九节点模块第一输入侧，第九节点模块第二输入侧连接抗饱和抑制增益模块的输出端，第九节点模块的输出侧连接第三积分器的输入端，第三积分器的输出端连接第十节点模块的第一输入侧，第十节点模块的第二输入侧连接Sat(iq^*)单元的控制输出量u₀输入端，第十节点模块的输出侧分别连接u(sat)模块的输入端以及第十一节点模块的第一输入侧，第十一节点模块的第二输入侧连接u(sat)模块的输出端，第十一节点模块的输出侧连接抗饱和抑制增益模块的输入端；u(sat)模块的输出端连接Sat(iq^*)单元的输出端；

积分系数模块用来控制积分累计的速率，第三积分器对输入信号进行积分计算，u(sat)模块为积分判定输出，用来判断第三积分器的积分输出量是否超出限幅值，超出限定的幅值时，输出为幅值，未超过限定的幅值时，按照实际的输出量输出，抗饱和抑制增益模块用来控制退出积分饱和的速率。

一种自抗扰控制的永磁同步电机调速方法，采用如权利要求1所述的自抗扰控制的永磁同步电机调速系统，方法包括：

永磁同步电机调速控制器的输入端接收输入给定信号ω_ref，输入给定信号ω_ref经过LTD模块进行过渡，缓解快速响应对系统产生超调的影响；

LTD模块输出过渡后的给定信号ω^*，给定信号ω^*和LESO单元第一反馈输出端输出的反馈信号w进入LSEF模块；

LSEF模块将给定信号ω^*和反馈信号w求取状态误差，通过线性状态误差反馈控制率形成控制输出量u₀，LSEF模块将控制输出量u₀分别输出给LESO单元和控制器增益模块；

控制器增益模块接收控制输出量u₀的同时还接收LESO单元第二反馈输出端输出第二反馈信号，第二反馈信号和输出量u0经过控制器增益模块进行输出量增益后形成自抗扰控制器输出信号Iq，并进入Sat(iq^*)单元；

Sat(iq^*)单元判断自抗扰控制器输出信号Iq是否超出限定的幅值；

当控制器输出量超过控制器输出限定幅值时，控制自抗扰控制器的输出信号为限定的幅值，并将超出幅值部分反馈到LESO单元中；

当自抗扰控制器输出信号Iq未超过限定的幅值时，直接输出自抗扰控制器输出信号Iq。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

自抗扰控制的永磁同步电机调速系统将反馈抑制抗积分饱和方法应用到自抗扰控制器，使系统具有抗积分饱性能。

系统相对于传统自抗扰控制器具有抗积分饱和的能力，避免控制器进入积分饱和而影响控制器性能，且退出积分饱和的速率可控，使自抗扰控制策略得到进一步优化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为自抗扰控制的永磁同步电机调速系统的整体示意图；

图2为LESO单元示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将运用具体的实施例及附图，对本发明保护的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。

本实施例提供一种自抗扰控制的永磁同步电机调速系统，如图1和图2所示，包括：永磁同步电机调速控制器，永磁同步电机调速控制器包括：LTD模块1、LSEF模块2、LESO单元4、控制器增益模块3、Sat(iq^*)单元8、第一节点模块5，第二节点模块6，第三节点模块7；

LTD模块1的输入端与永磁同步电机调速控制器的输入端9连接，LTD模块1的输出端与第一节点模块5的第一输入侧连接，LESO单元4的第一反馈输出端23与第一节点模块5的第二输入侧连接，第一节点模块5的输出侧与LSEF模块2的输入端连接，LSEF模块2的输出端分别与LESO单元4的第一输入端24以及第二节点模块6的第一输入侧连接，第二节点模块6的第二输入侧与LESO单元4的第二反馈输出端25连接，第二节点模块6的输出侧与控制器增益模块3的输入端连接，控制器增益模块3的输出端分别连接Sat(iq^*)单元8的输入端以及第三节点模块7的第一输入侧，第三节点模块7的第二输入侧、Sat(iq^*)单元8的输出端，永磁同步电机调速控制器的输出端10同时连接，第三节点模块7的输出侧连接LESO单元4的第三输入端27。

本自抗扰控制的永磁同步电机调速系统所实现的调速方法为永磁同步电机调速控制器的输入端接收输入给定信号ω_ref，输入给定信号ω_ref经过LTD模块进行过渡，缓解快速响应对系统产生超调的影响；

LTD模块输出过渡后的给定信号ω^*，给定信号ω^*和LESO单元第一反馈输出端输出的反馈信号w进入LSEF模块；

LSEF模块将给定信号ω^*和反馈信号w求取状态误差，通过线性状态误差反馈控制率形成控制输出量u₀，LSEF模块将控制输出量u₀分别输出给LESO单元和控制器增益模块；

控制器增益模块接收控制输出量u₀的同时还接收LESO单元第二反馈输出端输出第二反馈信号，第二反馈信号和输出量u0经过控制器增益模块进行输出量增益后形成自抗扰控制器输出信号Iq，并进入Sat(iq^*)单元；

Sat(iq^*)单元判断自抗扰控制器输出信号Iq是否超出限定的幅值；

当控制器输出量超过控制器输出限定幅值时，控制自抗扰控制器的输出信号为限定的幅值，并将超出幅值部分反馈到LESO单元中；

当自抗扰控制器输出信号Iq未超过限定的幅值时，直接输出自抗扰控制器输出信号Iq。

本实施例中，LESO单元4包括：第一积分器11，第二积分器12，第一抗积分饱和的增益系数18，第二抗积分饱和的增益系数19，第一扩张状态增益系数模块21，第二扩张状态增益系数模块22，第四节点模块14，第五节点模块15，第六节点模块16，第七节点模块17；

