Disturbances rejection optimization based on improved two-degree-of-freedom LADRC for permanent magnet synchronous motor systems

Permanent magnet synchronous motor(PMSM)speed control systems with conventional linear active disturbance rejection control(CLADRC)strategy encounter issues regarding the coupling between dynamic response and disturbance suppression and have poor performance in suppressing complex nonlinear disturbances.In order to address these issues,this paper proposes an improved two-degree-of-freedom LADRC(TDOF-LADRC)strategy,which can enhance the disturbance rejection performance of the system while decoupling entirely the system's dynamic and anti-disturbance performance to boost the system robustness and simplify controller parameter tuning.PMSM models that consider total disturbances are developed to design the TDOF-LADRC speed controller accurately.Moreover,to evaluate the control performance of the TDOF-LADRC strategy,its stability is proven,and the influence of each controller parameter on the system control performance is analyzed.Based on it,a comparison is made between the disturbance observation ability and anti-disturbance performance of TDOF-LADRC and CLADRC to prove the superiority of TDOF-LADRC in rejecting disturbances.Finally,experiments are performed on a 750 W PMSM experimental platform,and the results demonstrate that the proposed TDOF-LADRC exhibits the properties of two degrees of freedom and improves the disturbance rejection performance of the PMSM system.

基于简化有限集模型预测电流控制的五相PMSM统一容错控制

在五相永磁同步电机(permanent-magnet synchronous motor,PMSM)中,有限集模型预测容错控制(finite control set model predictive fault tolerant control,FCS-MPFTC)存在计算量大、电流谐波含量高等问题。因此,该文提出一种简化FCS-MPFTC来实现相开路和短路故障情况下的统一容错控制。首先,将模型预测电流控制的电流代价函数等效转化为电压代价函数,并采用无差拍方法通过电流模型计算出参考电压。然后,基于抑制三次谐波电流为0的原则合成虚拟电压矢量(virtual voltage vector,V^(3));通过重构V^(3)和扇区,以直接获得参考电压矢量对应的最优电压矢量。最后,对传统和简化FCS-MPFTC在开路和短路故障下进行对比实验。结果表明,所提策略能够有效减小故障后计算量、转矩脉动以及电流谐波含量。

基于几何约束优化的重复控制器及PMSM电流谐波抑制应用

重复控制器凭借其具有多个谐振峰而广泛应用于电流谐波抑制领域,然而在实际电机控制系统中,由于系统采样频率固定而电流谐波频率随电机转速而变化,会导致重复控制器中出现分数阶延时环节,而该环节在实际控制器中无法实现。对此,该文针对现有分数阶处理方法进行讨论,分析了插值逼近方法中插值系数对重复控制器整体频率特性的作用,据此提出基于几何约束优化的分数阶重复控制器,通过优化各插值系数,电机在全转速范围内都可以保证谐振频率和电流谐波频率相吻合,并且谐振峰值更符合电机谐波组成规律;还分析了滤波器所处反馈回路位置对频率特性的影响,作为组合滤波器设计依据;为保证系统稳定,对包含PI、重复控制器以及离散电机模型的电流控制系统进行稳定性分析,并作为控制参数选取依据。最后,通过台架实验验证了该文所提出的方法的谐波抑制性能是更优的。

改进滑模观测器的电流源逆变器驱动PMSM无位置传感器控制

由于电流源逆变器(CSI)的叠流效应以及前级DC-DC控制的母线电流脉动较大,使得扩展反电动势中含有大量谐波,造成较大的位置误差。针对此问题,该文提出一种改进滑模观测器的电流源逆变器驱动永磁同步电机无传感器控制方法。首先,基于传统滑模观测器,设计复系数滤波器代替传统低通滤波器,实现了对估计反电动势的准确提取,同时也抑制了估计反电动势中的高频抖动和高次谐波。其次,将二阶广义积分器内嵌于锁相环中,用于消除位置误差信号中的低次谐波,提高位置观测准确度。最后,将估算的速度信息反馈回复系数滤波器,实现复系数滤波器的自适应性。实验结果表明,所提方法在不同工况下,能够有效提高估算的转子位置精度,验证了方法的可行性与有效性。

