High‐performance speed control based on an instantaneous speed observer considering the characteristics of a dc chopper in a low speed range

This paper proposes a new high‐performance speed control method for wide speed range, which is based on instantaneous speed observer considering the characteristics of dc chopper. In order to regulate a motor speed for wide speed reference including a very low speed range, this paper designs the instantaneous speed observer which uses the information of an armature current and an armature voltage. This observer has no effect of inertia variation and disturbance torque completely, but it has the effect of electrical parameter variation. Hence, this paper proposes a new identification algorithm to cancel out the estimation error caused by both the resistance variation and the voltage drop. The proposed observer can always estimate an instantaneous value of motor speed. The proposed total system becomes a new robust speed servo system for a wide speed range. © 1999 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 130(3): 77–87, 2000     

基于实时负载转矩反馈补偿的永磁同步电机变增益PI控制

为了减小负载转矩扰动对永磁同步电机转速的影响,对负载转矩扰动下永磁同步电机(PMSM)伺服系统数学模型的频域特性进行了研究,总结出负载转矩扰动和速度PI控制器参数之间的关系,提出了基于负载转矩反馈补偿的永磁同步电机变增益PI控制方案。变增益PI(VGPI)控制器根据转速信号中特定频率分量的变化,进行控制器增益的实时调节;同时采用FPGA器件设计并实现了基于Kalman滤波器的负载转矩观测器,能够对负载转矩扰动进行实时观测和补偿,提高了永磁同步电机伺服系统对负载转矩扰动的抑制能力。实验结果验证了控制策略的有效性。     

基于干扰观测器PID的直流电机速度控制

针对电机控制中外界的扰动因素,提出用干扰观测器来补偿扰动对伺服系统运行的影响。在对象的名义模型正确条件下,给出了干扰观测器和反馈控制器的设计方法。并从理论上保证了被控对象参数不确定时的鲁棒性,仿真实验表明了该控制方法的有效性。     

基于滑动模控制的感应电动机增益自适应锁相环速度控制

提出一种高性能感应电动机速度控制方案。首先采用滑动模控制理论对感应电机的转矩进行强鲁棒性控制,在此基础上设计了双模速度控制器,用锁相技术获得高稳态精度,并通过环路增益自适应方法提高锁相环系统的抗干扰能力。综合采用上述方法,可使系统获得优良的动态和稳态性能,并对电机参数和外部干扰具有强鲁棒性。仿真结果证明了控制方案的有效性。     

基于鲁棒非线性控制的无刷直流电机调速系统

设计了一种基于鲁棒非线性控制的无刷直流电机速度伺服系统。控制律中包含线性反馈、非线性反馈和扰动补偿三部分,分别实现快速响应、抑制超调和消除稳态误差的功能,采用一个降阶观测器对系统的不可量测状态和未知常值扰动进行估计。通过Matlab/Simulink进行仿真研究,结果表明所设计的控制系统可以对目标转速进行快速平稳和准确的跟踪,且对负载扰动和系统参数差异具有较好的性能鲁棒性。     

带负载转矩补偿的无刷直流电动机速度控制

针对负载转矩扰动的问题,在状态反馈配置系统极点的基础上,采用负载转矩观测器进行有针对性抗扰的前馈补偿,采用分段线性化求电枢反电动势,以及电流控制逆变器的方法对BLDC建模,建立了带外扰补偿通道的无刷直流电动机(BLDC)的调速复合控制系统。该方法在不影响稳定性的同时,使得控制系统的抗扰能力得到改善。试验表明,该控制器在有负载转矩扰动的情况下仍具有良好的抗扰性。     

基于龙伯格观测器的BLDC滑模控制系统仿真研究

针对无刷直流电机（BLDC）负载频繁改变导致电机调速性能差的问题,提出了一种基于负载转矩观测器的速度滑模控制方法。速度环采用滑模变结构控制方法,基于改进指数趋近律设计了速度滑模控制器;同时为了减小负载转矩扰动对电机运行状态的影响,基于龙伯格观测器设计了负载转矩观测器,通过观测器来估计实际的负载转矩并将观测器的输出前馈给速度滑模控制器来抵消负载转矩扰动的影响。为了验证提出方案的有效性,在MATLAB/Simulink仿真环境上搭建了仿真模型并进行了仿真分析,仿真结果表明基于负载转矩观测器和速度滑模控制器的无刷直流电机系统有着优异的性能,与传统PI控制相比,抗扰能力强、恢复时间短、转速响应快,证明了提出方案的有效性。     

