基於改進ADRC自抗擾算法的永磁直線電機控制系統的製作方法

2023-06-16 22:41:21

本實用新型涉及永磁直線電機的控制系統，特別是涉及一種基於改進ADRC自抗擾算法的永磁直線電機控制系統。

背景技術：

目前商業化的永磁同步直線電機驅動設備大多數依然採用PI控制器，PI控制器的設計在抗參數攝動方面效果不理想，對永磁同步直線電機參數依賴性很強，在調速系統中不能解決快速性與超調性之間的矛盾。

如圖3所示傳統ADRC自抗擾算法中的NLSEF非線性誤差狀態反饋律，由於NLSEF非線性誤差狀態反饋律狀態方程中fal函數在(-δ,δ)工作在線性區間，在其它範圍fal函數工作在非線性區間，fal函數在-δ和δ兩點位置函數特性曲線不光滑如圖4所示，這種不光滑的特性容易引起ADRC控制器輸出淨控制量出現顫抖現象如圖4所示，且NLSEF非線性誤差狀態反饋律狀態方程中需要調節k3,k4,δ3,δ4參數，加大了參數調節難度。

如圖3所示傳統ADRC自抗擾算法中的ESO狀態觀測器，ESO狀態觀測器輸出z1和TD跟蹤微分器輸出x1比較得到誤差值，ESO狀態觀測器輸出z2和TD跟蹤微分器輸出x2比較得到誤差值，通過閉環控制誤差值逐漸減小為零時，ESO狀態觀測器輸出z1完全跟蹤TD跟蹤微分器輸出x2，ESO狀態觀測器輸出z2完全跟蹤TD跟蹤微分器輸出x2，NLSEF非線性誤差狀態反饋律輸出的淨控制量u1作為放大係數b模塊的輸入，放大係數b模塊的輸出與反饋信號值Fdb作為ESO狀態觀測器的輸入，ESO狀態觀測器輸出z1跟蹤反饋信號Fdb，ESO狀態觀測器輸出z2跟蹤反饋信號Fdb的微分值，ESO狀態觀測器狀態方程誤差量逐漸減小為零時，z1和z2能完全跟蹤反饋信號Fdb信號和反饋信號Fdb微分信號，這樣反饋信號Fdb完全跟蹤ADRC自抗擾算法中給定輸入信號Ref，同時ESO狀態觀測器完全跟蹤系統總幹擾值z3，由於fal函數曲線不光滑的缺點，ESO狀態觀測器輸出z1和z2跟蹤TD跟蹤微分器輸出x1和x2時會引起誤差，該誤差將會影響到ESO狀態觀測器z3跟蹤系統總幹擾值，進而影響到ADRC算法的控制精度。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種基於改進ADRC自抗擾算法的永磁直線電機控制系統，解決NLSEF非線性誤差反饋控制律不光滑特性引起的輸出曲線顫抖、參數調節數量多和反饋通道上存在偏離真實值的野值對ESO跟蹤總幹擾值的影響。

解決上述技術問題，本實用新型採用的技術方案是：

本實用新型包括ADRC速度控制器、d軸ADRC電流控制器、q軸ADRC電流控制器、PWM生成模塊、驅動器模塊、永磁同步直線電機、編碼信號、解編碼電路、DSP硬體模塊QEP、電壓傳感器、信號調理電路和DSP硬體模塊ADC。

ADRC速度控制器有兩路輸入，一路輸入是給定速度信號值Vref，另一路輸入是DSP硬體模塊QEP的輸出速度信號Vfdb；q軸ADRC電流控制器有兩路輸入，一路輸入是ADRC速度控制器輸出值Out，另一路輸入是DSP硬體模塊ADC的輸出q軸電流Iq；d軸ADRC電流控制器有兩路輸入，一路輸入是給定零電流值Iref，另一路輸是DSP硬體模塊ADC的輸出d軸電流Id；PWM生成模塊有兩路輸入，一路輸入是d軸ADRC電流控制器輸出Id，另一路輸入是q軸ADRC電流控制器輸出Iq；PWM生成模塊的輸出作為驅動器的輸入；驅動器有兩路輸出，一路輸出作為永磁直線電機的輸入，另一路輸出作為電壓傳感器的輸入；永磁直線電機的輸出編碼信號作為解編碼電路的輸入；解編碼電路的輸出作為DSP硬體模塊QEP109的輸入；電壓傳感器的輸出作為信號調理電路的輸入；信號調理電路的輸出作為DSP硬體模塊ADC的輸入。

