一种永磁同步电机的转速环线性自抗扰控制方法及系统

本发明属于永磁同步电机，具体涉及一种永磁同步电机的转速环线性自抗扰控制方法及系统。

背景技术：

1、传统线性自抗扰控制器存在以下问题：参数耦合：传统leso（linear extendedstate observer，线性扩张状态观测器）在频域上可等效为二阶低通滤波器，对高频扰动估计存在固有误差，单纯提高观测器带宽会引入噪声并影响系统稳定性。控制器带宽与观测器带宽的耦合导致系统对扰动的估计精度与估计速度之间存在矛盾，加大了参数整定的难度。周期性扰动抑制能力不足：传统的线性自抗扰控制器实际应用中受限于带宽的限制，导致其对高频周期性扰动的抑制能力存在理论缺陷。高阶扰动抑制能力欠缺：传统的线性自抗扰控制器在面对高阶扰动时，其对扰动估计误差将会无法收敛到稳定值。

2、中国专利公开号为cn115296586a，名称为一种基于准谐振控制器的改进线性自抗扰电机控制方法的专利申请，控制方法包括：首先建立交流电机电流环数学模型，将电流环的总扰动扩展为新的状态变量；构建线性扩张状态观测器，并分析扩张状态观测器的频域特性；切换线性扩张状态观测器的扰动前馈通道，拓展线性扩张状态观测器对扰动的观测带宽，并在误差反馈通道内加入低通滤波器，抑制观测系统内的高频噪声；在改进线性扩张状态观测器的扰动观测通道中并联准谐振控制器，构建准谐振改进线性扩张观测器；设计控制率，在准谐振改进线性扩张状态观测器的基础上构建准谐振改进线性自抗扰控制器。该专利申请无法解决参数耦合的问题，且对非单一频率周期性扰动抑制能力有限。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种永磁同步电机的转速环线性自抗扰控制方法及系统，通过参数解耦，实现动态响应速度与抗扰能力的单独控制；通过在一级线性扩张状态观测器中引入重复控制器增强线性自抗扰控制器在高频周期性扰动的抑制能力；通过两级级联线性扩张状态观测器结构提高线性自抗扰控制器对高阶扰动的抑制能力。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供一种永磁同步电机的转速环线性自抗扰控制方法，采用改进线性自抗扰控制器进行控制；所述改进线性自抗扰控制器将比例积分微分结构和重复控制器作为一级线性扩张状态观测器，将传统线性扩张状态观测器作为二级观测器进行级联；其中，改进线性自抗扰控制器的构建方法包括以下步骤：

4、定义系统总扰动为扩张状态变量；将永磁同步电机的内部参数变化、负载扰动、摩擦扰动、系统未知扰动定义为总扰动，将总扰动设置为扩张状态变量，得到基于转速环的扩张状态方程；

5、将给定的机械角速度和解耦重复控制线性扩张状态观测器估计机械角速度做差，将差值进行比例运算得到控制量；将控制量与解耦重复控制线性扩张状态观测器估计总扰动做差后得到解耦重复控制线性扩张状态观测器和传统线性扩张状态观测器的输入；

6、将实际机械角速度与解耦重复控制线性扩张状态观测器估计机械角速度做差得到第一误差；对第一误差分别做比例和积分运算再求和得到第二误差；对第二误差做微分运算后引入rc得到第三误差；将第二误差和第三误差求和并做积分运算后得到解耦重复控制线性扩张状态观测器估计的系统扰动；将解耦重复控制线性扩张状态观测器估计的系统扰动与解耦重复控制线性扩张状态观测器的输入求和后再积分得到解耦重复控制线性扩张状态观测器估计的机械角速度；

7、将实际机械角速度和传统线性扩张状态观测器估计机械角速度做差得到第四误差；将第四误差做积分运算后得到传统线性扩张状态观测器估计的系统扰动；将第四误差、解耦重复控制线性扩张状态观测器估计的系统扰动、传统线性扩张状态观测器估计的系统扰动和传统线性扩张状态观测器的输入求和后再积分得到传统线性扩张状态观测器估计机械角速度；将解耦重复控制线性扩张状态观测器估计的系统扰动与传统线性扩张状态观测器估计的系统扰动求和得到级联解耦重复控制线性扩张状态观测器估计总扰动；