一种无速度传感器感应电机鲁棒滑模控制策略

设计了一种在同步旋转坐标系下的无速度传感器感应电机滑模速度和磁通控制方案,并设计了一种收敛速率可调的闭环滑模磁通观测器。Lyapunov稳定性理论推导和仿真结果均证明了该控制策略和磁通观测器对参数摄动和不确定因素有很强的鲁棒性。为了削弱变结构控制中的抖振现象,采用饱和函数来代替符号函数。在转速观测器中加入在线估计负载转矩环节,使得转速观测器对负载转矩变化具有良好的鲁棒性。在电机参数和负载发生剧烈变化的情况下,分别利用该控制策略和精确反馈线性化控制方法进行了对比仿真。仿真结果验证了该控制策略与观测器的有效性。     

无传感器内置式永磁同步电机低速运行转子位置鲁棒观测器

低速运行控制是无位置传感器内置式永磁同步电机(interior permanent magnet synchronous motor,IPMSM)控制系统的关键技术。为了改善无传感器IPMSM矢量控制系统的低速性能,研究了一种基于高频信号注入的转子位置鲁棒观测器,以使位置观测环节具有较强的抗负载扰动能力。在分析扰动转矩可能导致观测器收敛到磁极相反位置问题基础上,针对扰动转矩特性对转子位置鲁棒观测器的结构进行设计。根据阶跃式和斜坡式扰动转矩特性及位置观测误差期望指标,采用极点配置的方法对观测器反馈增益矩阵参数设计进行分析。通过IPMSM无传感器矢量控制系统验证了该转子位置鲁棒观测器的有效性。     

带负载转矩补偿的 PMSM 交流伺服系统自适应控制

设计了一个基于ＤＳＰ和ＰＭＳＭ自适应速度控制器，使用了模型参考自适应方法，具有计算量小的特点，能实时辨识系统参数，采用自适应负载转矩观测器补偿负载转矩扰动，实验表明本控制器在系统参数变化和负载转矩扰动的情况下具有良好的自适应能力。     

采用扩展卡尔曼滤波磁链观测器的永磁同步电机直接转矩控制

提出利用卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)观测器对永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)直接转矩控制(direct torque control,DTC)系统进行精确参数估计的方法。通过检测定子电压和电流,应用EKF观测器精确估计电机的定子磁链、电机转速和转子位置,间接估计转矩,近而实现PMSM的无速度传感器控制;同时改进常规的EKF估计状态方程,提高速度估计的精确性,并证明了基于EKF的控制系统的稳定性定理。仿真结果表明该方法减小了系统的非线性、参数变化以及干扰带来的影响,EKF能够准确估计状态变量,提高了直接转矩控制的性能。     

基于电磁转矩的永磁同步电机新型变结构PI控制方法

针对永磁同步电机(PMSM),在传统PI控制时易出现转速超调、冲击电流大、转速环抗负载扰动能力差等现象,通过对PMSM数学模型的推导分析以及基于PI控制理论,提出了一种基于电磁转矩的新型变结构PI(VSPI)控制方法。该方法是在传统PI控制VSPI的基础上,通过融合微分前馈控制以及引入转矩反馈量等闭环控制策略,较好地解决了转速超调以及系统的抗干扰性等问题,并给出了电磁转矩的电压电流混合观测模型结构以及计算方法,同时分析了开环增益变化给予系统稳定性的影响情况,最后通过仿真试验验证了该新型方法的可行性和有效性。     

基于定子磁链全维状态观测器的直接转矩控制

为克服纯积分器的积分初值、误差累积以及直流偏移等缺陷,提出了基于全维状态观测器的永磁同步电机定子磁链观测方法.以定子磁链作为状态向量构造系统状态方程,以电流作为输出向量构造系统输出方程,配置观测器极点正比于电机模型极点,并采用Matlab中的鲁棒极点配置算法进行观测器反馈增益阵的计算.实验表明,采用全维状态观测器对定子磁链观测的准确度更高,所构成的直接转矩控制系统具有更好的性能.     

永磁同步电动机参考模型逆线性二次型最优电流控制调速系统

提出永磁同步电动机参考模型逆线性二次型(MR-I LQ)最优电流控制调速系统的结构、数学模型，设计最优电流控制调速系统的控制器，分析系统的稳定性和跟踪性能。绘制了MR-ILQ最优电流控制系统的根轨迹，给出保证系统电流控制最优性的增益调整参数的条件和保证系统实现电流准确跟踪的误差调整补偿器的取值规律。以内埋式永磁同步电动机为例。对系统进行了仿真研究，结果表明：系统对参数变化和负载扰动具有很强的鲁棒性，可以实现高精度的电流控制和速度控制；MR-ILQ最优电流控制调速系统的鲁棒性远远优于比例积分PI电流控制调速系统；给出的MR-ILQ最优电流控制增益调整参数和误差调整补偿器的理论确定方法与仿真试验相吻合。     

