永磁同步电机分数阶矢量控制方法及系统与流程

1.本发明涉及同步电机技术领域，具体地说，涉及一种永磁同步电机分数阶矢量控制方法和系统。


背景技术：

2.永磁同步电机拥有高效率、高功率密度和大转矩惯性比优点，使用的范围非常广泛，在实际工业应用领域有着举足轻重的地位。因此，实现对永磁同步电机的高性能控制有着非常重要的作用。
3.分数阶微积分自提出以来，由于其复杂的求解过程，直至上世纪末才逐步应用于解决实际工程问题。1999年，podlubny将分数阶应用于控制系统，提出了采用pi
λ
d
μ
控制器能获得比传统pid更好的控制效果。
4.相较于经典的pid控制器，pi
λ
d
μ
控制器增加了两个可调参数，因此，可以获得更多的参数选择以提高控制性能。在一个现有技术中，将分数阶pi
λ
d
μ
控制器应用于永磁同步电动机的速度控制，得到了比整数阶pi控制器更好的控制效果。还有一种现有技术把分数阶控制器应用于无人驾驶飞机的控制，这证实了使用分数阶控制器能得到比使用整数阶控制器更好的控制效果。
5.然而，控制系统在实际运行时还会有来自现场环境的各种干扰噪声。这些因素的总和构成了系统中的不确定性与干扰，它们的存在必然会影响系统的性能，使控制变得复杂和困难。
6.因此，还迫切需要提供一种能够消除这些现场环境的各种干扰噪声带来的不确定所造成的系统性能的不良影响。


