CN103199787A - 基于混合调节器的抗负载扰动方法及其装置 - Google Patents

Abstract

基于混合调节器的抗负载扰动方法及其装置，属于永磁同步电机交流伺服控制领域。它包括PC机、控制器、电压检测单元、隔离驱动单元、电流检测单元、转速检测单元、三相不控整流桥、母线储能电容、三相全桥逆变器、永磁同步电机、编码器及可调负载。本发明装置速度环采用混合调节器代替传统闭环系统的转速PI调节器，抑制负载扰动对转速波动的影响。混合调节器中，以负载转矩和转速作为状态变量，定义实际转速与观测转速之差为滑模切换面，设计滑模负载转矩观测器用于实现负载转矩的在线辨识，不仅适合不同转子结构的永磁同步电机，对于不同电流控制方式下依然有效，具有广阔的应用范围。

Description

基于混合调节器的抗负载扰动方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种电机控制方法及装置，特别是一种永磁同步电机交流伺服系统中抗负载扰动的控制方法及其装置。

背景技术

高性能永磁同步电机伺服系统要求具备良好的动静态性能。实际系统中负载转矩扰动会造成转速的波动，这是由于传统速度/电流闭环系统中都是假设负载转矩扰动为零或一固定值时，对速度环传递函数进行工程优化。当负载转矩发生变化时，速度环调节器不能抑制负载扰动。为提高系统的抗干扰性能通常引入负载转矩的前馈补偿，与原有调节器结合形成二自由度混合调节器。

工程实际中，直接测量负载转矩不仅成本高，而且安装调试复杂，特殊负载条件下无法直接测量，因而一般通过观测器根据电机可测物理量辨识得到负载转矩。现有的负载转矩观测器一般可分为两类，一类是依据电机基波数学模型设计全阶或降阶状态观测器，该方法用到电机参数众多，其辨识精度受参数影响严重；另一种方法是卡尔曼滤波器法，通过系统状态变量的估计误差以及系统噪声的统计特性，自动计算最优反馈增益系数，相比于前一种方法，对干扰抑制能力强，但是计算量非常大，难以实现在线辨识。以上方法大多基于隐极式电机，不能辨识出凸极式永磁同步电机由于凸极结构产生的磁阻转矩，且在不同电流控制方式下，估计精度差别大，应用范围有限。本发明装置速度环采用混合调节器代替传统闭环系统的转速PI调节器，抑制负载扰动对转速波动的影响。混合调节器中，以负载转矩和转速作为状态变量，定义实际转速与观测转速之差为滑模切换面，设计滑模负载转矩观测器用于实现负载转矩的在线辨识，不仅适合不同转子结构的永磁同步电机，对于不同电流控制方式下依然有效，具有广阔的应用范围。

发明内容

本发明的目的是设计一种适用于永磁同步电机不同电流控制方法的负载转矩观测器，并与速度闭环PI调节器结合，形成混合速度调节器控制定子电流，提供一种永磁同步电机抗负载扰动的方法和装置。

本发明所采用的技术方案是：

本发明基于混合调节器的抗负载扰动方法及其装置，它包括PC机、控制器、电压检测单元、隔离驱动单元、电流检测单元、转速检测单元、三相不控整流桥、母线储能电容、三相全桥逆变器、永磁同步电机、编码器和可调负载。

所述的基于混合调节器的抗负载扰动方法及其装置，其中三相不控整流桥将三相交流电整流为直流电，对母线储能电容进行充电，电压检测单元检测母线电压，三相全桥逆变器将母线电压逆变后，为永磁同步电机提供变频电源，电流检测单元检测定子绕组电流，转速检测单元测量电机转速并输入到控制器中，控制器根据控制算法调制出PWM脉冲信号经隔离驱动单元控制逆变器功率器件开通和关断。

所述的基于混合调节器的抗负载扰动方法及其装置的控制器，将给定转速与实际转速的偏差信号作为输入信号，经速度环混合调节器调节后输出转矩给定信号，转矩给定值经转矩/电流分配单元输出d、q轴电流给定值，电流实际值与给定值的偏差信号分别输入到q轴电流PI调节器和d轴电流调节器，两个调节器的输出信号与解耦控制器输出信号运算后，作为反Park变换单元的输入，得到的两相电压给定值输入到SVPWM脉冲调制器，调制出的六路脉冲信号输入到隔离驱动单元。

所述基于混合调节器的抗负载扰动方法及其装置的速度环混合调节器包括两部分构成，其中PI调节器根据速度偏差信号输出期望转矩值，滑模转矩观测器根据实际电流辨识出负载转矩实际值，二者运算后得到系统的转矩给定值。具体步骤如下：