Vibration control of two-mass system with low inertia ratio considering practical use

In some industrial motor-drive systems, a torsional vibration is often generated because of an elastic element in torque transmission. Such a mechanical system is modeled as a two-mass system and it is well-known that the suppressing vibration of a low inertia ratio two-mass system where the motor inertia is larger than the load inertia is very difficult. This paper proposes a speed control system of a low-inertia ratio system, taking into account not only the dynamic responses but also a robust stability. The proposed control system is based on the H^∞ control theory and the resonance ratio control due to the feedback of the estimated shaft torque. Combining the H^∞ controller with the resonance ratio controller, the control system with high robust stability can be obtained comparing with the conventional resonance ratio control. The variable feedback gain system and the construction of the disturbance observer are discussed in order to reject the effects of noise. The simulated and experimental results show that the proposed speed control system is useful for the two-mass system with low inertia ratio. ©1998 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 125(2): 1–9, 1998     

电动汽车用永磁同步电机宽速域抗干扰滑模控制

针对电动汽车内置式永磁同步电机(IPMSM)的宽速域鲁棒抗扰转速跟踪问题,提出了一种高性能IPMSM非线性控制技术。其中采用最大转矩电流比(MTPA)方案和弱磁方案实现了IPMSM的宽速域运行,并通过泰勒展开对算法进行了化简。考虑消除虚拟控制器的微分噪声,引入二阶滑模微分器对其导数进行了估计,并设计了误差补偿信号。此外,为了提高系统在宽速域运行下的抗干扰能力,设计了一种扰动观测器估计负载转矩,对控制器进行了前馈补偿,并结合积分滑模控制(SMC)增强了系统的鲁棒性。最后,通过李雅普诺夫稳定性判据证明了系统的稳定性。基于FPGA搭建了IPMSM硬件在环(HIL)平台,验证了本文设计的控制器具有优异的抗干扰能力和鲁棒性。     

基于全阶观测器的三电平逆变器异步电机无速度传感器矢量控制系统

采用全阶观测器的方法在三电平逆变器平台上实现了异步电机的无速度传感器矢量控制。针对观测器中增益矩阵选择困难的问题,采用解析推导的方法借助数学软件完整地得出了六组增益矩阵,并指出了采用不同状态变量时增益矩阵之间的联系。全阶观测器只需要两路直流母线电压和两路电机电流信号,可以在全速域范围内准确的观测磁链和转速,并成功的将观测得到的转速和磁链用于闭环矢量控制中。仿真和实验表明基于全阶观测器的矢量控制系统动静态性能良好,对电机参数变化具有较好的鲁棒性。采用预励磁的方法可以在减小起动电流的同时增大起动转矩,保证系统的低速稳定运行。     

带神经网络转矩观测器的PMSM自适应前馈 PID控制器设计

推导了永磁同步电机(PMSM)的ARMA模型，由递归神经网络构成综合转矩观测器，从而把综合负载转矩视为可测干扰；结合极点配置自校正控制、PID控制和前馈控制思想，设计了PMSM的自适应前馈PID控制器。有效地解决了PMSM系统中参数变化和负载扰动等不确定性问题。仿真实验结果表明，该方法具有较强的鲁棒性。     

Vibration control of flexible arm by multiple observer structure

This paper describes vibration control of a flexible arm by multiple‐observer structure using the accelerations of the arm. In general, a flexible arm has several oscillation modes. In the model of a flexible arm described as a two‐mass resonant system, the reaction torque feedback makes the flexible arm system stable. In the N‐mass resonant system, it is known that the reaction torque feedback makes all oscillation modes, only the reaction torque feedback is not enough to make the system stable. Resonance ratio control with the arm disturbance observer has been proposed. The arm disturbance observer is able to suppress the disturbance applied to the tip, but it is not sufficient for the disturbance applied to other points on the arm. The aim is to make the control system robust to arm inertia variation and disturbance. This paper proposes vibration control of flexible arm by acceleration feedback, and disturbance rejection by multiple‐observer structure using the acceleration of the arm. The validity of the proposed method is shown by simulations and experiments. © 2005 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 154(2): 68–75, 2006; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20175     

一种用于无速度传感器异步电机控制的自适应滑模观测器

研究了一种用于异步电机控制的自适应滑模观测器。该观测器由两个滑模电流观测器、转子磁链观测器和速度估计部分组成。转子磁链观测器以两个电流观测器和速度观测器的输出作为输入,估计转速反馈到第二个电流观测器和转子磁链观测器。采用Lyapunov理论和Popov超稳定性理论对该方法的稳定性进行验证。该观测器具有设计新颖、对参数变化具有很强的鲁棒性等特点。通过Simulink仿真验证了该观测器的有效性。