一种基于ARC的超高速永磁同步电机转速控制方法与流程

本发明属于电机智能控制技术领域，特别是一种基于arc的超高速永磁同步电机转速控制方法。

背景技术：

现代工业对整个社会和国民经济的发展起到了关键性的支撑作用，随着科学技术的发展，超高速加工和超精度加工成为未来工业的两大发展方向，这就要求极高的生产率和加工质量，普通电机无法满足这些加工要求，人们对超高速电机需求日益剧增，其在工业制造、航空航天、能源、医疗和国防等领域的应用愈来愈广泛，具有广阔的应用前景。超高速永磁同步电机及其驱动控制技术成为了当前国内外电工相关领域的研究热点。

目前在实际工程中，常将传统pid控制器用于超高速永磁同步电机控制系统中，但是传统的pid控制器适合于低阶线性系统，针对超高速电机这样的强耦合、高阶的非线性复杂系统，较难达到高性能的控制指标。因为电机在超高速情况下的负载转矩扰动，以及在无传感器技术下的转速估计的精确程度增大了系统的扰动量，都会对电机转速的稳定性产生影响；同时电机高速运转时的温升使得电阻、电感等参数发生变化，这些参数的不确定性对对超高速电机的动力学和运动特性产生显著影响，进而影响电机控制整体性能。所以需要采用自适应性强、鲁棒性强、稳定性好的控制策略来控制电机转速。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于arc的超高速永磁同步电机控制方法，针对超高速永磁同步电机非线性、参数不确定性、负载扰动等因素，采用自适应鲁棒控制器(arc)对电机转速进行控制，提高了电机系统的鲁棒性和控制性能。

解决上述技术问题的技术方案为：一种基于arc的超高速永磁同步电机转速控制方法，在直接转矩控制的基础上，辅以arc控制器，使电机在负载扰动时转速得到稳定的控制；其特征在于，使用arc控制器，根据转子磁链给定值ψs^*、电机转速给定值w^*、电机转速反馈w、定子电流在电机两相静止坐标系α-β轴上的分量iα和iβ、电机电磁转矩te、以及定子磁链在电机两相静止坐标系α-β轴上的分量ψα和ψβ此8个控制量得到电压控制量，即定子电压在电机两相静止坐标系α-β轴上的分量uα、uβ；具体包括以下步骤：

步骤1，建立两相静止坐标系下的超高速永磁同步电机的数学模型，转换成状态方程，并作出相关假设；

步骤2，根据电机转速给定值w^*、电机转速反馈值w，设计电机速度环，计算获得电磁转矩给定值其中转速误差e1＝ω-ω^*，中间变量中间变量中间变量x2＝te为电机电磁转矩，k1为大于0的可调正数，为负载转矩估计值，ε1为一大于0的正数，h1为的上界值，为中间常量，中为定子电阻的估计误差，为负载转矩估计误差，t为矩阵的转置，pn为电机极对数，b为阻转矩阻尼系数，j为机械转动惯量；

步骤3，根据电磁转矩给定值和电磁转矩te，定子磁链在电机两相静止坐标系α-β轴上的分量ψα和ψβ，转子磁链给定值ψs^*，设计电机转矩环和磁链环，求得控制输出的电压控制量uα、uβ；

步骤4，根据电压控制量uα、uβ，结合逆变器对电机进行电压空间矢量(svpwm)控制；

步骤5，重复步骤2-4，直至电机转速达到给定指标。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明在直接转矩控制的基础上，通过自适应鲁棒控制器对电机转速、磁链、转矩进行控制，有助于对超高速永磁同步电机非线性模型进行解耦控制，采用自适应控制率抑制运行过程中电阻、电感等参数发生变化带来的扰动；

(2)本发明通过设计鲁棒控制量，避免了电机在超高速情况下的负载转矩扰动对电机转速的影响，提高了电机转速的稳定性；

(3)本发明适用于无传感器转速估计的超高速电机系统，通过在模型中设计补偿量减小转速估计误差对系统控制性能的影响，提高了超高速电机系统的自适应性和鲁棒性。

附图说明

图1为适用本发明的基于arc的超高速永磁同步电机转速控制系统示意图。

图2为本发明的自适应鲁棒控制器(arc)的设计流程图。

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1～2，一种基于arc的超高速永磁同步电机转速控制系统，将arc(自适应鲁棒控制算法)应用于基于svpwm(电压空间矢量)的直接转矩控制系统中，其工作过程包括以下步骤：