步骤a、以负载转矩和转速作为状态变量，得到永磁同步电机状态方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}=\frac{1.5p_n^2}{J}[{\mathrm{\ψ}}_f{i}_q+(L_d-L_q)i_d{i}_q]-\frac{p_n}{J}{T}_L-\frac{B}{J}\mathrm{\ω}\\ \stackrel{\·}{T_L}=0\end{array}\right.$ 式中，i_d、i_q分别为电机的定子电流在d、q轴上的分量，L_d、L_q分别为电机的直轴同步电感和交轴同步电感；ω为电机电角速度；p_n为极对数；B为摩擦转矩粘滞系数；J为转动惯量；Ψ_f为电机转子磁通；T_e为电磁转矩；T_L为负载转矩。

步骤b、以负载转矩和转子电角速度作为状态变量，选取速度估计误差

作为切换函数，滑模切换面定义为s(x)=0，构造如下形式的滑模观测器：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{\widehat{\mathrm{\ω}}}=\frac{1.5p_n^2}{J}[{\mathrm{\ψ}}_f{i}_q+(L_d-L_q)i_d{i}_q]-\frac{p_n}{J}{\hat{T}}_L-\frac{B}{J}\widehat{\mathrm{\ω}}+u_{\mathrm{smo}}\\ \stackrel{\·}{\widehat{T_L}}=l{u}_{\mathrm{smo}}\end{array}\right.$ 式中， $u_{\mathrm{smo}}=\mathrm{ksgn}(\widehat{\mathrm{\ω}}-\mathrm{\ω}),$ k为滑模增益，l为反馈增益，

为估计速度，

为估计负载转矩。

步骤c、选择合适参数确保实现滑模运动，根据广义滑模存在条件选择滑模增益如下：

$k<-\left|\frac{p_n{\stackrel{\&OverBar;}{T}}_L+B}{J}\right|.$

步骤d、将负载转矩观测器输出的转矩实际值、PI调节器输出的转矩期望值相加后作为混合调节器的输出。

所述的基于混合调节器的抗负载扰动方法及其装置，其中转矩/电流分配单元可根据不同应用场合和控制目标，采取不同的电流控制策略，具体为下述4组函数发生器。①i_d=0控制： $\left\{\begin{array}{c}{i}_d=0\\ i_q=T_e^{*}/{\mathrm{\&psi;}}_f\end{array}\right.,$ ②最优转矩电流比控制： $\left\{\begin{array}{c}{i}_d=\frac{-{\mathrm{\&psi;}}_f+\sqrt{{\mathrm{\&psi;}}_f^2+8{(L_d-L_q)}^2{I}_s^2}}{4(L_d-L_q)}\\ i_q=\sqrt{I_s^2-i_d^2}\end{array},\right.$ ③单位功率因数控制： $\left\{\begin{array}{c}{i}_d=\frac{-{\mathrm{\&psi;}}_f+\sqrt{{\mathrm{\&psi;}}_f^2-4(L_d-L_q)L_q{I}_s^2}}{2(L_d-L_q)}\\ i_q=\sqrt{I_s^2-i_d^2}\end{array}\right.,$ ④恒磁链控制： $\left\{\begin{array}{c}{i}_d=\frac{-2{\mathrm{\&psi;}}_f{L}_d{I}_s+\sqrt{4{\mathrm{\&psi;}}_f^2{L}_d^2{I}_s^2-4(L_d^2-L_q^2)L_q^2{I}_s^4}}{2(L_d^2-L_q^2)I_s}\\ i_q=\sqrt{I_s^2-i_d^2}\end{array}\right.,$ 式中，i_d、i_q为d、q轴电流分量，L_d、L_q为交直轴电感，Ψ_f为转子磁通，I_s为实际电流矢量的幅值，T_e ^*为混合调节器输出的转矩给定值。

所述的基于混合调节器的抗负载扰动方法及其装置，其中电压检测单元用的是霍尔式电压传感器、电流检测单元用的是霍尔式电流传感器。编码器为2500C/T分辨率的增量式光电编码器，转速检测单元采用6N137高速光耦将编码器输出的脉冲信号进行电平转换、隔离输出到控制器中。可调负载为一H桥驱动的永磁直流电机，与永磁同步电机同轴连接，控制器的核心微处理器型号为TI公司的32位DSP-TMS320F28335。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

1.本发明中基于滑模观测器的负载转矩辨识与PI调节器结合的混合速度调节器，适用于不同类型的永磁同步电机（表面贴式或内插式），且结构简单，涉及电机参数少，与现有利用电机模型直接计算法相比鲁棒性强，易于工程实现。

2.本发明中所提出的以负载转矩和转速为状态变量构造的滑模观测器配合转矩/电流分配模块，可实现i_d=0控制、最大转矩控制、单位功率因数控制、恒磁链控制这4中不同电流控制策略，针对不同负载场合选择不同电流控制策略同样具有良好的抗负载扰动能力，应用范围更加广泛。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明的基于混合调节器的控制算法原理图。