基于模糊滑模控制的PMSM矢量控制系统

永磁同步电机(PMSM)双闭环矢量控制系统中,传统PI控制器转速环无法满足PMSM的更高控制要求。该文设计一种积分滑模控制器,并引入光滑、连续的新式饱和函数替代滑模控制器中的符号函数,以提高系统的抗扰动性能和鲁棒性;为提高系统在电机运行状态发生变化时的自适应调节能力,使用模糊控制对滑模趋近律中的参数进行自适应调节,以提高趋近速度,降低滑模抖振。建立基于模糊控制的PMSM滑模控制系统仿真模型,并与使用传统滑模控制器的PMSM控制模型进行对比分析,结果验证了模糊滑模速度控制器具有更好的抗扰动能力和鲁棒性。

基于二阶滑模扰动观测的PMSM电流预测控制研究

针对无差拍电流预测控制(DPCC)对电机参数的依赖性,系统性能尤其易受电感参数影响的问题,研究基于二阶滑模扰动观测的永磁同步电机(PMSM)电流预测控制方法。首先,根据滑模控制原理分析电感参数失配对系统参数鲁棒性的影响,及传统滑模控制的不连续函数导致的系统“抖振”;然后,在DPCC中引入一种基于二阶趋近律的滑模扰动观测器(SMDO),实时补偿电感参数失配造成的扰动,同时通过二阶趋近律加速扰动误差的收敛;最后,将该方法与DPCC、SMDO+DPCC进行对比仿真实验。实验结果表明,在电感参数失配的情况下,该方法降低了电流稳态误差,提高了系统参数的鲁棒性,减少了传统滑模控制带来的系统“抖振”现象。

积分型非奇异终端滑模PMSM无传感器控制系统

针对永磁同步电机中高速情况下传统的滑模观测器估算精度低且存在较强抖振的问题,提出一种基于改进型滑模观测器的PMSM矢量控制方法。基于非线性滑模面理论分析,构建一种积分型非奇异终端滑模面,有效降低了抖振现象,提高了系统的观测精确度;并设计了一种自适应反电动势滤波器,使反电动势能随观测器自适应调节,且谐波含量低,进一步提升动态精度;最后,利用正交锁相环原理调制出电机转子位置信息,将提出的新型控制方法应用到永磁同步电机调速系统,与传统滑模控制进行对比。仿真和实验表明,提出的基于新型滑模观测器的永磁同步电机控制系统跟踪精度高、鲁棒性强,动、静态响应好。

基于两级滤波的改进滑模观测器PMSM无速度传感器控制

针对永磁同步电动机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)伺服系统中由滑模观测器引起的位置估算误差以及抖振问题,提出了一种改进的两级滤波滑模观测器。首先,根据PMSM的数学模型,设计了利用传统滑模观测器估计定子电流和反电动势的估计算法;其次,分析了传统滑模观测器在PMSM伺服系统应用中的不足;再次,提出了一种新的饱和函数以代替传统的符号函数,改进了滑模观测器的控制律;最后,通过变截止频率滤波器和卡尔曼滤波器组成的二级滤波器,得到PMSM转子更精确的位置估计信息。利用Matlab,对使用了传统观测器的系统和使用改进的观测器的系统分别进行了仿真,仿真结果表明:与使用了传统观测器的PMSM伺服系统相比,使用了改进观测器的PMSM伺服系统转速误差更小、估算结果更准确。

简化计算的改进PMSM模型预测电流控制算法

针对传统永磁同步电机模型预测电流控制在1个控制周期内通过遍历寻优的方式确定1个最优电压矢量作用,使得d、q轴电流波动大及相电流畸变严重的问题,提出一种简化计算的改进模型预测电流控制算法。该算法将电压矢量平面划分为12个扇区,通过无差拍原理确定参考电压矢量位置角,得到2个备选电压矢量组合,通过一种基于价值函数最小化分析得到的简化方法求取矢量最优作用时间,利用改进方式对2个电压矢量组合进行快速择优并作用于电机。该算法在减少计算量的同时,保持了良好的控制性能,通过搭建仿真实验验证,有效减小了电流波动和相电流畸变。

Laboratory Implementation of Direct Torque Controller based Speed Loop Pseudo Derivative Feedforward Controller for PMSM Drive

This paper,evaluate the effectiveness of a proposed speed loop pseudo derivative feedforward(PDFF)controller-based direct torque controller(DTC)for a PMSM drive against the performance of existing PI speed controller-based DTC and hysteresis current controller(HCC).The proposed PDFF-based speed regulator effectively reduces oscillation and overshoot associated with rotor angular speed,electromagnetic torque,and stator current.Two case studies,one using forward-to-reverse motoring operation and the other involving reverse-to-forward braking operation,has been validated to show the effectiveness of the proposed control strategy.The proposed controller's superior performance is demonstrated through experimental verification utilizing an FPGA controller for a 1.5 kW PMSM drive laboratory prototype.