步骤1，建立两相静止坐标系下的超高速永磁同步电机的数学模型，转换成状态方程，并作出相关假设；

步骤1-1：建立两相静止坐标系下的超高速永磁同步电机的数学模型如式(1)所示，

其中，rs电机定子的电阻，ld、lq为定子绕组在电机两相旋转坐标系d-q轴上的等效电感，uα、uβ、iα、iβ、ψα、ψβ分别为定子电压、定子电流和定子磁链在电机两相静止坐标系α-β轴上的分量，为定子电压、定子电流和定子磁链在电机两相静止坐标系α-β轴上的分量的导数，ψ为定子磁链，j为机械转动惯量，b为阻转矩阻尼系数，pn为电机极对数，ω、为转子角速度及其导数，θ为转子的角度，ψf为转子磁链，tl为负载转矩，te为电磁转矩，eα、eβ为磁动势在电机两相静止坐标系α-β轴上的分量。

步骤1-2：引入建模误差和不确定干扰的未知非线性因素对式(1)所示电机数学模型进行优化，确定状态变量将数学模型转换成状态模型：

考虑到ld＝lq，定义的中间变量如下：

处理后系统的模型可描述为：

式中，不确定参数选取定子电组rs和负载转矩tl(即令)；系统状态变量x1、x2、x3为电机转速、电磁转矩和定子磁链平方，为电机转速、电磁转矩和定子磁链平方的导数；δ1、δ2分别为电磁转矩和定子磁链平方下的建模误差和系统扰动等未知非线性因素。

步骤1-3：针对电机arc控制器设计要求，作出相应的假设：

假设1：不确定参数和未知非线性因素δi(i＝1,2)均是有界的，即：

式中，δi>0为较小的常数、为的取值集合，为不确定参数的最小值矩阵，为不确定参数的最大值矩阵，分别为rs、tl的最小值，分别为rs、tl的最大值。

假设2：系统状态变量x＝[x1x2x3]^t可估计得到，系统期望信号即转速设定值和定子磁链设定值平方已知，并且

步骤2：定义电机的转速误差e1、转矩误差e2和定子磁链误差e3，并进行电机速度环的设计：

步骤2-1：定义转速误差e1、转矩误差e2和定子磁链误差e3如下，其中为计算方便，e3取定子磁链平方的误差。

其中，为转速设定值，为定子磁链设定值平方，为计算得到的电磁转矩给定值。

步骤2-2：进行速度环设计，获得电磁转矩的给定值，对转速误差e1求导得：

电磁转矩给定值为：

式中，αa为模型补偿量，αs1为线性反馈控制量，αs2为非线性鲁棒反馈量，k1为可调参数，为估计得到的tl值。

此时有：

式中，为参数估计误差。选取自适应率控制量设计非线性鲁棒反馈量αs2为：

式中，ε1为一大于0的正数，h1为的上界值，为一中间变量。

综上，得到速度环输出的电磁转矩控制量为

步骤3，将速度环输出的电磁转矩控制量作为电磁转矩设定值，进行电机转矩环和磁链环设计，最终求得控制输出的电压控制量uα、uβ：

将作为电磁转矩设定值，λ^*为定子磁链设定值的平方，具体为：

对转矩误差e2和定子磁链误差e3求导得：

由于虚拟控制量uα、uβ存在耦合，可将uα、uβ的线性组合看做一个整体，之后再通过方程分别求得uα、uβ各自大小。基于此，得：

此时为：

式中，为转矩误差导数，为定子磁链误差导数，选取自适应函数为设计非线性鲁棒反馈量us2、us3为：

式中，h2、h3分别为和的上界值，δ1和δ2为大于0的正数。最终可求得自适应鲁棒控制律uα、uβ为：

步骤4，根据输出信号uα、uβ，确定扇区，计算基本电压矢量及其工作时间，计算出电压空间矢量的切换点，结合逆变器，对电机进行pwm控制。

步骤5，重复步骤1-4，直至电机转速达到给定指标。