一种永磁同步电动机转速控制系统及方法与流程

本发明涉及一种永磁同步电动机(pmsm)转速控制系统及方法，尤其涉及一种基于反步控制和非线性扰动观测器的具有强跟踪性和鲁棒性且控制参数易调节的pmsm转速控制系统及控制方法。

背景技术：

永磁同步电机(permanentmagnetsynchronousmotor,pmsm)具有效率高、比功率大、可靠性高和便于维护等优点,目前已广泛应用于数控机床、机器人、电动汽车驱动系统及风力发电等，而且在高铁、航空航天等领域也具有较好的应用前景。伴随着现代工业的快速发展，永磁同步电机控制系统的性能要求不断提高。然而，永磁同步电机是一个复杂的多变量、强耦合的非线性系统，再加上其本身的模型不确定性、外部扰动等，传统的基于pi的矢量控制方法已无法满足当前众多领域对永磁同步电机控制系统的高性能要求。因此，研究永磁同步电机驱动系统的高性能控制策略具有重要意义，业已成为电气传动控制系统发展的一个主流方向。近年来，随着现代控制理论和微机技术的发展，一些新型控制控制方法逐步应用在电机控制系统中。反步控制作为一种递推控制方法，在永磁同步电机驱动控制系统中，可将复杂的非线性永磁同步电机控制系统分解为若干个子系统，通过引入虚拟控制量和递推设计，实现电机的跟踪控制。但反步控制是一类严重依赖系统模型的控制方法，在电机存在参数不确定和外部扰动时，容易造成系统性能下降。为了提高电机控制系统的抗扰动性能，研究人员提出了多种自适应反步控制方法，提高了系统的鲁棒性，但存在控制器设计复杂、参数调节困难等问题，限制了其在实际电机系统中的应用。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的控制器设计复杂、参数调节困难等问题，本发明公开了一种永磁同步电动机转速控制系统及方法，该方法基于反步控制和非线性观测器设计永磁同步电动机驱动系统的转速-电流单环控制器，替代传统的转速环和电流环级联控制，实现转速快速稳定跟踪，是一种运用先进算法实现电机转速控制的新方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明公开了一种永磁同步电动机转速控制系统，包括：电流传感器模块、clark坐标变换模块、park坐标变换模块、转速/位置检测模块、反步控制器、非线性扰动观测器、park坐标反变换模块、电压空间矢量pwm模块和逆变器；

所述电流传感器模块与永磁同步电机连接，所述电流传感器模块、clark坐标变换模块、park坐标变换模块依次连接，所述park坐标变换模块与非线性扰动观测器和反步控制器分别连接，所述非线性扰动观测器与反步控制器连接，所述反步控制器、park坐标反变换模块、电压空间矢量pwm模块和逆变器依次连接，所述逆变器连接永磁同步电机；

所述转速/位置检测模块与非线性扰动观测器、反步控制器、park坐标变换模块、park坐标反变换模块分别连接。

本发明公开了一种永磁同步电动机转速控制方法，包括以下步骤：

步骤一：测量永磁同步电机的转速ω和位置θ信息；对永磁同步电机两相输出电流进行采样，通过信号转换得到实际的两相输出电流ia和ib；

步骤二：计算第三相输出电流ic，通过clark坐标变换得到永磁同步电机在两相静止坐标系下的电流iα和iβ；通过park坐标变换得到电机在两相同步旋转坐标系下的电流id和iq；

步骤三：根据永磁同步电机的转速ω及在两相同步旋转坐标系下的电流id、iq，通过非线性扰动观测，得到系统所有扰动的估计值

步骤四：根据永磁同步电机的转速ω，给定的电机参考转速ω^*，在两相同步旋转坐标系下的电流id、iq，d轴参考电流以及系统所有扰动的估计值进行永磁同步电机反步控制，得到在两相同步旋转坐标系下的输入电压值ud、uq；

步骤五：根据在两相同步旋转坐标系下的输入电压值ud、uq以及永磁同步电机的位置θ，通过park坐标反变换得到在两相静止坐标系下的电压值uα和uβ；

步骤六：根据在两相静止坐标系下的电压值uα和uβ，利用电压空间矢量pwm控制技术，得到用于控制三相逆变器的pwm控制信号，进而将从逆变器得到的输出电压作用于永磁同步电机，实现电机的转速跟踪控制。

进一步地，所述步骤三中，通过非线性扰动观测，得到系统所有扰动的估计值的方法具体为：

设计非线性扰动观测器

其中，

id，iq分别为两相同步旋转坐标系下的永磁同步电机定子电流，ud，uq分别为两相同步旋转坐标系下的永磁同步电机定子电压，ld和lq分别为两相同步旋转坐标系下的定子电感，rs为定子电阻，np为极对数，ω为转子机械角速度，jm为转动惯量，b为摩擦系数，φ为永磁体产生的磁链；