基于新型趋近律的PMSM调速系统研究

针对负载扰动造成永磁同步电机(PMSM)调速控制系统性能下降的现象,提出了基于新型趋近律的无模型滑模控制算法。搭建PMSM转速环超局部模型,利用新型趋近律来提高系统趋近阶段的收敛速度,并设计了一个改进无模型滑模控制器增强抑制扰动。通过与传统的PI控制的实验结果进行对比,验证了所提方法动态响应强,具有强抗扰能力。

基于无参数PMSM的自适应有限集模型预测控制

当永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)采用有限集模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)时,性能易受PMSM参数变化的影响,PMSM与控制器之间的参数不匹配会严重影响预测控制的性能。因此,该文提出一种基于无参数PMSM的自适应FCS-MPC控制策略,能够准确地实现预测控制而无需了解电机参数。针对PMSM多参数在线辨识时存在的欠秩问题,利用FCS-MPC固有的开关纹波能产生持续激励的特性,采用递推最小二乘法(recursive least squares,RLS)实现多参数辨识。此外,针对采用FCS-MPC时的逆变器死区时间补偿问题,提出一种考虑死区时间矢量的合成电压矢量输出方案,进一步提高预测控制性能。最后,通过实验验证了所提方法的有效性,实验结果表明,与基于模型的常规FCS-MPC解决方案相比,所提方法能减小预测误差,并且对参数变化和模型不确定性具有非常强的鲁棒性。

PMSM齿槽转矩引起的转速谐波数学模型与最小化方法

针对矢量控制下永磁同步电机齿槽转矩引起转速谐波的机理复杂,及当前齿槽转矩抑制方法会增加控制系统复杂性等问题,推导矢量控制下齿槽转矩引起的转速谐波数学模型,提出基于PI控制器参数整定的转速谐波最小化方法。首先,通过分析矢量控制下齿槽转矩到电机转速的闭环传递机理,推导了齿槽转矩到电机转速的闭环传递函数,构建齿槽转矩引起的转速谐波数学模型。其次,以推导的数学模型建立目标函数,采用遗传算法寻优出使得齿槽转矩引起的转速谐波幅值最小的PI参数。最后,通过仿真和实验对所推导数学模型的准确性和所提转速谐波最小化方法的有效性进行验证。结果表明,基于数学模型寻优出的速度波动最小PI参数可使齿槽转矩引起的电机转速谐波幅值降低20%以上。

基于改进Sigmoid函数的PMSM调速系统自抗扰控制

为实现永磁同步电机(PMSM)转速的快速、稳定控制,提出一种基于改进Sigmoid函数的自抗扰控制(ADRC)方法。首先,对Sigmoid函数进行了分析和改进,引入非线性因子;接着,利用改进Sigmoid函数替代传统非线性函数设计了PMSM调速系统的改进型微分跟踪器(TD)、改进型扩张状态观测器(ESO)和改进型非线性状态误差反馈(NLSEF)控制律,并借助李雅普诺夫(Lyapunov)函数证明了所设计的改进型ESO具有渐进稳定性;随后,证明改进型ADRC误差系统的渐进稳定性;最后,对该策略进行了仿真分析。结果表明:在PMSM调速系统中,改进型ADRC比传统ADRC和PI控制具有更好的动态性能和抗扰性能。

基于LMS自适应滤波器的PMSM谐波抑制方法

为有效抑制电流谐波,在原有的PI控制器基础上,基于最小均方自适应滤波器(LMS-ANF)改造控制器结构,使得永磁同步电机特定次电流谐波得到抑制。通过在传统d,q坐标系矢量控制算法的基础上增加自适应滤波器模块,将采样得到的实际电流作为输入,提取、放大实际电流中的特定次谐波电流,通过PI调节器对谐波误差放大后的电流进行调节,得到控制电压,取得了良好的谐波抑制效果。通过仿真以及台架实验,证明了该控制策略对于抑制电流谐波的有效性。

