一种改进自抗扰控制的永磁同步电机转矩脉动抑制方法

本发明属于永磁同步电机转矩脉动抑制控制，具体涉及一种改进自抗扰控制的永磁同步电机转矩脉动抑制方法。

背景技术：

1、各行各业对于电机控制以及效率要求逐年提升，其中的永磁同步电机功率因数较高，制造时体积更小，耗材少，质量相比其他电机更轻；同时永磁同步电机还具有电磁脉动小，运行发热小，噪声小，可靠性高等优点。基于以上明确优点，故而永磁同步电机的控制策略、对系统控制的稳定性也需要迅速提高。

2、目前现有永磁同步电机转矩脉动研究中，主要存在以下问题：

3、1.普通三相三桥臂逆变器无法滤除负载突变引起的三次电流电压谐波；

4、2.传统pid控制具有抗扰动能力差以及对参数扰动的鲁棒性不强等缺点；

5、3.自抗扰控制参数多、调节困难；

6、针对以上问题，研发人员提出了一种改进自抗扰控制的永磁同步电机转矩脉动抑制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种改进自抗扰控制的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，以解决负载突变等扰动发生时，系统无法维持稳定平衡运行的问题。

2、为了解决以上问题，本发明技术方案为：

3、一种改进自抗扰控制的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，该方法为以下步骤：

4、s1、建立该抑制方法的系统控制框图；

5、该改进自抗扰控制的永磁同步电机转矩脉动抑制系统包括：自抗扰控制模块，坐标变换模块，3d-svpwm发波模块，三相四桥臂逆变器，电流传感器，位置传感器以及永磁同步电机；

6、s2、建立三相四桥臂逆变器拓扑结构；

7、当负载突变等扰动发生时，为维持系统的平衡运行，第四桥臂加入工作，建立三相四桥臂逆变器拓扑结构，使系统迅速完成过渡达到平衡；

8、三相四桥臂逆变器主要由八个功率开关管以及一个附加电感构成，前三个桥臂分别由两个功率开关管组成上下桥臂，第四桥臂与附加电感相接；

9、s3、三维空间矢量脉宽调制(3d-svpwm)；

10、基于s1中三相四桥臂的三维空间矢量脉宽调制(3d-svpwm)过程主要包括：

11、三维空间下的开关矢量、开关矢量的确定、占空比的计算、pwm调制波的生成；

12、三相四桥臂逆变器的简化后，前三个桥臂与第四个桥臂之间的中点电压分别为

13、四个桥臂并联，设定a、b、c、n为每个桥臂的开关状态，每个开关状态导通时设定为1，开关关断时设定为0，四个桥臂不同的开关状态共有16种组合方式，设定为空间电压矢量；分别代表不同开关状态组合后得到的合成矢量，且和为零矢量；

14、开关状态和开关矢量如表1所示：

15、表1

16、

17、

18、由上述的将这16个合成矢量得到空间矢量图；

19、根据空间矢量图四面体中的参考电压向量，可以得到不同矢量组，由伏秒面积相等原理计算得出不同开关矢量所对应的占空比；

20、表2指针变量与所对应的矢量组

21、

22、

23、s4、自抗扰控制；

24、自抗扰控制主要由跟踪微分器td，扩张状态观测器eso和非线性状态误差反馈控制率nlsef三部分组成；

25、跟踪微分器(td)：跟踪微器通过对过渡过程的适当分配，使得系统的反应速率大大加快，既可以减少超调，又可以迅速地追踪到系统的参考输入，并根据控制器的阶数值求出一个近似的微分信号；

26、扩张状态观测器(eso)：扩张状态观测器通过获取自抗扰控制系统的输出信号y的跟踪信号z1和二阶导数信号z2以及系统扰动估计信号z3来估计扰动；将外部扰动和模型误差展开为新的状态变量；

27、非线性状态误差反馈控制器(nlsef)：跟踪微分器(td)和扩张状态观测器(eso)分别产生跟踪信号和状态变量，非线性状态误差反馈控制器利用上述两者误差的函数求解控制量；