所述驅動器模塊型號為PM75RL1A120三菱驅動式智能IPM，永磁同步直線電機型號為蘇州原亞精密科技有限公司生產的圓筒型永磁同步直線電機，編碼信號為型號Renishaw公司的RH100X30D05A直線光柵編碼器輸出差分信號，解編碼電路型號為6FX1121-4BA02SIEMENS 810，DSP硬體模塊QEP型號為研旭TMS320F28335DSP開發板，電壓傳感器型號為VSM025，信號調理電路型號為UAF42增益截止頻率可調八階巴特沃斯低通濾波器，DSP硬體模塊ADC型號為研旭TMS320F28335DSP開發板。

本實用新型具有的有益效果是：

本實用新型在調速控制和抗參數攝動方面效果明顯，能夠實現快速無超調調速控制，控制算法不依賴電機參數，輸出淨控制量曲線光滑，避免顫抖，簡化了參數的調節，利用ESO1狀態觀測器跟蹤系統總幹擾值達到精確補償，對電流突然的幹擾能夠做出迅速的響應，保證電流漸進的穩定。

附圖說明

圖1是基於改進ADRC自抗擾算法的永磁直線電機控制系統圖。

圖2是基於改進ADRC自抗擾算法結構示意圖。

圖3是基於傳統ADRC自抗擾算法結構示意圖。

圖4是fal函數結構示意圖。

圖5是改進ADRC自抗擾算法中PD輸出淨控制量和傳統ADRC自抗擾算法中NLSEF輸出淨控制量對比示意圖。

圖6是改進ADRC自抗擾算法和傳統ADRC自抗擾算法輸出控制量對比示意圖。

圖7是改進ADRC自抗擾算法中ESO1狀態觀測器跟蹤幹擾值示意圖。

圖8是改進ADRC自抗擾算法調速曲線和PI算法調速對比示意圖。

圖9是基於改進ADRC速度控制器和PI速度控制器在永磁直線電機受外界突然的增加負載和突然減輕負載時輸出的速度對比圖。

圖10是基於ADRC自抗擾算法在永磁直線電機受外界突然的增加負載和突然減輕負載時輸出的速度和估計總幹擾值示意圖。

圖中：101、ADRC速度控制器，102、d軸ADRC電流控制器，103、q軸ADRC電流控制器，104、PWM生成模塊，105、驅動器模塊，106、永磁同步直線電機，107、編碼信號，108、解編碼電路，109、DSP硬體模塊QEP，110、電流傳感器，111、信號調理電路，112、DSP硬體模塊ADC。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。

如圖1所示，本實用新型包括ADRC速度控制器101、d軸ADRC電流控制器102、q軸ADRC電流控制器103、PWM生成模塊104、驅動器模塊105、永磁同步直線電機106、編碼信號107、解編碼電路108、DSP硬體模塊QEP 109、電壓傳感器110、信號調理電路111和DSP硬體模塊ADC112。

ADRC速度控制器101有兩路輸入，一路輸入是給定速度信號值Vref，另一路輸入是DSP硬體模塊QEP 109的輸出速度信號Vfdb；q軸ADRC電流控制器103有兩路輸入，一路輸入是ADRC速度控制器101輸出值Out，另一路輸入是DSP硬體模塊ADC112的輸出q軸電流Iq；d軸ADRC電流控制器102有兩路輸入，一路輸入是給定零電流值Iref，另一路輸是DSP硬體模塊ADC112的輸出d軸電流Id；PWM生成模塊104有兩路輸入，一路輸入是d軸ADRC電流控制器102輸出Id，另一路輸入是q軸ADRC電流控制器103輸出Iq；PWM生成模塊104的輸出作為驅動器105的輸入；驅動器105有兩路輸出，一路輸出作為永磁直線電機106的輸入，另一路輸出作為電壓傳感器110的輸入；永磁直線電機106的輸出編碼信號107作為解編碼電路108的輸入；解編碼電路108的輸出作為DSP硬體模塊QEP109的輸入；電壓2傳感器110的輸出作為信號調理電路111的輸入；信號調理電路111的輸出作為DSP硬體模塊ADC112的輸入。