技术实现要素：

7.为解决上述问题，本发明提供了一种永磁同步电机分数阶矢量控制的方法，其包括以下步骤：
8.采集输入到所述永磁同步电机的电枢三相电流和所述永磁同步电机输出的转子角速度；
9.将所述转子角速度反馈到干扰观测器中进行观测以得到转子角速度观测值；
10.将所述转子角速度观测值和转子角速度参考值一同输入到速度环分数阶pid控制器中进行调节以产生外环控制量，所述外环控制量对应于q轴电流参考值；
11.将所述当前电流反馈到电流环分数阶pid控制器中并基于所述q轴电流参考值进行调节以产生对应于q轴、d轴控制电压的内环控制量，所述内环控制量经调制用于产生控制所述永磁同步电机的运转的驱动脉冲。
12.根据本发明的一个实施例，优选的是，建立所述永磁同步电机在旋转坐标系d-q下的理想数学模型如下：
[0013][0014][0015][0016][0017]
式中θ
e
为电角度；ω为转子角速度；i
d
和i
q
分别为d轴和q轴定子电流；u
d
和u
q
分别为d轴和q轴定子电压；l
d
和l
q
分别为d轴和q轴定子电感；ψ
f
为磁链；r为定子电阻。n
p
是极对数；j是电机和负载的总转动惯量；t
e
是电磁转矩3/2n
p
[ψ
f
i
q
(l
d-l
q
)i
d
i
q
]；b是阻尼系数；t
f
是负载转矩bω；t
l
是负载转矩。
[0018]
根据本发明的一个实施例，优选的是，将外部负载转矩当作干扰，并利用非线性干扰观测器来估计所述干扰，其中，所述干扰观测器方程如下：
[0019][0020]
其中，z为构造量，l为观测器增益，x是系统状态，估计误差如下：
[0021]
则
[0022][0023]
根据本发明的一个实施例，优选的是，所述永磁同步电机的负载模式包括恒定负载扰动、缓慢变化的负载扰动和方波形扰动，其中所述干扰有界，使得选择所述观测器的增益l来准确地估计所述干扰。
[0024]
根据本发明的一个实施例，优选的是，将解耦的q、d轴电压进行逆派克变换得到静止坐标系下的矢量控制电压。
[0025]
根据本发明的一个实施例，优选的是，基于所述矢量控制电压进行svpwm调制产生提供给电机的驱动脉冲。
[0026]
根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于永磁同步电机的分数阶矢量控制系统，所述系统包括：
[0027]
采集单元，其用于采集输入到所述永磁同步电机的电枢三相电流和所述永磁同步电机输出的转子角速度；
[0028]
干扰观测器，其用于对反馈输入的所述转子角速度进行观测以得到转子角速度观测值；
[0029]
速度环分数阶pid控制器，其用于接收所述转子角速度观测值和转子角速度参考值并进行调节以产生外环控制量，所述外环控制量对应于q轴电流参考值；
[0030]
电流环分数阶pid控制器，其用于接收所述当前电流并基于所述q轴电流参考值进行调节以产生对应于q轴、d轴控制电压的内环控制量，所述内环控制量经调制用于产生控
制所述永磁同步电机的运转的驱动脉冲。
[0031]
本发明的有益技术效果：本发明在matlab/simulink仿真环境下建立了永磁同步电机的仿真模型，仿真结果验证了所提出控制策略的正确性，与传统的pid调节控制器相比较，根据本发明的基于分数阶与干扰观测器的控制器的调速控制性能更好，具有良好的动静态控制性能和抗干扰能力。
[0032]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0033]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0034]
图1显示了干扰观测器的基本原理；
[0035]
图2显示了根据本发明的一个实施例的基于干扰观测器的永磁同步电机分数阶控制的结构框图；
[0036]
图3显示了传统控制下以及根据本发明的原理下进行控制的阶跃响应图；以及
[0037]
图4显示了传统控制下以及根据本发明的原理下进行控制的负载动态响应图。
具体实施方式
[0038]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。
[0039]
本发明的永磁同步电机模型，在同步旋转坐标系d-q下理想的数学模型如下
[0040][0041]
式中为θ
e
电角度；ω为转子角速度；i
d
和i
q
分别为d轴和q轴定子电流；u
d
和u
q
分别为d轴和q轴定子电压；l
d
和l
q
分别为d轴和q轴定子电感；ψ
f
为磁链；r为定子电阻。n
p
是极对数；j是总转动惯量(电机和负载)；t
e
是电磁转矩3/2n
p
[ψ
f
i
q
(l
d-l
q
)i
d
i
q
]；b是阻尼系数；t
f
是负载转矩bω；t
l
是负载转矩。
[0042]
分数阶微积分是积分和微分到非整数阶域的推广，基本算子定义为
[0043][0044]
式中a、t为算子的积分下限、上限；α∈r为算子阶次。
[0045]
分数阶控制器的传递函数可由下式表达
[0046][0047]
其中k
p
，k
i
和k
d
分别为比例增益，积分增益和微分增益。另外，μ和λ(在0和2之间)分别表示分数积分的阶数与分数微分的阶数。引入这两个参数可以适当地调整许多控制系统的动态性能。
[0048]
目前，分数阶微积分有是grunwald-letnikov定义，riemann-liouville定义和caputo定义。
[0049]
(1)grunwald-letnikov分数阶微积定义
[0050]
