CN112039394A - 一种基于模糊自抗扰的pmsm伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模糊自抗扰的PMSM伺服控制系统，包括：检测电机转子的转速信息和位置反馈θ的光电编码器；接收用户输入的电机给定信号θ^*和光电编码器传送的位置反馈θ的位置速度环二阶模糊自抗扰控制器，坐标变换模块，采用坐标变换算法获得电流反馈值i_q/i_d；接收位置速度环二阶模糊自抗扰控制器传送的电流给定值i_q ^*/i_d ^*和坐标变换模块传送的电流反馈值i_q/i_d的电流双环一阶自抗扰控制器，SVPWM生成模块，采用扇区计算方式、开关管切换时间点计算方式获取电压空间矢量PWM并输出；接收所述SVPWM生成模块传送的脉冲信号的三相逆变器，所述三相逆变器控制相应的开关器件、从而输出电机所需要的电压值。

Description

一种基于模糊自抗扰的PMSM伺服控制系统

技术领域

本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种基于模糊自抗扰的PMSM伺服控制系统。

背景技术

交流永磁同步电机是一种具有位置传感器的高性能电机，以其效率高、转矩脉动小的优点、因此成为交流伺服控制系统的主要执行电机。由于永磁同步电机具有高度非线性及变结构、多变量耦合的特点，常采用经典PID速度控制器，结构简单且不依赖被控对象的数学模型，因此在现代控制系统中获得广泛应用，但是也存在比较明显的缺陷：例如参数敏感、快速性和超调性有矛盾等缺陷。

例如现有技术中公开了一种基于模糊自抗扰的PMSM伺服系统控制方法(申请号：201310129388.0)，该方法中先用微分跟踪器为给定位置信号安排过渡过程，解决了系统“快速性和超调之间的矛盾”，再用扩张状态观测器观测出系统中建模误差带来的不确定性、系统摩擦力矩以及外界扰动；根据由跟踪微分器产生的各阶微分与扩张状态观测器产生的状态变量估计之间的误差，运用技术人员通过实验经验得到模糊推理规则，以建立误差比例系数，微分系数和积分系数的模糊规则控制表，去模糊化后，得到精确控制量，以实现非线性误差反馈控制律的参数自适应调节，最后非线性误差反馈控制律与扩张状态观测器对总扰动的补偿量一起组成控制量，实现对被控对象的最佳控制，提高了系统跟踪精度和抗扰动能力。但却仅限于位置速度环的控制，其电流环仍广泛使用经典的PI控制器。在内环电流环的良好控制是实现高性能伺服控制的前提下，当电流环中存在反电动势、死区效应和参数改变时，其指令跟踪和扰动抑制能力就不能同时满足要求。另外现有技术中还公开了一种自抗扰控制下PMSM转矩脉动抑制方法(申请号：201610580039.4)，该方法基于改进模型补偿ADRC的PMSM伺服系统控制方法针对扩张状态观测器所要估计的系统扰动项幅值过大、变化剧烈、难以保证估计精度，限制自抗扰控制器取得更优的控制性能的问题，提出了一种改进的模型补偿自抗扰控制方法。先采用一个二阶扩张状态观测器(ESO)观测得到系统的总扰动补偿模型，然后在速度环ADRC的设计中，利用此扰动补偿模型，补偿到速度环自抗扰控制器中。该方法充分利用ESO对系统扰动的观测能力，使得ADRC中的ESO不需要估计出全部的扰动量，减轻了自抗扰控制器中ESO的估计负担，提高了系统的对总扰动的估计能力，有效提高了系统对各种扰动的补偿能力，提高了系统的鲁棒性及抗扰动能力。但是其控制器参数固定，在实际情况中很难做到人工实时分段调节，达不到理想控制性能，并且忽略了同样重要的电流环扰动。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于模糊自抗扰的PMSM伺服控制系统，具体包括：

检测电机转子的转速信息和位置反馈θ的光电编码器；

接收用户输入的电机给定信号θ^*和光电编码器传送的位置反馈θ的位置速度环二阶模糊自抗扰控制器，所述位置速度环二阶模糊自抗扰控制器对误差进行计算从而输出电机q轴电流给定值i_q ^*、同时对整个伺服控制系统的总扰动量进行补偿处理；