为估计的扰动量，zd为观测器内部状态变量，λ(x)为观测器设计的非线性函数，l(x)为观测器增益，并取

进一步地，所述步骤四中，

进行永磁同步电机反步控制，得到在两相同步旋转坐标系下的输入电压值ud、uq，具体为：

其中，fd，fq，fw为由系统参数变化和外部扰动的系统扰动量；kd，kq为正常数；

定义电机的给定参考转速为ω*，分别为给定参考转速的一阶和二阶导数。

进一步地，进行永磁同步电机反步控制的具体方法为：

1)永磁同步电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型表示为：

2)利用反步控制原理设计电机转速-电流单环控制器，首先定义电机的给定参考转速为ω^*，d轴参考电流为令转速跟踪误差为e＝ω^*-ω，采用id＝0的控制方法，得：

3)取q轴虚拟电流控制量定义lyapunov函数并对其求导；

4)定义dq轴电流跟踪误差并对其求导；

5)重新定义lyapunov函数并对其求导，得：

根据4)和5)，得到在两相同步旋转坐标系下的输入电压值ud、uq。

本发明有益效果：

本发明采用反步控制和非线性扰动观测器方法替代传统的pi控制器，并采用转速-电流单环控制方式替代传统的永磁同步电机控制系统转速环和电流环级联的控制结构，实现了转速和电流的快速跟踪控制，降低控制器参数调整难度，为工程实现提供了有效途径。而且本发明采用基于非线性扰动观测器的反步控制方法，与自适应反步控制方法相比，控制器设计更为简单，而且能考虑系统的所有扰动量，通过将估计的扰动量引入反步控制中，提高了系统的抗扰动性能。

1、为适应电机在多种工况下的安全稳定运行，采用反步控制和非线性扰动观测器方法设计了永磁同步电机驱动系统转速控制器，能够实现电机的快速动态响应和对系统所有扰动的较强鲁棒性。

2、控制器采用单环控制结构，设计较为简单，控制器参数调整难度小，便于在实际工程中的应用。

附图说明

图1本发明所提控制方法的结构框图；

图2a电机起动过程中的转速跟踪曲线与对比；

图2b电机起动过程中的dq轴电流跟踪曲线；

图3a负载转矩突变时的转速响应曲线与对比；

图3b负载转矩突变时的dq轴电流响应曲线；

图4a参考转速变化时的转速响应曲线；；

图4b参考转速变化时的电流响应曲线；

图5a电磁参数变化后，电机起动过程的转速跟踪曲线；

图5b电磁参数变化后，电机起动过程的电流跟踪曲线；

图6a机械参数变化后，电机起动过程的转速跟踪曲线；

图6b机械参数变化后，电机起动过程的电流跟踪曲线；

图中，1、电流传感器，2、clark坐标变换模块，3、park坐标变换模块，4、转速/位置检测模块，5、反步控制器模块，6、非线性扰动观测器模块，7、park反变换模块，8、电压空间矢量pwm模块，9、逆变器，10、永磁同步电机。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种永磁同步电动机转速控制系统，包括：电流传感器模块、clark坐标变换模块、park坐标变换模块、转速/位置检测模块、反步控制器、非线性扰动观测器、park坐标反变换模块、电压空间矢量pwm模块和逆变器；

电流传感器模块与永磁同步电机连接，电流传感器模块、clark坐标变换模块、park坐标变换模块依次连接，park坐标变换模块与非线性扰动观测器和反步控制器分别连接，非线性扰动观测器与反步控制器连接，反步控制器、park坐标反变换模块、电压空间矢量pwm模块和逆变器依次连接，逆变器连接永磁同步电机；

转速/位置检测模块与非线性扰动观测器、反步控制器、park坐标变换模块、park坐标反变换模块分别连接。

本发明公开了一种永磁同步电机驱动系统转速控制方法，包括以下步骤：

步骤一：利用转速/位置检测模块4测量永磁同步电机的转速ω和位置θ信息，并将测得的电机转速用于反步控制器模块5和非线性扰动观测器模块6，将电机位置用于park坐标变换模块3和park反变换模块7。

步骤二：利用霍尔电流传感器模块1对电机两相输出电流采样，通过模/数转换送入电机控制器，并通过信号转换得到实际的两相输出电流ia和ib，根据三相电流平衡原理求得第三相电流ic，然后通过clark坐标变换模块2得到电机在两相静止坐标系下的电流iα和iβ，进而利用步骤一中测得的电机位置角θ，通过park坐标变换模块7得到电机在两相同步旋转坐标系下的电流id和iq。

步骤三：将电机转速ω及在两相同步旋转坐标系下的id、iq输入非线性扰动观测器模块6，得到系统因参数不确定、外部扰动等产生的所有扰动的估计值

步骤四：将步骤一中测量的电机转速ω，给定的电机参考转速ω^*，d轴参考电流步骤二中的id、iq以及步骤三中得到的扰动估计值输入到电机反步控制器模块5得到在两相同步旋转坐标系下的输入电压值ud、uq。

步骤五：根据上一步得到的电压ud、uq及位置角θ，通过park反变换模块7得到在两相静止坐标系下的电压值uα和uβ。

步骤六：根据电压空间矢量pwm(svpwm)控制模块8，利用uα和uβ得到用于控制三相逆变器9的pwm控制信号，进而将从逆变器得到的输出电压作用于永磁同步电机10，进而驱动电机运行，实现电机的转速跟踪控制。