图3为传统速度环调节器负载扰动时转速波动实验波形。

图4为速度环混合调节器负载扰动时转速波动实验波形。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于混合调节器的抗负载扰动方法及其装置，它包括PC机、控制器、电压检测单元、隔离驱动单元、电流检测单元、转速检测单元、三相不控整流桥、母线储能电容、三相全桥逆变器、永磁同步电机、编码器和可调负载。三相不控整流桥将三相交流电整流为直流电，对母线储能电容进行充电，电压检测单元检测母线电压，三相全桥逆变器将母线电压逆变后，为永磁同步电机提供变频电源，电流检测单元检测定子绕组电流，转速检测单元测量电机转速并输入到控制器中，控制器根据控制算法调制出PWM脉冲信号经隔离驱动单元控制逆变器功率器件开通和关断。通过调整H桥驱动器的占空比实时调节负载永磁直流电机转速，进而调整永磁同步电机的负载转矩。

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式为基于实施方式一所述基于混合调节器的抗负载扰动方法及其装置的控制算法，具体实施过程如下：

步骤一、基于矢量控制原理，将永磁同步电机在三相静止坐标系下的数学模型变换到两相旋转坐标系下，得到电压方程，转矩方程，运动方程。利用双闭环控制思想实现电流内环d、q轴电流的解耦控制；

步骤二、将负载转矩和转速作为状态变量，以观测转速和实际转速之差构成滑模面，构造滑模观测器对负载转矩进行辨识。具体方法为：

步骤a、以负载转矩和转速作为状态变量，得到永磁同步电机状态方程如式（1）所示；

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&omega;}}=\frac{1.5p_n^2}{J}[{\mathrm{\&psi;}}_f{i}_q+(L_d-L_q)i_d{i}_q]-\frac{p_n}{J}{T}_L-\frac{B}{J}\mathrm{\&omega;}\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{T}}_L=0\end{array}---\left(1\right)\right.$

式中，i_d、i_q分别为电机的定子电流在d、q轴上的分量；L_d、L_q分别为电机的直轴同步电感和交轴同步电感；ω为电机电角速度；p_n为极对数；B为摩擦转矩粘滞系数；J为转动惯量；Ψ_f为电机转子磁通；T_e为电磁转矩；T_L为负载转矩。由于电气时间常数远小于机械时间常数，以认为在控制周期内负载转矩恒定，即

步骤b、以负载转矩和转子电角速度作为状态变量，选取速度估计误差

作为切换函数，滑模切换面定义为s(x)=0，构造如下形式的滑模观测器；

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{\widehat{\mathrm{\&omega;}}}=\frac{1.5p_n^2}{J}[{\mathrm{\&psi;}}_f{i}_q+(L_d-L_q)i_d{i}_q]-\frac{p_n}{J}{\hat{T}}_L-\frac{B}{J}\widehat{\mathrm{\&omega;}}+u_{\mathrm{smo}}\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\hat{T}}}_L=l{u}_{\mathrm{smo}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，

k为滑模增益，l为反馈增益，为估计速度，

为估计负载转矩。

步骤c、选择合适参数确保实现滑模运动。

用式（2）减式（1）得到观测器误差方程为

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&omega;}}}=-\frac{p_n}{J}{\stackrel{\&OverBar;}{T}}_L-\frac{B}{J}\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&omega;}}+u_{\mathrm{smo}}\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\stackrel{\&OverBar;}{T}}}_L=l{u}_{\mathrm{smo}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

根据广义滑模可达条件

可得

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&omega;}}\stackrel{\&CenterDot;}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&omega;}}}=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&omega;}}[\mathrm{ksgn}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&omega;}}\right)-\frac{p_n}{J}{\stackrel{\&OverBar;}{T}}_L-\frac{B}{J}\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&omega;}}]<0---\left(4\right)$

化简可得滑模增益的取值范围为

$k<-\left|\frac{p_n{\stackrel{\&OverBar;}{T}}_L+B}{J}\right|---\left(5\right)$

当滑模观测器进入滑动模态时，即代入式（3）可得

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{smo}}=\frac{p_n}{J}{\stackrel{\&OverBar;}{T}}_L\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\stackrel{\&OverBar;}{T}}}_L=l{u}_{\mathrm{smo}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

由上式可求得负载转矩误差

${\stackrel{\&OverBar;}{T}}_L={\hat{T}}_L-T_L=c{e}^{\frac{l}{J}t}---\left(7\right)$