8、将级联解耦重复控制线性扩张状态观测器估计总扰动引入改进型线性自抗扰控制器的控制律中，生成最终控制量作用于转速环，对永磁同步电机转速进行控制。

9、可选地，一级线性扩张状态观测器中，比例积分微分结构通过在传统线性扩张状态观测器的误差反馈分别做比例积分微分计算后再进行运算，其表达式为：

10、

11、其中，

a为衰减系数，

ω01为一级线性自抗扰中观测器带宽，

ωc为线性自抗扰中控制器带宽，

ωe为机械角速度，z1为观测器对系统机械角速度

ωe的估计值。

12、可选地，一级线性扩张状态观测器在加入比例积分微分结构后的误差传递函数表达式为：

13、

14、其中，

a为衰减系数，

ω01为一级线性自抗扰中观测器带宽；s为拉普拉斯算子。

15、可选地，在一级线性扩张状态观测器中加入的重复控制器的传递函数为：

16、

17、其中，

krc为重复控制器增益，

k为延迟补偿拍数，

n为系统采样频率

fs和输入信号基频

f0的比值，

ts为系统采样周期，

q(

s)为辅助补偿器，

s(s)为低通滤波器；s为拉普拉斯算子。

18、可选地，一级线性扩张状态观测器表达式为：

19、

20、其中，a为衰减系数，z1为观测器对系统机械角速度的估计值，z2为观测器对系统扰动估计值，ωe为机械角速度，b0为输入控制增益；grc为重复控制器的传递函数。

21、可选地，所述衰减系数a大于0.1，小于0.5。

22、可选地，二级线性扩张状态观测器表达式为：

23、

24、其中，

s1为观测器对系统机械角速度的估计值，

s2为观测器对系统除

z2之外扰动的估计值。

25、可选地，最终控制量的计算公式为：

26、

27、其中，

ωc为线性自抗扰中控制器带宽，

ωe为机械角速度，

z1为观测器对系统机械角速度的估计值，

z2为观测器对系统扰动估计值，

b0为输入控制增益，

s2为观测器对系统除

z2之外扰动的估计值。

28、第二方面，本发明提供一种永磁同步电机的转速环线性自抗扰控制系统，采用所述的一种永磁同步电机的转速环线性自抗扰控制方法进行控制。

29、可选地，所述永磁同步电机的转速环线性自抗扰控制系统包括：

30、转速环ladrc调节器，所述转速环ladrc调节器的输入端用于输入机械角速度的给定值与机械角速度实际值，输出端用于输出q轴参考电流；

31、电流环pi调节器，通过比例和积分计算得到输出信号，以调节电机的电流，实现对永磁同步电机的精确控制。其输入信号为给定转速和反馈转速，通过计算最终控制输出iq；

32、park逆变换单元，所述park逆变换单元的输入端用于输入q轴电压uq和d轴电压ud，输出端用于输出α轴电压和β轴电压；

33、svpwm模块，所述svpwm模块的输入端用于输入α轴电压和β轴电压，输出端用于输出三相电压至永磁同步电机；

34、clark变换单元，所述clark变换单元的输入端用于输入永磁同步电机电机的三相电流，所述clark变换单元的输出端用于输出α轴电流和β轴电流；

35、park变换单元，所述park变换单元的输入端用于输入α轴电流、β轴电流以及转子角度，所述park变换单元的输出端用于输出d轴电流和q轴电流。

36、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

37、本发明针对传统线性自抗扰对扰动的估计与动态性能之间的耦合以及对周期性扰动和高阶扰动的多源扰动的估计能力不足等问题，提出了一种基于重复控制器的解耦级联线性扩张状态观测器的控制方法。

38、本发明将比例积分微分结构加入传统的线性自抗扰中来对参数进行解耦，实现了扰动估计与动态响应速度之间的独立控制；然后将重复控制器加入线性扩张状态观测器中，实现了对周期性扰动的估计；最后采用级联结构的线性扩张状态观测器，通过两级扰动估计与补偿，实现对高阶扰动的估计。

39、与传统方法相比，本发明提高了系统对周期性和高阶扰动的抑制能力，提高了系统的控制精度。本发明通过参数解耦，实现动态响应速度与抗扰能力的单独控制；增强线性自抗扰控制器在高频周期性扰动的抑制能力；提高线性自抗扰控制器对高阶扰动的抑制能力。