一种基于内模的永磁同步电机自适应速度控制方法

本发明涉及永磁同步电机控制领域，具体涉及一种基于内模的永磁同步电机自适应速度控制方法。

背景技术：

1、现代交流伺服系统中，永磁同步电机因其具有高功率密度、高效率、快速响应、宽调速范围、转动惯量小等优点，在航空航天、计算机数控机床、机器人、电动汽车等领域得到了广泛的应用。永磁同步电机模型具有多变量、非线性、强耦合等特点，且受到负载转矩干扰和参数不确定性的影响，因此想要得到很好的跟踪控制效果往往比较困难。

2、另一方面，自适应伺服控制问题在近几十年来得到了控制界的广泛关注，而内模和自适应技术作为解决自适应伺服控制问题的强有力工具，其优点在于能够在外部系统中包含未知参数的情况下实现轨迹跟踪、干扰抑制和鲁棒性等多种控制目标。将内模和自适应技术应用到永磁同步电机中不但能在外部干扰频率和电机参数未知条件下取得良好的速度跟踪效果，而且还能实现未知干扰频率的估计。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于内模的永磁同步电机自适应速度控制方法。

2、本发明的技术方案是：

3、本发明的一种基于内模的永磁同步电机自适应速度控制方法，该方法包含以下步骤：

4、步骤1：建立永磁同步电机数学模型；

5、步骤2：将外部干扰频率未知条件下的永磁同步电机的速度跟踪和干扰抑制问题描述为一个自适应伺服控制问题；

6、步骤3：设计内模，将电机系统的自适应伺服控制问题转化为由电机系统和内模组成的增广系统的鲁棒镇定问题；

7、步骤4：采用速度-电流环的级联结构，基于自适应输出调节理论，针对速度环设计自适应状态反馈控制器；

8、步骤5：采用速度-电流环的级联结构，针对电流环设计pi控制器并给出最终控制器。

9、进一步地，一种基于内模的永磁同步电机自适应速度控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为：

10、永磁同步电机数学模型为：

11、

12、其中：ud、uq分别是定子电压的d-q轴分量，id、iq分别是定子电流的d-q轴分量，l是电枢电感，rs是定子电阻，p是极对数，φv代表永磁体磁链，ωr是实际机械角速度，tl是负载转矩，j是电机转子转动惯量，b是粘滞摩擦系数。

13、进一步地，一种基于内模的永磁同步电机自适应速度控制方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

14、1)本方法假定参考速度ωd和负载转矩tl可由以下外部系统产生：

15、

16、其中a1(σ),n1,n2为三个定常矩阵但σ是未知常数。此外部系统具有一般性，可产生实际中常用的信号如常值信号、斜坡信号、正弦信号等。

17、2)令x＝ωr，iq作为控制输入u(将被用作iq电流环的参考信号)。将系统(1)的速度方程写为如下形式：

18、

19、3)定义跟踪误差为：

20、e＝ωr-n1v.    (4)

21、4)令其中表示永磁同步电机各个参数的标称值，l，rs，φv，j，b表示永磁同步电机各个参数的实际值，ε∈r5表示永磁同步电机参数的实际值和标称值的偏差。将公式(1)和公式(2)写成如下紧凑形式：

22、

23、其中f(x,u,v,ε)＝ax+bu-j-1n2v,h(x,u,v,ε)＝x-n1v。

24、5)此时外部干扰频率未知条件下的永磁同步电机的速度跟踪和干扰抑制问题已被描述为一个自适应伺服控制问题，其控制目标是在外部系统中包含未知参数的情况下使得闭环系统稳定和公式(5)的稳态跟踪误差渐近趋于零。

25、进一步地，一种基于内模的永磁同步电机自适应速度控制方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

26、1)求解如下的调节器方程：

27、

28、其中x(v,ε),u(v,σ,ε)分别是稳态状态和稳态输入。得到状态和输入的稳态解如下：

29、

30、2)存在整数s和实数a1,a2,…,as使得u(v,σ,ε)对外部系统的所有轨迹v(t)和所有的ε都满足

31、

32、3)让并且(γ,φ(σ))为一对可观测矩阵如下

33、

34、4)构建如下的稳态发生器来产生稳态解：

35、

36、5)选择一对可控矩阵(m,n)，其中m为hurwitz矩阵，令θ(v,σ,ε)＝t(σ)ξ(v,σ,ε)，ψσ＝γt-1(σ)可得：

37、

38、其中，t(σ)为满足如下的sylvester方程的任意非奇异矩阵：

39、t(σ)φ(σ)-mt(σ)＝nγ. (12)

40、6)设计内模为如下形式：

41、

42、7)进行如下的坐标变换与输入变换：

43、

44、得到如下的误差方程：

45、

46、8)此时，系统(5)的自适应伺服控制问题已经被转化为系统(15)的鲁棒镇定问题。

47、进一步地，一种基于内模的永磁同步电机自适应速度控制方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

48、1)定义令其中p为一个正定对称矩阵满足m p+pm＝-i，i为单位矩阵，为ψσ的估计值，m为特定的正数。于是存在一个足够大的增益k满足如下的不等式：

49、

50、2)得到如下控制律解决系统(15)的鲁棒镇定问题：

51、

52、3)得到速度环的控制器为如下形式：

53、

54、进一步地，一种基于内模的永磁同步电机自适应速度控制方法，其特征在于，采用速度-电流环的级联结构结合的矢量控制策略，所述步骤5具体为：

55、1)采用pi控制方法，电流环的控制器为：

56、

57、其中

58、2)结合(18)和(19)，得到最终控制器为：

59、

60、本发明地优点是：

61、本发明解决了实际控制中干扰频率未知和电机参数摄动影响跟踪性能的问题，具有良好的速度跟踪性能；此外，本发明所提出的基于内模的自适应速度控制方法允许所有的电机参数未知并且能够实现未知干扰频率的估计；最后，本发明速度环控制器只需依据永磁同步电机的速度方程模型设计，简化了模型，易于实际应用。

技术特征：

1.一种基于内模的永磁同步电机自适应速度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种基于内模的永磁同步电机自适应速度控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为：

3.如权利要求2所述的一种基于内模的永磁同步电机自适应速度控制方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

4.如权利要求3所述的一种基于内模的永磁同步电机自适应速度控制方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

5.根据权利要求4所述的一种基于内模的永磁同步电机自适应速度控制方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

6.如权利要求5所述的一种基于内模的永磁同步电机自适应速度控制方法，其特征在于，采用速度-电流环的级联结构结合的矢量控制策略，所述步骤5具体为：

技术总结
本发明公开了一种基于内模的永磁同步电机自适应速度控制方法，该方法包括：建立永磁同步电机数学模型；将外部干扰频率未知条件下的永磁同步电机的速度跟踪和干扰抑制问题描述为一个自适应伺服控制问题；控制器的设计采用速度‑电流环的级联结构，其中速度环采用基于内模的自适应控制方法，电流环采用PI控制方法。本发明解决了实际控制中外部干扰频率未知和电机参数摄动影响跟踪性能的问题，具有良好的速度跟踪性能。此外，本发明所提出的基于内模的自适应速度控制方法允许所有的电机参数未知并且能够实现未知干扰频率的估计。

技术研发人员：平兆武,贾英杰,黄云志
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13