28、s5、改进遗传算法优化；

29、利用改进的遗传算法对自抗扰控制中扩展状态观测器的参数进行优化，设计优化过程的具体步骤，使原本复杂的参数整定变得简单、准确、可靠；

30、优化过程具体步骤包括：

31、s5.1、确定适应度函数：

32、确定目标函数，以评价并改善系统控制性能；

33、s5.2、参数编码：

34、对所要优化的扩张状态观测器中需要优化的参数进行编码；

35、s5.3、产生初始种群：

36、为了系统参数易于收敛，选取较大的群体规模，为使参数符合运动规律，在参数寻优时缩小搜索空间，减少搜索时间；

37、s5.4、计算种群适应度：

38、适应度函数表达了个体的优劣性，它的选择需要根据具体的求解问题来确定；

39、对于不同的问题，适应度函数也不同；

40、s5.5、个体选择：

41、从种群个体中选出优良个体作为新一代的父代个体；

42、s5.6、交叉：

43、将种群中的个体随机配对，将部分个体以一定的概率交叉得到新一代种群；

44、交叉是遗传算法中最重要的遗传算子操作；

45、s5.7、变异：

46、在种群中随机选择一个个体样本，以一定的概率随机改变其中一个个体以得到一个新的个体；

47、s5.8、终止判断：

48、重新评估新一代种群的性能，设置终止迭代数，并在满足最终迭代终止条件时停止操作。

49、进一步的，s2中建立的三相四桥臂逆变器拓扑结构如下：

50、三相电流经过clark变换为：

51、

52、对应的转换park变换为：

53、

54、零轴电流i0与中线电流in之间的关系为：

55、

56、当负载突变等扰动发生时，三相的输出电压可以分解为三组平衡的正序、负序和零序分量，当不需要考虑谐波分量的时候，三相输出电压可以表示为：

57、

58、式中：

59、分别为输出三相电压的正序、负序和零序的电压峰值；

60、αp、αn、α0分别为输出三相电压的正序、负序和零序电压的初始相位；

61、将上式变换到旋转坐标系中可得：

62、

63、进一步的，s3中，3d-svpwm确定四面体的参考矢量就是输入的三相电压urefa、urefb、urefc；

64、可由下式来确定要选择的四面体：

65、n＝1+k1+2k2+4k3+8k4+16k5+32k6；

66、式中：

67、

68、

69、

70、n为区域指针取值范围从1～64；

71、由于ki的取值并不完全独立，故n只有24个数值；

72、占空比计算公式如下式：

73、

74、

75、式中，为参考电压矢量，为三个非零开关电压矢量，下标中的a、b、c表示在三维空间坐标系上各坐标轴的投影值；d1、d2、d3分别为各个合成非零矢量所对应的占空比，d0则是零矢量的占空比。

76、进一步的，s4中自抗扰控制过程计算如下：

77、安排过渡过程(td)为设定值：

78、

79、状态估计和总扰动(eso)：

80、ε1＝z1(k)-y(k)

81、

82、控制量的形成：

83、e1＝v1(k)-z1(k)

84、e2＝v2(k)-z2(k)

85、u0＝β01fal(e1，α1，δ)+β02fal(e2，α2，δ)

86、u(k)＝u0-z3(k)/b.

87、式中：

88、

89、设定状态变量x1＝y，x1为输入信号v的跟踪信号；

90、x2为x1的微分信号；

91、h为采样周期；

92、b为u的系数，r0决定信号的跟踪速度，称为“速度因子”；

93、h0对信号的噪声起滤波作用，称为“滤波因子”；

94、e1为误差信号，e2为误差微分信号；

95、r0，h0，β01，β02，α1，α2，δ为控制器可调参数，fal()为非线性函数；

96、v0为目标速度，v为实际速度，v1为跟踪速度，v2为跟踪加速度，z1为观测速度，z2为观测加速度，z3为观测扰动，e1为目标误差，e2为微分误差，u0为控制器输出，u为最终输出，w为外部扰动。

97、进一步的，s5.1中设计适应度函数如下式所示：

98、

99、式中，n为种群个体数，ω1，ω2为权重；

100、对交叉算子pc和变异算子pm进行改进，通过自适应调整对交叉算子pc和变异算子pm进行选择，将适应度的最大值、适应度最小值作差取平均值作为分母提高了交叉和变异的可靠性和适用性，即：

101、

102、

103、式中：

104、fmax为适应度最大值；fmin为适应度最小值；favg为每一代适应度的平均值；f为两个交叉个体中的适应度最大值；f*为变异个体的适应度。

105、本发明的有益效果如下：

106、本发明采用三相四桥臂逆变器，确保在负载突变等扰动发生时，不会因为三次谐波电动势的存在而导致绕组内产生三次谐波电流，有效避免因三次谐波而导致的电机效率的降低。

107、采用自抗扰控制方法，解决了传统pid控制具有抗扰动能力差以及对参数扰动的鲁棒性不强等问题，降低扰动对永磁同步电机转矩脉动抑制性能的影响。

108、交叉变异概率是影响算法行为和性能的关键，合理的交叉、变异概率能显著提升算法性能，因此本技术提出的自适应调整交叉变异算子的方法，采用改进遗传算法优化自抗扰控制器的扩张状态观测器的部分参数，改进的交叉概率和变异概率计算公式，将适应度的最大值、适应度最小值作差取平均值作为分母提高了交叉和变异的可靠性和适用性，通过改进后的扩张状态观测器对永磁同步电机系统的状态和总扰动进行估测，并将估测值反馈给控制器，实现对永磁同步电机负载突变等扰动发生时的转矩脉动抑制。