对任意实数c，把小于c的最大整数记为[c]，则对任意α，函数f(t)的α阶微积分的gl定义为
[0051][0052]
其中
[0053][0054]
(2)riemann-liouville分数阶微积分定义
[0055]
对任意α，满足m-1<α<m，m为自然数，分数阶微分的rl定义为
[0056][0057]
分数阶积分的riemann-liouville定义为
[0058][0059]
其中，t>0，α为正实数。
[0060]
(3)caputo分数阶微积分定义
[0061]
caputo分数阶微分定义为
[0062][0063]
其中m＝[α]，m为整数，γ＝α-m。
[0064]
caputo分数阶积分定义为
[0065][0066]
caputo分数阶微积分统一定义为
[0067][0068]
其中，m-1<α<m，m为自然数。
[0069]
干扰观测器(dob)的概念是由日本学者k.ohnishi于1987年提出的。其基本思想是设计干扰观测器来估计外部干扰，基于干扰观测器的输出，通过将前馈补偿器和传统的反馈控制器相结合，从而达到抵消干扰的目的。一些研究将干扰观测器应用于永磁同步电机的控制，获得了优异的抗干扰能力。
[0070]
为了进一步提高抗干扰控制的精度及系统的鲁棒性，将dobc方法与其他抗干扰控制方法相结合来处理多源干扰，成为一种合理的选择。dobc方法已经在工业界得到广泛应用，从传统的运动控制系统，到航空航天系统，是为数不多的商业化和工业化的算法。
[0071]
实际系统中，不管其模型是如何得到的，实际模型都与名义模型不同，都存在未建模动态特性，并且系统中也存在扰动。扰动观测器(dob)将实际输出与名义模型输出之间的差异，看着是作用于名义模型的等效干扰，它估计出这种等效干扰，并将之加入到控制端用于抵消外部扰动的影响，这正是干扰观测器结构的基本思想。
[0072]
图1显示了干扰观测器的基本原理。g
p
(s)为控制系统的传递函数，为等效干扰，d为观测干扰，u为控制输入。由图可得等效干扰的估计值为：
[0073][0074]
非线性系统具有以下一般形式的不确定性
[0075][0076]
其中，c＝[x1，x2，
…
，x
n
]
t
∈r
n
是状态变量向量；u∈r和u∈r分别是控制输入和系统输出；a(x)和b(x)是未知的函数，表示非线性，参数不确定性和未建模动态；和d(t)代表时变外部干扰。状态矩阵a和状态矩阵b具有规范形式如下：
[0077][0078]
系统总的扰动表示为
[0079]
ψ(x,u,t)＝a(x) (b(x)-b0)u d(t)
ꢀꢀꢀ
(14)
[0080]
其中b0为系统恒定的增益。对于名义系统，在存在外部干扰的条件下重写最后一
个状态，即
[0081][0082]
定义虚拟状态来表示扰动，然后，系统可以扩展为
[0083][0084]
在永磁同步电动机中，外部负载转矩被认为是一种干扰，利用非线性干扰观测器估计干扰。利用(1)给出的永磁同步电动机模型方程设计非线性微分方程。
[0085][0086]
令转子角速度ω为状态x，为干扰d；
[0087]
即状态x＝ω，干扰,令所以(17)式可写为
[0088][0089]
则干扰观测器方程为
[0090][0091]
其中z为构造量，l为观测器增益，x是系统状态，估计误差如下
[0092][0093]
则
[0094][0095][0096]
在永磁同步电机中，典型负载模式一般为恒定负载扰动、缓慢变化的负载扰动和方波形扰动，这几种干扰都为有界，因此可以选择适当的的观测器增益l来准确地估计干扰。
[0097]
根据永磁同步电机的矢量控制原理，以及结合分数阶pid与干扰观测器可以得到如图2所示的基于干扰观测器的永磁同步电机分数阶矢量控制结构框图。
[0098]
在matlab/simulink仿真平台上建立所示的基于干扰观测器的永磁同步电机分数阶矢量控制系统仿真模型。改进的oustaloup滤波器可以很好地拟合分数阶微分算子，所以
封装一个simulink模块来表示为了对比研究，首先按照传统方法设计出电流环和转速环的控制器并得出各自校正后的开环截止频率和相位裕量。最后在此基础上增加干扰观测器，给予相同的输入或干扰，再得到波形进行比较。
[0099]
仿真中电机参数设置为：极对数n
p
＝4，定子l
d
＝5.35mh,l
q
＝13mh，定子电阻r＝0.965ω，磁链ψ
f
＝0.1827wb，转动惯量j＝0.003kg
·
m2，阻尼系数b＝0.008n
·
m
·
s。
[0100]
两种控制系统的阶跃响应曲线如图3所示，可知基于干扰观测器的全分数阶控制器具有较快的调节时间和较小的超调。在转速为1000rad/s、增加20n
·
m额定负载时的转速动态曲线如图4所示。
[0101]
本发明在matlab/simulink仿真环境下建立了永磁同步电机的仿真模型，给出基于干扰观测器的永磁同步电机分数阶矢量控制控制方法,仿真结果验证了所提出控制策略的正确性,相对传统的pid调节控制器，基于分数阶与干扰观测器的控制器的调速控制性能更好，具有良好的动静态控制性能和抗干扰能力。
[0102]
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
[0103]
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
[0104]
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。