在试验中，采用反步控制和非线性扰动观测器相结合的方法设计了转速控制器，取代了传统的转速环和电流环级联的控制结构。本发明采用id＝0的控制方法，试验结果如图2-6所示。

给定电机转速1000rmp，电机空载起动，电机参数和负载不变的情况下，分别得到传统pi控制方法和本发明所提方法的转速和电流响应曲线，图2a为转速响应曲线与对比，图2b为dq轴电流响应曲线，从图中看出，与传统pi控制方法相比较，本发明所提方法在电机起动时转速响应更快，超调量更小，而且具有良好的电流控制性能。

电机稳定运行在1000rmp，电机空载，在t＝2s时，得到负载转矩突变为1n·m时的转速和电流变化曲线，图3a为转速变化曲线与对比，图3b为dq轴电流变化曲线，从实验结果看出，负载转矩突变时，所提方法与pi控制方法相比较，转速跌落更小，且更快的恢复到稳定值，在此过程中，d轴电流有一个小的波动，很快恢复到零，q轴电流随着负载转矩的突变而增大。

电机稳定运行在1000rmp，参考转速突然增加到1500rmp时得到转速变化曲线，图4a为此时的转速变化曲线，图4b为对应的dq轴电流变化曲线，从图中看出，参考转速变化后，电机实际输出转速能快速的跟随参考转速变化，实现良好的电流跟踪性，而d轴电流变化后仍能够保持为零。

为了验证本发明提出的电流控制方法在电机实际参数和控制器参数不匹配时控制器的鲁棒性能，实现分两步进行。首先将控制器中所设置电磁参数(定子电阻，电感，转子磁链)变为额定值的50％，75％和150％，机械参数不变，给定电机参考转速为1000rmp，得到电机起动后的响应曲线，其中，图5a为转速响应曲线，图5b为dq轴电流响应曲线；然后，停止电机运行，重新修改控制器中的电机参数，将电机的电磁参数恢复到原来的数值，而把控制器中的机械参数(转动惯量，摩擦系数)变为额定值的0.5倍，重新给定参考转速1000rmp，得到电机起动后的响应曲线，其中，图6a为转速响应曲线，图6b为dq轴电流响应曲线；从图中看出，当控制器中的电机参数变化后，对电机的响应性能影响不大，所设计的控制器对参数变化不敏感，仍具有良好的稳态和动态性能。

反步控制器模块5和非线性扰动观测器模块6如下：

永磁同步电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型表示为：

式中，id，iq，ud，uq分别为两相同步旋转坐标系下的永磁同步电机定子电流和电压，ld和lq为两相同步旋转坐标系下的定子电感，rs为定子电阻，np为极对数，ω为转子机械角速度，jm为转动惯量，b为摩擦系数，φ为永磁体产生的磁链，fd，fq，fw为由系统参数变化和外部扰动的系统扰动量。

由式(1)得永磁同步电机模型可表示为非线性的形式，其中，取状态变量为x＝(x1x2x3)^t＝(idiqω)^t，输入变量为u＝(uduq)^t，输出变量为y＝(y1y2)^t＝(idω)^t，同时，定义系统的扰动量为d＝(fdfqfw)^t。

利用反步控制原理设计电机转速-电流单环控制器，首先定义电机的给定参考转速为ω^*，d轴参考电流为令转速跟踪误差为e＝ω^*-ω，采用id＝0的控制方法，进而由式(1)的第三式得

取q轴虚拟电流控制量定义lyapunov函数通过求导得到

其中，ks＞0为控制增益。为满足v1≤0，可计算得到

定义dq轴电流跟踪误差进而通过对电流误差求导可得

其中，kd，kq为正常数。

重新定义lyapunov函数进而将式(4)和式(5)代入，为使得系统渐近稳定，即满足可得

由式(6)和式(7)求得的ud、uq即为采用反步控制方法设计的电机转速控制律，但控制器中包含有未知的系统扰动量fd，fq，fw，在实际的电机驱动系统中，扰动是不可避免的，如工作环境变化造成的电机参数变化，建模不准确，外部负载扰动等。为了提高系统的鲁棒性，本发明采用非线性扰动观测器方法设计扰动观测器用以估计系统扰动量，并代入反步控制器中，以增强电机的控制性能，实现电机在不同工况下的转速稳定控制。

首先根据电机模型(1)，定义

进而，设计非线性扰动观测器

其中，为估计的扰动量，zd为观测器内部状态变量，λ(x)为观测器设计的非线性函数，l(x)为观测器增益，并取

定义扰动量的估计误差为根据式(8)可得进而可计算得到其中

利用和整理可得

选择合适的l(x)，并使得为hurwtiz的，即可保证整个控制系统的渐近稳定性。

最后搭建了永磁同步电机驱动系统的转速控制试验平台，通过试验证明了本发明所提方法的有效性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。