所述驅動器模塊105型號為PM75RL1A120三菱驅動式智能IPM，永磁同步直線電機106型號為蘇州原亞精密科技有限公司生產的圓筒型永磁同步直線電機，編碼信號107為型號Renishaw公司的RH100X30D05A直線光柵編碼器輸出差分信號，解編碼電路108型號為6FX1121-4BA02SIEMENS 810，DSP硬體模塊QEP 109型號為研旭TMS320F28335DSP開發板，電壓傳感器110型號為VSM025，信號調理電路111型號為UAF42增益截止頻率可調八階巴特沃斯低通濾波器，DSP硬體模塊ADC112型號為研旭TMS320F28335DSP開發板。

所述PWM生成模塊104為空間電壓矢量模型SVPWM算法經過TMS320F28335DSP計算生成的六路PWM波形。

如圖2所示，所述ADRC速度控制器採用改進ADRC自抗擾算法，該改進ADRC自抗擾算法反饋通道上沒有TD2帶有預報補償因子的跟蹤微分器，用速度給定信號Ref作為TD1跟蹤微分器的輸入，TD1的輸出與速度反饋信號Fdb比較，比較的誤差值e作為PD模塊的輸入，ESO1狀態觀測器的輸出z作為縮小係數1/b模塊輸入，PD輸出值減去縮小係數1/b模塊輸出值得到u1淨控制量，淨控制量u1一路作為ADRC速度控制器的輸出，另一路作為放大係數b模塊的輸入，放大係數b模塊的輸出與速度反饋信號Fdb作為ESO1狀態觀測器的輸入。

如圖2所示，ADRC電流控制器採用改進ADRC自抗擾算法，該改進ADRC自抗擾算法反饋通道上有TD2帶有預報補償因子的跟蹤微分器，所述q軸ADRC電流控制器用所述速度控制器輸出Out作為q軸ADRC電流控制器輸入Ref，d軸ADRC電流控制器用給定零電流值作為Ref，Ref作為TD1跟蹤微分控制器的輸入，反饋信號Fdb作為TD2帶有預報補償因子的跟蹤微分器的輸入，TD1跟蹤微分器的輸出值與TD2帶有預報補償因子的跟蹤微分器的輸出值比較，比較的誤差值e作為PD模塊的輸入，ESO1狀態觀測器輸出z作為縮小係數1/b模塊輸入，PD模塊輸出值減去縮小係數1/b模塊的輸出值得到u1淨控制量，淨控制量u1一路作為ADRC電流控制器的輸出，另一路作為放大係數b模塊的輸入，放大係數b模塊輸出與TD2帶有預報補償因子的跟蹤微分器的輸出值作為ESO 1的輸入。

改進ADRC自抗擾算法由TD1跟蹤微分器、ESO1狀態觀測器、PD比例微分模塊，TD2帶有預報補償因子的跟蹤微分器四個模塊組成，改進ADRC自抗擾算法用PD比例微分模塊替代了NLSEF非線性誤差狀態反饋律模塊。

所述TD1跟蹤微分器狀態方程：

x1(k+1)＝x1(k)+hx2(k),x2(k+1)＝x2(k)+hfst(x1(k)-r(k),x2(k),λ,h0)，式中：x1(k)為跟蹤r(k)信號，x2(k)為輸入r(k)的微分信號，x1(k+1)是x1(k)信號下一時刻直，x2(k+1)是x2(k)信號下一時刻直，h是數值積分步長,λ是決定跟蹤速度快慢因子，h0是噪音濾波因子，r(k)為輸入量。fst為離散域最速控制綜合函數，fst(x1,x2,λ,h0)＝λsign(a)(|a|＞d)；fst(x1,x2,λ,h0)＝λa/d(|a|≤d)；

d＝λh0；d0＝dh0；y＝x1+h0x2；a0＝(d2+8λ|y|)1/2；

a＝x2+(a0-d)sign(y)/2(|y|＞d0)；a＝x2+y/h(|y|≤d0)；sign(y)＝1(y＞0),sign(y)＝0(y＜0)；

所述TD2帶有預報補償因子跟蹤微分器方程：

x1＝x1+hx2,x2＝x2+hfst(x1-y,x2,λ,h0),x3＝x1+ηhx2，式中x3為相位補償後的信號。

式中x1是輸入信號的跟蹤信號,x2是輸入信號的微分信號，h是數值積分步長,λ是決定跟蹤速度快慢因子,h0是噪音濾波因子，η是預報步長。

所述ESO1狀態觀測器狀態方程：

e(k)＝z1(k)-y(k),z1(k+1)＝z1(k)+h[z2(k)-β1e(k)]