坐标变换模块，采用坐标变换算法获得电流反馈值i_q/i_d；

接收位置速度环二阶模糊自抗扰控制器传送的电流给定值i_q ^*/i_d ^*和坐标变换模块传送的电流反馈值i_q/i_d的电流双环一阶自抗扰控制器，所述电流双环一阶自抗扰控制器对电流进行比例调节并进行前馈补偿从而输出电压给定值u_q ^*/u_d ^*；

SVPWM生成模块，采用扇区计算方式、开关管切换时间点计算方式获取电压空间矢量PWM并输出；

接收所述SVPWM生成模块传送的脉冲信号的三相逆变器，所述三相逆变器控制相应的开关器件、从而输出电机所需要的电压值。

所述位置速度环二阶模糊自抗扰控制器包括：

跟踪微分器，接收用户输入的电机给定信号θ^*、利用最速控制函数输出跟踪信号v1和微分信号v2；

模糊非线性误差反馈控制律模块，将跟踪微分器传送的跟踪信号v1与扩张状态观测器输出的跟踪信号z1做差获得误差信号e1，将跟踪微分器传送的跟踪信号v2与扩张状态观测器输出的跟踪信号z2做差获得误差信号e2，模糊非线性误差反馈控制律模块接收误差信号e1和误差信号e2、采用误差加权计算和模糊参数修正方式从而输出电流给定值i_q ^*的设定控制量；

扩张状态观测器，接收位置反馈信号θ及该系统输出的补偿量、并采用误差校正方式获取跟踪信号及其微分信号和系统扰动的跟踪信号。

所述电流双环一阶自抗扰控制器包括：

跟踪微分器模块，接收位置速度环二阶模糊自抗扰控制器传送的电流给定值i_q ^*/i_d ^*，采用fal函数进行滤波处理从而获取其过渡的微分信号；

一阶非线性误差反馈控制律模块，接收跟踪微分器传送的跟踪信号和扩张状态观测器传送的跟踪信号、将接收到信息做差获得误差信号e，采用线性比例运算获取电流给定值；

扩张状态观测器模块，接收系统的输出电压给定值乘以比例系数b获得的系统补偿量，同时接收坐标变换模块传送的电流反馈值i_q/i_d、获得误差值、经过比例调节并进行前馈补偿、最终得到q轴电压参考输入u_q ^*。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于模糊自抗扰的PMSM伺服控制系统，本系统对永磁同步电机伺服控制系统的速度环、转速环以及电流双环的PID控制器进行了改进，采用了位置转速环二阶模糊自抗扰控制器以及电流双环一阶自抗扰控制器，实现对被控目标的最优控制，提高了永磁同步电机位置伺服控制系统的跟随性能和抗扰动能力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中永磁同步电机位置伺服控制系统的结构框图；

图2为本发明中位置、速度环模糊ADRC控制器结构框图；

图3为本发明中模糊NLSEF结构框图；

图4为本发明中E1及E2的隶属度函数示意图；

图5为本发明中输出ΔK_p及ΔK_i的隶属度函数示意图；

图6为本发明中输出ΔK_d的隶属度函数示意图；

图7为本发明中电流环ADRC控制器结构图；

图8为本发明中全自抗扰控制转子位置波形示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示的一种基于模糊自抗扰的PMSM伺服控制系统，该系统对永磁同步电机伺服控制系统的速度环、转速环以及电流双环的PID控制器进行了改进，提高了永磁同步电机位置伺服控制系统的跟随性能和抗扰动能力，实现对被控目标的最优控制，该系统具体包括光电编码器、位置速度环二阶模糊自抗扰控制器、坐标变换模块、电流双环一阶自抗扰控制器、SVPWM生成模块和三相逆变器。

其中光电编码器的作用是检测电机转子的转速信息和位置反馈θ；

其中位置速度环二阶模糊自抗扰控制器接收用户输入的电机给定信号θ^*和光电编码器传送的位置反馈θ，然后对误差进行计算从而输出电机q轴电流给定值i_q ^*、同时对整个伺服控制系统的总扰动量进行补偿处理。

其中坐标变换模块的作用是采用坐标变换算法获得电流反馈值i_q/i_d。

其中电流双环一阶自抗扰控制器的工作过程是接收位置速度环二阶模糊自抗扰控制器传送的电流给定值i_q ^*/i_d ^*和坐标变换模块传送的电流反馈值i_q/i_d，然后根据接收到的信息对电流进行比例调节并进行前馈补偿从而输出电压给定值u_q ^*/u_d ^*。