基于改进占空比调制的PMSM模型预测控制

为改善永磁同步电机(PMSM:Permanent Magnet Synchronous Motor)模型预测控制系统中较高的转矩脉动与磁链脉动,通过学习永磁同步电机的基本构造和控制方法,设计了一种对占空比与电压矢量进行同步调节的模型预测控制系统方案。通过选择某一取样时间的最优预期电压矢量和作用时间,加上当前取样时间的最优预期电压矢量和作用时间,对采样时间的占空比系数实现调整。通过对仿真模型进行对比分析,验证了该方法对提升永磁同步电机控制性能的可行性和有效性。

PMSM参数失配的强鲁棒模型预测电流控制

针对永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor,PMSM)模型预测电流控制(Model prediction current control,MPCC)中因模型参数失配造成的控制性能下降问题,提出一种基于内模控制(Internal model control,IMC)观测器的PMSM强鲁棒双矢量MPCC。首先,在同步旋转坐标系下搭建PMSM双矢量MPCC模型,将系统参数扰动引入到电机电压方程。其次,根据状态反馈理论设计d、q轴电流IMC观测器来估计系统扰动。最后,将观测器估计系统扰动引入到含参数扰动项的电机电压方程中,为双矢量MPCC算法提供实时补偿,实现对电流环的无稳态误差控制。仿真结果表明,所提出的设计方法避免了参数失配导致的电流静差及振荡问题,减小了转速稳态误差及转矩脉动,可以使PMSM控制系统在参数失配时稳定运行,提高了系统的鲁棒性能。

基于PWM占空比优化的PMSM预测直接转矩控制

针对永磁同步电机PMSM(permanent magnet synchronous motors)传统直接转矩控制DTC(direct torque control)存在开关频率不规则、开关噪声的频率范围太宽和死区补偿算法复杂等问题,提出了一种基于优化脉宽调制PWM(pulse width modulation)和死区补偿的PMSM预测DTC方法。该方法首先在已知零电压矢量的基础上,根据预测转矩和磁通误差来选择2个其他有效电压矢量,与此同时,也考虑反电动势和磁通-转矩耦合器;接着,利用1个零电压矢量和2个其他有效电压矢量预测每个采样周期的转矩和磁通变化量,其中,3个电压矢量的开关周期由转矩和磁通误差以及上一步计算出的预测转矩和磁通变化量共同决定;然后,采用死区补偿算法和改进的PWM来减小死区效应,以提高预测效果;最后,通过仿真和实验验证了所提方法的有效性和优越性。研究结果表明,所提方法在转矩控制和磁通控制效果要明显优于其他方法,且极大地降低了开关损耗。

双PMSM统一模型预测系统的转速同步控制

双电机控制系统中,负载扰动、参数变化以及加减速运行等因素都会导致系统不稳定,同步误差增大。针对以上问题,设计了一种基于双电机统一预测模型的转速同步控制系统。首先,在传统的双电机交叉耦合控制结构的基础上,建立双电机统一模型,并构造分段价值函数以更精确地调节跟踪误差和同步误差。其次,为提高系统的动态性能和鲁棒性,设计了比例积分和分数阶滑模复合同步控制器(Proportional integral+fractional order sliding mode control,PI+FOSMC)。最后,在两台永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor,PMSM)上进行了仿真。结果表明,双电机统一模型预测系统具有较强的动态性能和鲁棒性,可提高系统同步精度。

基于分数阶全局滑模与Elman神经网络磁链观测的PMSM转矩脉动抑制研究

针对传统直接转矩控制转矩脉动较大的问题,提出一种基于构造分数阶全局滑模控制器和基于Elman神经网络电阻辨识的磁链观测器的PMSM转矩脉动抑制方法。首先,建立了PMSM的数学模型,以磁链和转矩误差建立了分数阶滑模面,设计了分数阶全局滑模控制器;其次,为了通过精确观测磁链来进一步实现转矩脉动的抑制,提出了基于Elman神经网络的电阻辨识方法,然后将辨识结果用于磁链观测器的设计,并与分数阶全局滑模控制器结合,构建了基于分数阶全局滑模与磁链观测的PMSM控制系统,实现对PMSM转矩脉动的抑制。试验结果表明,所提出的基于构造分数阶全局滑模控制器和基于Elman神经网络电阻辨识的磁链观测器相结合的方法可以很好地抑制转矩脉动。