LESO单元的第一反馈输出端23分别与第一积分器11输出端，第七节点模块17第一输入侧连接，第一积分器11输入端与第四节点模块14的输出侧连接，第四节点模块14的第一输入侧与第五节点模块15输出侧连接，第四节点模块14的第二输入侧与第一抗积分饱和的增益系数18的输出端连接，第五节点模块15的第一输入侧与LESO单元4的第一输入端连接，第五节点模块15的第二输入侧与第一扩张状态增益系数模块21的输出端连接；LESO单元的第三输入端分别与第一抗积分饱和的增益系数的输入端和第二抗积分饱和的增益系数的输入端连接，第二抗积分饱和的增益系数19的输出端连接第六节点模块16的第二输入侧；LESO单元的第二输入端连接第七节点模块第二输入侧，第七节点模块17的输出侧分别与第一扩张状态增益系数模块的输入端和第二扩张状态增益系数模块的输入端连接，第二扩张状态增益系数模块的输出端与第六节点模块的第一输入侧连接，第六节点模块的输出侧与第二积分器的输入端连接，第二积分器的输出端与LESO单元第二反馈输出端连接。

LTD模块为一阶线性跟踪微分控制器，用于对给定信号进行过渡，缓解快速响应对系统产生超调的影响，采用LTD模块如下形式进行过度控制：

ω^*＝-r(ω^*-ω_ref)

式中，r为LTD模块的控制增益，此增益决定跟踪的精度和速度，增益值越大跟踪速度越快跟踪精度越低，增益值越小跟踪速度越慢跟踪精度越高，在实际控制系统中跟踪器的增益需要对跟踪的速度和跟踪精度进行权衡来设置。

本实施例中，LSEF模块为线性状态误差反馈控制率，LSEF模块将给定信号ω^*和反馈信号w求取状态误差，通过线性状态误差反馈控制率形成控制输出量u0，在线性状态误差反馈控制率中，控制率的输出量补偿系统的不确定扰动，使被控对象等效为纯积分环节，对于纯积分环节，采用线性状态误差反馈控制率为比例控制实现对给定信号ω*无误差跟踪，线性状态误差反馈控制率形式如下：

式中，z₁₁为LSEF模块的输入信号，z₂₁、z₂₂为别为被控对象输出和综合扰动的观测值，β₁₁为比例控制，b₀为为控制增益，u为控制器输出。

本实施例中，LESO单元为二阶线性扩张状态观测器，LESO单元观测系统的综合扰动和系统状态变量的作用，对形同状态变量进行估计和对整个系统的外部工作环境扰动和内部参数改变所产生的综合扰动进行观测，LESO单元的观测精度将会直接影响控制器的性能；LESO单元的形式如下：

式中，z₂₁为被控对象输出变量的观测值，z₂₂为系统综合扰动的观测值，b₀为控制增益，β₂₁为第一扩张状态增益系数模块的扩张状态增益系数，β₂₂第二扩张状态增益系系数模块的扩张状态增益系数，该增益的选取决定观测器的观测精度和观测速度；

控制器增益模块为控制增益b₀的倒数即为1/b₀。

本实施例中，Sat(iq^*)单元包括：积分系数模块，第三积分器，抗饱和抑制增益模块，u(sat)模块，第八节点模块，第九节点模块，第十节点模块，第十一节点模块；

第八节点模块的第一输入侧与控制器增益模块的输出端连接，第八节点模块的第二输入侧连接Sat(iq^*)单元的限定幅值输入端；第八节点模块的输出侧连接积分系数模块的输入端，积分系数模块的输出端连接第九节点模块第一输入侧，第九节点模块第二输入侧连接抗饱和抑制增益模块的输出端，第九节点模块的输出侧连接第三积分器的输入端，第三积分器的输出端连接第十节点模块的第一输入侧，第十节点模块的第二输入侧连接Sat(iq^*)单元的控制输出量u₀输入端，第十节点模块的输出侧分别连接u(sat)模块的输入端以及第十一节点模块的第一输入侧，第十一节点模块的第二输入侧连接u(sat)模块的输出端，第十一节点模块的输出侧连接抗饱和抑制增益模块的输入端；u(sat)模块的输出端连接Sat(iq^*)单元的输出端；

积分系数模块用来控制积分累计的速率，第三积分器对输入信号进行积分计算，u(sat)模块为积分判定输出，用来判断第三积分器的积分输出量是否超出限幅值，超出限定的幅值时，输出为幅值，未超过限定的幅值时，按照实际的输出量输出，抗饱和抑制增益模块用来控制退出积分饱和的速率。

Sat(iq^*)单元具有积累作用，反馈抑制抗饱和算法的原理是将控制器输出量与控制器输出量幅值进行比较，将大于输出量幅值部分的偏差通过反馈引入积分器，通过反馈控制率迫使控制器的输出量恢复到合理的输出范围。可见，这种抗积分饱和的方法在进入积分饱和时将抗饱和算法引入控制器对积分饱和进行抑制，在未进入积分饱和时控制器正常运行不进行抗饱和控制。

在离散时间域中，反馈积分抑制算法控制率为：

u(k)＝u_i(k)+k_z×e_sat(k-1)×T_s

u_i(k)＝u(k-1)+k_i×e(k-1)×T_s

e_sat(k)＝sat(u(k))-u(k)

上式中，T_s为采样时间，k_i为积分系数模块用来控制积分累计的速率，k_z为抗饱和抑制增益模块用来控制退出积分饱和的速率，u_i(k)为积分控制率，积分控制的原理为每次累加采样时间所对应的面积，e_sat(k)为控制器输出量与控制器输出量幅值的误差，e(k)为给定与反馈的偏差，u(k)为控制器输出，实际输出为v＝sat(u(k))。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参考即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。