SVPWM生成模块的作用是采用扇区计算方式、开关管切换时间点计算方式获取电压空间矢量PWM并输出，即将脉冲信号传送至三相逆变器，所述三相逆变器控制相应的开关器件、从而输出电机所需要的电压值。

所述位置速度环二阶模糊自抗扰控制器包括：跟踪微分器、模糊非线性误差反馈控制律模块和扩张状态观测器。

进一步的，跟踪微分器接收用户输入的电机给定信号θ^*利用最速控制函数输出跟踪信号v1及其微分信号v2，其中该模块的建立遵循以下公式：

式中，v₀为输入信号，v₁为v₀的跟踪信号，v₂为v₁的微分信号，r为速度因子，h₀为适当大于步长h的参数，sign(x)为符号函数，当x>0时函数值为1，x＝0时函数值为0，x<0时函数值为-1。

模糊非线性误差反馈控制律模块，将跟踪微分器传送的跟踪信号v1与扩张状态观测器输出的跟踪信号z1做差获得误差信号e1，将跟踪微分器传送的跟踪信号v2与扩张状态观测器输出的跟踪信号z2做差获得误差信号e2，模糊非线性误差反馈控制律模块接收误差信号e1和误差信号e2、采用误差加权计算和模糊参数修正方式从而输出电流给定值i_q ^*的设定控制量，其中该模块采用如下方式建立：

其中，a为非线性因子，δ为滤波系数。其中，K_p、K_i和K_d经过模糊推理补偿得出。模糊推理模块输入为模糊量e₁和e₂，输出分别为K_p、K_i和K_d的补偿量ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d。其隶属度函数及模糊规则表分别如图4-6、表1-3所示，其建立遵循以下规律：当输入误差e₁较大时，为了加快系统响应速度使K_p增大，K_d减小；当e₁较小时，K_p和K_d均可适当增大；当e₂较大时，K_i可适当增大，K_p与K_d适当减小。

表1ΔK_p模糊控制规则表

表2ΔK_i模糊控制规则表

表3ΔK_d模糊控制规则表

扩张状态观测器，接收位置反馈信号θ及该系统输出的补偿量、并采用误差校正方式获取跟踪信号及其微分信号和系统扰动的跟踪信号，该模块的建立采用如下方式：

式中，e为误差信号，β₀₁、β₀₂、β₀₃为输出误差的校正增益，z₁，z₂及z₃分别为输出的跟踪信号。

进一步的，电流双环一阶自抗扰控制器包括跟踪微分器模块、一阶非线性误差反馈控制律模块和扩张状态观测器模块。电流双环一阶自抗扰控制器满足传统PI控制器做不到的指令跟踪和扰动抑制能力，提高控制系统整体控制性能。

跟踪微分器模块，接收位置速度环二阶模糊自抗扰控制器传送的电流给定值i_q ^*/i_d ^*，采用fal函数进行数据分析从而获取其过渡的微分信号，该模块遵循以下方式：

式中r为速度因子，r越大，跟踪速度越快。

一阶非线性误差反馈控制律模块，接收跟踪微分器传送的跟踪信号和扩张状态观测器传送的跟踪信号、将接收到信息做差获得误差信号e，采用线性比例运算获取电流给定值，具体工作方式遵循以下算法：

式中b＝1/L_q为电流环补偿系数。

扩张状态观测器模块，接收系统的输出电压给定值乘以比例系数b获得的系统补偿量，同时接收坐标变换模块传送的电流反馈值i_q/i_d、获得误差值、经过比例调节并进行前馈补偿、最终得到q轴电压参考输入u_q ^*。

该系统的位置给定信号作为整个位置伺服系统的输入信号，和通过光电编码器采集的位置实时反馈信号同时输入到位置速度环二阶模糊自抗扰控制器中，经过模糊控制器的参数自调节以及ADRC的自校正，输出带有对位置转速外环总扰动估计值补偿量的q轴电流给定值i_q ^*，分别与d轴电流给定值i_d ^*＝0以及将检测到的电机三相电流进行坐标变换得到的d、q轴的反馈电流值i_q/i_d一起输入到电流双环一阶自抗扰控制器中，生成的偏差值同样经过ADRC控制器进行自适应调节输出带有对电流环总扰动估计值补偿量的q轴电压给定值u_q ^*,通过SVPWM生成模块生成所需要的PWM波来驱动三相逆变器的开关，最终控制电机运行达到想要的效果。

