Адаптивный наблюдатель переменных состояния синхронного двигателя с неизвестными параметрами и шумом в измерениях

Рассматривается задача синтеза адаптивного наблюдателя переменных состояния синхронного двигателя с постоянными магнитами в условиях параметрической неопределенности и шумов в измерениях тока статора. Предложена параметризация модели двигателя, позволяющая получить регрессионную модель с неизвестными параметрами двигателя и постоянными смещениями в измерениях тока статора. Применена схема Крейссельмейера и построены устройства идентификации неизвестных параметров, обеспечивающие сходимость за конечное время. Сгенерированные оценки использованы адаптивным наблюдателем для восстановления углового положения двигателя. Рассмотрена нелинейная динамическая модель синхронного двигателя с постоянными магнитами. Выдвинуто предположение, что единственными измеримыми сигналами являются токи и напряжения статора, при этом токи содержат неизвестные постоянные смещения. Единственным известным параметром двигателя является индуктивность обмоток статора. С использованием динамической фильтрации получена линейная регрессионная модель для нескольких неизвестных параметров, включая сопротивление обмоток статора и постоянные шумы в измерениях. Выполнено динамическое расширение регрессионной модели с использованием схемы Крейссельмейера. Сформулированы условия, при которых построенные устройства идентификации неизвестных параметров обеспечивают гарантированную сходимость ошибок оценивания за конечное время. С использованием полученных оценок синтезирован адаптивный наблюдатель общего магнитного потока, углового положения и скорости вращения ротора. Результаты компьютерного моделирования демонстрируют эффективность предложенного наблюдателя для типового сценария работы двигателя, к которому приложен неизвестный нагрузочный момент.

1. Nam K. H. AC motor control and electrical vehicle applications. CRC press, 2018.

2. Chiasson J. Modeling and High Performance Control of AC Drives. Wiley, 2005.

3. Krause P. C. Analysis of electric machinery. NY: McGraw Hill, 1986.

4. Urbanski K., Janiszewski D. Sensorless Control of the Permanent Magnet Synchronous Motor // Sensors. 2019. Vol. 19, N 16. Р. 3546.

5. Verrelli C. M., Tomei P., Lorenzani E., Migliazza G., Immovilli F. Nonlinear tracking control for sensorless permanent magnet synchronous motors with uncertainties // Control Engineering Practice. 2017. Vol. 60. P. 157–170.

6. Nak H., Gülbahce M. O., Gokasan M., Ergene A. F. Performance investigation of extended Kalman filter based observer for PMSM using in washing machine applications // 9th Intern. Conf. on Electrical and Electronics Engineering (ELECO). Bursa, Turkey, 2015. P. 618–623.

7. Xiao D., Rahman M. Sensorless direct torque control and flux controlled IPM synchronous machine fed by matrix converter over a wide speed range // IEEE Transactions on Industrial Informatics. 2013. Vol. 9, N 4. P. 1855–1867.

8. Yu Y., Huang X., Li Z., Wu M., Shi T., Cao Y., Yang G., Niu F. Full Parameter Estimation for Permanent Magnet Synchronous Motors // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2022. Vol. 69, N 5. P. 4376–4386.

9. Liu K., Zhu Z. Q. Mechanical Parameter Estimation of Permanent Magnet Synchronous Machines with Aiding from Estimation of Rotor PM Flux Linkage // IEEE Transactions on Industry Applications. 2015. Vol. 51, N 4. P. 3115–3125.

10. Piippo A., Hinkkanen M., Luomi J. Adaptation of motor parameters in sensorless pmsm drives // IEEE Transactions on Industry Applications. 2009. Vol. 45, N 1. P. 203–212.

11. Hinkkanen M., Tuovinen T., Harnefors L., Luomi J. A combined position and stator-resistance observer for salient pmsm drives: design and stability analysis // IEEE Transactions on Power Electronics. 2012. Vol. 27, N 2. P. 601–609.

