基于转矩扰动估计的永磁同步电机反推控制_1.docx

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1、基于转矩扰动估计的永磁同步电机反推控制lvjing导语：根据永磁同步电动机的非线性动态数学模型，采用反推控制方法。改善了传统PID控制对非线性控制效果不理想的缺点摘要根据的非线性动态数学模型，采用直接反应线性化控制方法，实现了永磁同步电动机系统的输入输出线性化。通过此方法设计的速度跟踪控制，在保证整个闭环系统稳定的情况下，进步速度跟踪的快速性。另外在此根底上，采用了负载转矩扰动观测器，减小了负载扰动对速度的影响。仿真说明，反应线性化控制设计简单，有很好的速度跟踪性能。关键词:永磁同步电动机直接反应线性化转矩扰动估计AbstractAccordingtononlineardynamicmathe

2、maticalmodelofpermanentmagnetsynchronousmotor,thePMSMsystemisinput-outputlinearizedwiththemethodofdirectfeedbacklinearization.Throughthislinearizationmodel,thespeedtrackingcontrollawisdesigned,andundertheconditionwhichcanguaranteethestabilityofthewholeclosedloopsystem,itimprovesthecelerityofspeedtra

3、cking.Formore,theobserverofdisturbancetorqueisapplied，andreducetheeffectoftorquedisturbancetospeed。Thesimulationresultsshowthatthedesignedmethodissimplenesswhichhasbetterspeedtrackingperformances.Keywords:PMSM,Directfeedbacklinearization,DisturbanceTorqueEstimation1引言根据永磁同步电动的非线性动态数学模型，采用反推控制方法。改善了传

4、统PID控制对非线性控制效果不理想的缺点。通过此方法设计的速度跟踪控制，能保证整个闭环系统稳定的情况下。进步速度跟踪的快速性，另外在此根底上。采用了负载转矩扰动观测器。减小了负载扰动对速度的影响。仿真说明，反推控制设计简单，有很好的速度跟踪性能。随着永磁磁性材料、半导体功率器件和控制理论的开展，永磁同步电动机PMSM在当前的中、小功率运动控制中起着越来越重要的作用。它具有如下的优点：构造紧凑、高功率密度、高气隙磁通和高转矩惯性比等。因此，在伺服系统中越来越被广泛应用。另外，永磁同步电动机是一个非线性系统，它含有角速度w与电流id或者iq的乘积项，因此要得到准确控制性能必须对角速度和电流进展解耦

5、。对于高精度速度跟踪控制问题，负载扰动会对速度波动产生影响。因此，需要对负载扰动进展估计，来减小它的影响。因此一般的线性控制方法效果不够理想。为解析决其控制问题，当前采用的非线性控制方法主要有变构造控制、反应线性化和无源控制等，但这些非线性控制的设计方法比拟复杂，不易理解。本文结合矢量控制的坐标变换方法，提出了Backstepping控制策略，它不但可以实现永磁同步电动机系统的完全解耦，设计方法比拟简单而且控制效果比传统的PID控制更具有明显的优越性。另外，通过设计负载转矩扰动观测器来降低负载扰动对速度波动的影响。2永磁同步电动机的反推控制2.1数学模型采用外表式的永磁同步电动机，其基于同步旋

6、转转子坐标的dq模型如下：其中：ud，uq是d，q轴定子电压；id，iq是d，q轴定子电流；R是定子电阻；L是定子电感，TL是恒定负载转矩。J是转动惯量；B是粘滞磨擦系统-P是极对数，是转子机械角速度，f是永磁磁通。式1、2、3可以简化写成：2.2坐标变换为了实现系统的解耦，防止出现零动态系统问题，选择，f为系统的输出，定义新的输出变量为：由于系统是三输入三输出系统，且它的相对阶是1,1,1，即它的之和等于系统的阶数，所以系统可反应线性化，且不出现零动态问题。令假定控制量为：这样，可以按照线性系统极点配置理论来设计状态反应控制为：把式1、2、3代入7、8，得到了实际控制量uq，ud：3负载扰动

