基于卡爾曼觀測器的永磁同步電機自抗擾控制
徐書凱， 胡勤豐， 王大偉
(南京航空航天大學航空電源重點實驗室，江蘇南京210016)
摘要：根據卡爾曼濾波理論建立觀測器，對永磁同步伺服系統的負載轉矩進行實時觀測，并利用負載轉矩的觀測值在系統中形成轉矩前饋補償，極大地提高了系統的動態性能和抗干擾能力。試驗證明，該方法簡單有效，可以顯著提高系統的抗干擾能力和魯棒性。
關鍵詞：卡爾曼觀測器；永磁同步電機；自抗擾性能
中圖分類號：TM 301 2：TM 35t文獻標志碼：A文章編號：1673—6540(2010)05-027-05
0 引 言
永磁同步電機(PMSM)具有體積小、結構簡單、高功率密度、高效率、高轉矩慣性比等優點，在現代交流伺服系統中得到了廣泛應用。但是高性能的伺服調速系統運行情況復雜，經典的控制方法難以應付時變的負載擾動，從而導致系統的動態性能和抗擾性能變差。在提高系統的抗擾性能方面，目前國內、外主要采用對負載擾動實時觀測并形成前饋補償的方法。如文獻[1-2] 中提出了自抗擾控制器，文獻[3]提出了基于擾動觀測器的低速控制方法，文獻[4]提出了基于負載轉矩觀測的抗擾控制方法。這些方法盡管取得了很好的效果，但主要不足是負載擾動觀測周期長，系統實時性不夠。另外，由于PMSM轉子為永磁體結構，不需額外勵磁，在輕載或者空載下，電流測量噪聲和干擾影響較大，特別是在低速情況下，嚴重影響了負載擾動的實時觀測。
本文結合卡爾曼濾波算法和伺服系統模型設計了一種卡爾曼觀測器，實時準確地對系統的負載轉矩進行觀測，利用觀測值對負載擾動形成前饋校正環節，對負載轉矩的擾動加以補償。試驗表明，該方法能夠有效提高PMSM交流調速系統的動態性能和抗擾性能。
1 離散卡爾曼濾波原理
卡爾曼濾波算法[5-6]是一種****估計算法，其算法極大地削弱了模型誤差和測量噪聲，能夠有效地抑制系統誤差和測量誤差對狀態估計的影響，提高狀態估計的精度。
設離散線性系統的m維系統方程和n維測量方程分別如式(1)、(2)所示：
式中，動態噪聲{wk}與測量噪聲{vk}是互不相關的零均值白噪聲序列，即對所有的k、j模型基本統計性質為
對系統狀態估計如式(3)、(4)所示，式中”^”表示狀態變量估計值、”k”表示k時刻狀態變量的估計值、“k+1，k”表示k時刻預測k+1時刻的狀態變量值：
式中：△xk+1——收斂到測量值之后塒實際值的濾波估計誤差；
△xk+1,k——收斂到測量值之前對實際值的預測估計誤差。
分別對△xk+1，△xk+1,k取方差可得濾波器的另外王個濾波公式：濾波估計誤差方差陣(Pk+1)、濾波增益(kk+1)、一步預測估汁誤差方差陣(Pk+1,k)。其中：Kk+1取濾波增益值時，Pk+1最小，從而實現系統的線性****濾波。
卡爾曼原理框圖如圖1所示，離散卡爾曼濾波器的遞推公式如下。
2 卡爾曼自抗擾觀測器設計
PMSM調整系統原理如圖2所示，系統采用空間適量脈寬調制（SVPWM）技術，電流彩用起碼軸電流等于零的控制方法。
式中：iq——q軸電流給定值；
△iq——q軸給定電流與反饋電流之差。
式中：Te——電磁給定轉矩，Te=Keiq；
T1——等效負載轉矩，T1=TL+Bωr+Ke△iq。
|