进一步的，如图7和图8为本位置伺服控制系统的转子位置波形，给定位置为5rad，带载启动，在0.2s时候增加负载扰动0.5N·m，仿真结果表明，采用本系统提出的全自抗扰控制器位置伺服控制，可以较快的提高电机的转速响应速度及其运行性能，对系统扰动有很强的抑制能力，保证了整个伺服控制系统的高精度运行。

本发明所设计的基于全自抗扰控制器的位置伺服系统相较于目前其他传统PMSM伺服系统，运用了全自抗扰控制器来取代传统PI控制器，对位置和速度建立二阶自抗扰控制器，并且基于专家技术人员的工程经验建立模糊推理规则以实现ADRC参数的自调节功能，对伺服控制系统的位置速度环总扰动量进行补偿，以提高控制系统的鲁棒性和抗扰能力；对双电流环建立一阶自抗扰控制器，提高电流环指令跟踪能力以及良好的扰动抑制能力。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于模糊自抗扰的PMSM伺服控制系统，其特征在于包括：

检测电机转子的转速信息和位置反馈θ的光电编码器；

接收用户输入的电机给定信号θ^*和光电编码器传送的位置反馈θ的位置速度环二阶模糊自抗扰控制器，所述位置速度环二阶模糊自抗扰控制器对误差进行计算从而输出电机q轴电流给定值i_q ^*、同时对整个伺服控制系统的总扰动量进行补偿处理；

坐标变换模块，采用坐标变换算法获得电流反馈值i_q/i_d；

接收位置速度环二阶模糊自抗扰控制器传送的电流给定值i_q ^*/i_d ^*和坐标变换模块传送的电流反馈值i_q/i_d的电流双环一阶自抗扰控制器，所述电流双环一阶自抗扰控制器对电流进行比例调节并进行前馈补偿从而输出电压给定值u_q ^*/u_d ^*；

SVPWM生成模块，采用扇区计算方式、开关管切换时间点计算方式获取电压空间矢量PWM并输出；

接收所述SVPWM生成模块传送的脉冲信号的三相逆变器，所述三相逆变器控制相应的开关器件、从而输出电机所需要的电压值。

2.根据权利要求1所述的一种基于模糊自抗扰的PMSM伺服控制系统，其特征还在于：所述位置速度环二阶模糊自抗扰控制器包括：

跟踪微分器，接收用户输入的电机给定信号θ^*、利用最速控制函数输出跟踪信号v1和微分信号v2；

模糊非线性误差反馈控制律模块，将跟踪微分器传送的跟踪信号v1与扩张状态观测器输出的跟踪信号z1做差获得误差信号e1，将跟踪微分器传送的跟踪信号v2与扩张状态观测器输出的跟踪信号z2做差获得误差信号e2，模糊非线性误差反馈控制律模块接收误差信号e1和误差信号e2、采用误差加权计算和模糊参数修正方式从而输出电流给定值i_q ^*的设定控制量；

扩张状态观测器，接收位置反馈信号θ及该系统输出的补偿量、并采用误差校正方式获取跟踪信号及其微分信号和系统扰动的跟踪信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于模糊自抗扰的PMSM伺服控制系统，其特征还在于：所述电流双环一阶自抗扰控制器包括

跟踪微分器模块，接收位置速度环二阶模糊自抗扰控制器传送的电流给定值i_q ^*/i_d ^*，采用fal函数进行滤波处理从而获取其过渡的微分信号；

一阶非线性误差反馈控制律模块，接收跟踪微分器传送的跟踪信号和扩张状态观测器传送的跟踪信号、将接收到信息做差获得误差信号e，采用线性比例运算获取电流给定值；

扩张状态观测器模块，接收系统的输出电压给定值乘以比例系数b获得的系统补偿量，同时接收坐标变换模块传送的电流反馈值i_q/i_d、获得误差值、经过比例调节并进行前馈补偿、最终得到q轴电压参考输入u_q ^*。

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