7、观测器设计在一些高精度中，负载扰动会产生变化，使速度产生波动，进而导致系统伺服性能的下降。因此，在高精度速度跟踪控制中，需要对负载扰动进展估计，实时加以在线补偿。由于负载扰动不易直接测量，这里可以通过已获得的iq、加以观测。考虑到iq、的测量会产生噪声误差，故在TL观测器的输出端附加一滤波器，以消除上述的影响。对式14取拉斯变换得：令，取拉斯反变换，得：那么所设计的负载扰动观测器如图1所示。图1负载扰动观测器4系统实例仿真基于转矩扰动估计的永磁同步电动机直接反应线性化控制框图，如图2所示。通过调整参数使系统到达满意的配置点。永磁同步电机参数如表1所示。表1永磁同步电动机参数基于转矩扰动估计的永

8、磁同步电动机反推控制框图，如图2所示。通过调整参数使系统到达满意的配置点。永磁同步电机参数如附表所示。假定速度的参考速度为500r/min，在0.2s突加负载20Nm，反推控制参数：k1=50000，k2=300，k3=20，T0=0.01仿真如图3所示。对图3中的圆部分放大，如图4所示。图4中的曲线l为反推控制下的速度跟踪曲线，曲线2为引入转矩扰动估计的反推速度跟踪曲线。由仿真结果可以看出，反推控制可以使的系统到达快速的速度跟踪，同时保证系统具有良好的动态性能。同时，引入转矩扰动估计的反推控制更能加快了系统的跟踪速度。减小扰动对速度波动的影响。图2系统控制框图为了实现基于负载扰动估计的反推控

9、制方法，特选用电机控制专用DSP芯片TMS320LF2810作为数字控制器，并编制相应的软件来实现。如图5所示。图6为定时中断子程序来实现反推控制策略并产生SVPWM。本文把基于转矩扰动估计的反推控制应用于永磁同步电动机的速跟踪中，该设计方法减少了调节参数。简化了系统的控制设计。通过Matlab仿真，说明系统有很好的跟踪性能，验证了系统设计的有效性和可行性。另外，此控制策略已应用于浙江省方案重点工程：全数字沟通通用伺服驱动系统中。它说明，调节参数比PID相对减少。参数整定比拟容易，减轻了编程工作，系统获得了良好的效果。参考文献1冯光，黄立培，朱东起FengGuang,HuangLipei,Zh

10、uDongqi。采用自抗扰控制器的高性能异步电机调速系统Highperformancecontrolofinductionmotorofinductionmotorbasedonauto-distrubancerefectioncontrollerJ。中国电机工程学报PorceedingsoftheCSEE,2001,2110:55-582张春朋，林飞，宋文超ZhangChunpeng,LinFei,ShongWenChao,etal等。基于直接反应线性化的异步电动机非线性控制Nonlinearcontrolofinductionmotorsbasedondirectfeedbacklinea

11、rizationJ。中国电机工程学报PorceedingsoftheCSEE,2003,2323张纯明，郭庆鼎ZhangChunming,GuoQingding.。基于反应线性化的沟通直线永磁同步伺服电动机速度跟踪控制Feedback-LinearizationbasedcontrolofspeedtrackingforAClinearpermanentmagnetsynchronousservomotorJ。电工技术学报JournalofElectricalEngineering,2003,1834H.Sira-Ramirez,M.Rios-bolivarandA.S.I.Zinober,A

12、daptiveinput-OutputLinear-izationforPWMRegulationofDC-to-DCPowerConvertersC,Proc.AmericanControlConferenceVol.1,pp.81-85,19955GaoLong,ChenLin,FanYushun,etal.AnonlinearcontroldesignforpowersystemJ.Automatica,1992,285:975-979.6JSolsona，MIValla，CMuravchik。Nonlinearcontrolofapermanentmagnetsynchronousmo

13、torwithdisturbancetorqueestimationC。Proc.IEEEIECON97，1997.1201257PRAGASANPILLAY,andR.KRISHNAN.ModelingofPermanentMagnetMotorDrivesJ.IEEETransactionsonindustrialElectronics.Vol.35.No.4,19888J.ZhouandY.Wang.AdaptivebacksteppingspeedcontrollerdesignforapermanentmagnetsynchronousmotorJ.IEEProc.Electr.PowerAppl.Vol149,No.2,2002作者简介刘栋良博士后主要研究方向是沟通伺服驱动系统及非线性控制策略研究。严伟灿高级工程师主要从事电机控制方面的研究。