12. Ortega R., Praly L., Astolfi A., Lee J., Nam K. Estimation of rotor position and speed of permanent magnet synchronous motors with guaranteed stability // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2011. Vol. 19, N 3. P. 601–614.

13. Romero J., Ortega R., Hernandez M., Devos T., Malrait F. Adaptive Flux Observer for the Permanent Magnet Synchronous Motor // Schneider Electric Int. Report. 2014.

14. Verrelli C. M., Tomei P., Lorenzani E., Migliazza G., Immovilli F. Nonlinear tracking control for sensorless permanent magnet synchronous motors with uncertainties // Control Engineering Practice. 2017. Vol. 60. P. 157–170.

15. Bobtsov A. A., Pyrkin A. A., Ortega R., Vukosavic S. N., Stankovic A. M., Panteley E. V. A robust globally convergent position observer for the permanent magnet synchronous motor // Automatica. 2015. Vol. 61. P. 47–54.

16. Sastry S., Bodson M. Adaptive Control: Stability, Convergence and Robustness. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1989.

17. Aranovskiy S., Bobtsov A., Ortega R., Pyrkin A. Performance enhancement of parameter estimators via dynamic regressor extension and mixing // IEEE Transactions on Automatic Control. 2017. Vol. 62, N 7. P. 3546–3550.

18. Belov A., Aranovskiy S., Ortega R., Barabanov N., Bobtsov A. Enhanced Parameter Convergence for Linear Systems Identification: The DREM Approach // 2018 European Control Conf. (ECC). Limassol, Cyprus. 2018. P. 2794–2799.

19. Bazylev D., Pyrkin A., Bobtsov A. Position and speed observer for PMSM with unknown stator resistance // 2018 European Control Conf. (ECC). 2018. P. 1613–1618.

20. Pyrkin A. A. et al. Robust nonlinear observer design for permanent magnet synchronous motors // IET Control Theory Applications. 2021. Vol. 1. P. 604–616.

21. Bazylev D. N., Doria-Cerezo A., Pyrkin A. A., Bobtsov A. A., Ortega R. A new approach for flux and rotor resistance estimation of induction motors // IFAC-PapersOnLine. 2017. Vol. 50, N 1. P. 1885–1890.

22. Bazylev D., Vukosavic S., Bobtsov A., Pyrkin A., Stankovic A., Ortega R. Sensorless control of PM synchronous motors with a robust nonlinear observer // 2018 IEEE Industrial Cyber-Physical Systems (ICPS). St. Petersburg, Russia, 2018. P. 304–309.

23. Liu J., Li H., Deng Y. Torque ripple minimization of PMSM based on robust ILC via adaptive sliding mode control // IEEE Transactions on Power Electronics. 2018. Vol. 33, N 4. P. 3655–3671.

24. Qian W., Panda S. K., Xu J.-X. Torque ripple minimization in PM synchronous motors using iterative learning control // IEEE Transactions on Power Electronics. 2004. Vol. 19, N 2. P. 272–279.

25. Yuan X., Zhang S., Zhang C. Enhanced robust deadbeat predictive current control for PMSM drives // IEEE Access. 2019. Vol. 7. P. 148218–148230.

26. Choi J., Nam K., Bobtsov A. A., Pyrkin A., Ortega R. Robust adaptive sensorless control for permanent-magnet synchronous motors // IEEE Transactions on Power Electronics. 2017. Vol. 32, N 5. P. 3989–3997.

27. Pyrkin A., Vedyakov A., Bobtsov A., Bazylev D., Sinetova M., Ovcharov A., Antipov V. Adaptive Full State Observer for Nonsalient PMSM with Noised Measurements of the Current and Voltage // IFAC-PapersOnLine. 2020. Vol. 53, N 2. P. 1652–1657.

28. Pyrkin A. A., Vedyakov A. A., Ortega R., Bobtsov A. A. A robust adaptive flux observer for a class of electromechanical systems // Intern. J. of Control. 2020. Vol. 93, N 7. P. 1619–1629.

29. Schneider Electric. BMP Synchronous motor, Motor manual, V1.3. Schneider Electric. 2017.