<![CDATA[ z 2 ( k + 1 ) = z 2 ( k ) + h z 3 ( k ) - β 2 f a l ( e ( k ) , ∂ 1 , δ 1 ) + b u ( t ) , z 3 ( k + 1 ) = z 3 ( k ) - hβ 3 f a l ( e ( k ) , ∂ 2 , δ 2 ) ]]>

fal(e,α,δ)＝eδ1-α(|e|≤δ)；fal(e,α,δ)＝|e|αsign(e)(|e|＞δ)

式中：z1(k)是ESO1跟蹤輸入y(k)信號值，z2(k)是ESO1跟蹤輸入y(k)微分值，z3(k)是ESO1跟蹤總幹擾，z1(k+1)是z1(k)下一時刻值，z2(k+1)是z2(k)下一時刻值，z3(k+1)是z3(k)下一時刻值，β1,β2,β3為fal函數係數，y(k)為ESO1輸入信號，δ1,δ2影響所述ADRC的非線性特性,為冪參數，e為誤差值，b為放大係數。

所述PD比例微分方程：P＝k1e,P為比例控制,D為微分控制，k1為誤差值係數，k2為誤差微分值係數，e為誤差,為微分誤差。

如圖3所示，所述傳統ADRC自抗擾算法中NLSEF非線性誤差反饋控制律方程式：

如圖4所示，fal函數具有大誤差小增益，小誤差大增益特點，非常適合做非線性反饋，但是在-δ和δ兩點位置函數特性曲線不光滑，使得輸出淨控制量存在顫抖現象。

式中δ3,δ4影響所述ADRC的非線性特性,為冪參數，k3,k4為fal函數係數，e為誤差值。

基於永磁直線電機數學模型，在Simulink仿真中給定信號為跟蹤幅值為1，頻率為0.2HZ的正弦波，外加幅值為1，周期為6.25s方波幹擾，傳統ADRC自抗擾算法淨輸出控制量仿真效果如圖5虛線所示，傳統ADRC自抗擾算法中NLSEF非線性反饋控制律輸出淨控制量在局部存在一定的顫抖，所述改進ADRC自抗擾算法淨輸出控制量仿真效果如圖5實線所示，改進ADRC自抗擾算法中PD比例微分器輸出淨控制量曲線更加光滑。

如圖6所示，ADRC自抗擾算法跟蹤原信號效果，傳統ADRC自抗擾算法跟蹤原信號輸出幅值在1.3左右，改進的ADRC自抗擾器算法跟蹤原信號輸出值在1.1左右，輸出曲線幅值要更加逼近原始信號。

如圖7所示，改進ADRC自抗擾算法中ESO1狀態觀測器跟蹤系統總幹擾值，ESO1狀態觀測器輸出z跟蹤系統總幹擾值。

以上實驗仿真參數如下；

λ＝100,h0＝0.01,P＝100,D＝10,λ＝100,η＝30

k1＝100,σ＝0.01,b＝1

β1＝100,β2＝65,β3＝80,σ＝0.01,b＝1

如圖8所示，永磁同步直線電機給定恆定負載5N啟動時，ADRC速度控制器(101)解決了PI速度控制器無法解決的快速性與超調性的矛盾，實現了快速無超調啟動。

如圖9所示，永磁直線電機給定恆定負載5N，在0.12秒突然增加40﹪負載和在0.22秒突然減少40﹪負載時，PI速度控制在速度調節過程中震蕩厲害，波幅較大，ADRC速度控制器101在速度調節過程中曲線光滑，波幅較小。

如圖10所示，永磁同步直線電機給定恆定負載5N時，在0.16秒突然增加30﹪負載和在0.32秒突然減少30﹪負載時，ADRC速度控制器101中ESO1狀態觀測器能夠精確的估計總幹擾值，在速度調節過程中能夠更加快速精確的補償達到穩定。