[发明专利]永磁同步电机无速度传感器自适应转速跟踪控制系统及其设计方法

说明书

本发明涉及一种永磁同步电机无速度传感器自适应转速跟踪控制系统及其设计方法，基于自适应非线性阻尼，构造鲁棒自适应观测器估计电机转速，可适用于存在参数摄动或时变、未知非线性及外界扰动的永磁同步电机转速跟踪控制，不需要估计系统的不确定性参数或外界扰动，能保证闭环系统所有动态信号有界，此外，通过调整设计参数，观测器的估计误差和电机转速跟踪误差可以收敛到任意小。

技术领域

本发明涉及永磁同步电机速度控制技术领域，具体涉及一种带非线性不确定性的永磁同步电机无速度传感器自适应转速跟踪控制系统及其设计方法。

背景技术

永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)以其优异高效的性能，在风力发电、机器人、电动汽车、以及航天航空等很多实际系统中得到广泛应用，因此研究PMSM具有重要意义。PMSM的转速控制更是引起了很多学者的广泛关注，其中抑制如未知或时变参数及外界扰动等不确定性控制与实现无速度传感器控制为两个主要研究方向，并取得了很多重要的研究成果。

由于定子电流和转子转速的非线性耦合，PMSM系统模型具有强非线性；随着电机运行状态及外界环境的变化，电机的很多参数如电阻也呈现不确定的非线性变化趋势；传统PID控制器难以满足高精度的控制要求。针对PMSM参数变化和外界扰动，很多学者提出了新的控制方法。基于自适应反推设计，提出的自适应调速控制方法可适用于定子电阻和负载不确定的PMSM转速跟踪控制，该方法需要实时估计定子电阻和负载且没考虑其他参数的不确定性。基于Backstepping方法提出的自适应模糊控制器可适用于存在参数摄动和负载干扰的PMSM转速跟踪控制，该方法需要估计转动惯量、粘性摩擦系数和负载扰动以及利用模糊系统逼近由电枢电感和定子电阻等参数摄动总的不确定性。针对存在参数摄动和外部干扰的PMSM，基于干扰感测器和状态反馈，提出的H_∞混合鲁棒方差控制器提高了稳态精度。把预测控制理论应用到PMSM转速控制中，有效抑制了系统的参数变化和外界扰动。但提出的控制算法都用到了电机转速信息，这要求在电机上安装测速传感器，高精度的传感器价格昂贵且易受到如振动、温度及其他因素的影响，使得系统成本增加且应用场合受到限制。为了克服这个问题，很多学者提出了无速度传感器的电机转速控制方法。利用降维线性Luenberger观测器估计转速，实现了PMSM的无速度传感器反推控制。基于滑模变结构观测器和积分反步控制，提出了一种PMSM的无速度传感器矢量控制方法。虽然实现了电机的无速度传感器控制，但对模型精度要求很高，没有考虑如参数摄动或时变、未知非线性及外界扰动等系统可能存在的不确定性，因此，提出一种能抑制系统非线性不确定性的无速度传感器PMSM转速跟踪控制具有重要意义。

发明内容

针对上述带有非线性不确定性的永磁同步电机速度控制精度不高的问题，本发明基于自适应非线性阻尼，构造鲁棒自适应观测器估计电机转速，提出一种永磁同步电机无速度传感器自适应转速跟踪控制系统及其设计方法，可适用于存在参数摄动或时变、未知非线性及外界扰动的永磁同步电机转速跟踪控制，不需要估计系统的不确定性参数或外界扰动，能保证闭环系统所有动态信号有界，此外，通过调整设计参数，观测器的估计误差和电机转速跟踪误差可以收敛到任意小。

本发明的技术方案如下：

上述的永磁同步电机无速度传感器自适应转速跟踪控制系统，包括：

(1)带非线性阻尼项的高增益控制器U_d和U_q

其中y₁＝x₁＝i_d，y₂＝x₂＝i_q和x₃＝ω_m，是电机转速ω_m的估计值；

(2)带自适应率的电机状态估计器