式中c为常数，可见观测器误差随时间变化按指数规律趋近于0，趋近速度取决于l的大小。

步骤三、将速度环PI调节器与滑模负载转矩观测器结合形成混合速度调节器，其输入为转速给定值、转速反馈值、交、直轴电流反馈值，输出为实时转矩给定值；

步骤四、速度环混合调节器的输出经转矩/电流分配模块得到按照不同电流控制策略的交、直轴电流给定值作为电流调节器的给定；

本实例以最优转矩电流比控制为例，转矩/电流分配模块为以下两个函数发生器

$\left\{\begin{array}{c}{i}_d=\frac{-{\mathrm{\&psi;}}_f+\sqrt{{\mathrm{\&psi;}}_f^2+8{(L_d-L_q)}^2{I}_s^2}}{4(L_d-L_q)}\\ i_q=\sqrt{I_s^2-i_d^2}\end{array}\right.---\left(8\right)$

步骤五、电流环的输出作为SVPWM调制模块的给定，得到逼近圆形磁链的PWM调制脉冲信号，输入到电压源型逆变器；

步骤六、由电流传感器测得的三相电流经Clark变换、Park变换得到d、q轴电流反馈值用于电流内环的闭环控制，增量式编码器测得转速作为转速反馈值用于速度外环的闭环控制，编码器得到的转子位置角用于矢量控制中的坐标变换。

图3所示为给定转速100r/min低速稳定运行后突加额定负载时，速度环采用传统调节器时实测转速波形，图4所示为相同条件下采用混合调节器时实测转速波形，对比两图可以发现，本发明基于混合调节器的抗负载扰动方法效果显著。

Claims (9)

1.基于混合调节器的抗负载扰动方法及其装置，它包括PC机（1）、控制器（2）、电压检测单元（3）、隔离驱动单元（4）、电流检测单元（5）、转速检测单元（6）、三相不控整流桥（7）、母线储能电容（8）、三相全桥逆变器（9）、永磁同步电机（10）、编码器（11）、可调负载（12）。

2.根据权利要求1所述的基于混合调节器的抗负载扰动方法及其装置，其特征在于：三相不控整流桥（7）将三相交流电整流为直流电对母线储能电容（8）进行充电，电压检测单元（3）检测母线电压，三相全桥逆变器（9）将母线电压逆变后，为永磁同步电机（10）提供变频电源，电流检测单元（5）检测定子绕组电流，转速检测单元（6）测量电机转速并输入到控制器（2）中，控制器根据控制算法调制出PWM脉冲信号经隔离驱动单元（4）控制逆变器功率器件开通和关断。

3.根据权利要求1所述的基于混合调节器的抗负载扰动方法及其装置的控制器（2），其特征在于：给定转速与实际转速的偏差信号经速度环混合调节器（201），输出转矩给定信号，转矩给定值经转矩/电流分配单元（202）输出d、q轴电流给定值，电流实际值与给定值的偏差信号，分别输入到q轴电流PI调节器（203）和d轴电流调节器（204），两个调节器的输出信号与解耦控制器（205）输出信号运算后作为反Park变换单元（206）的输入，得到的两相电压给定值输入到SVPWM脉冲调制器（207），调制出的六路脉冲信号输入到隔离驱动单元（4）。

4.根据权利要求1和3所述的基于混合调节器的抗负载扰动方法及其装置，其特征在于：所述的速度环混合调节器（201）包括两部分构成，其中PI调节器根据速度偏差信号输出期望转矩值，滑模转矩观测器根据实际电流辨识出负载转矩实际值，二者运算后得到系统的转矩给定值。

5.根据权利要求4所述的基于混合调节器的抗负载扰动方法及其装置，其特征在于：所述的速度环混合调节器（201）其具体步骤如下：

步骤a、以负载转矩和转速作为状态变量，得到永磁同步电机状态方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&omega;}}=\frac{1.5p_n^2}{J}[{\mathrm{\&psi;}}_f{i}_q+(L_d-L_q)i_d{i}_q]-\frac{p_n}{J}{T}_L-\frac{B}{J}\mathrm{\&omega;}\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{T}}_L=0\end{array}\right.$ 式中，i_d、i_q分别为电机的定子电流在d、q轴上的分量，L_d、L_q分别为电机的直轴同步电感和交轴同步电感；ω为电机电角速度；p_n为极对数；B为摩擦转矩粘滞系数；J为转动惯量；Ψ_f为电机转子磁通；T_e为电磁转矩；T_L为负载转矩。

步骤b、以负载转矩和转子电角速度作为状态变量，选取速度估计误差

作为切换函数，滑模切换面定义为s(x)=0，构造如下形式的滑模观测器；

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\stackrel{\&CenterDot;}{^}}{\mathrm{\&omega;}}=\frac{1.5p_n^2}{J}[{\mathrm{\&psi;}}_f{i}_q+(L_d-L_q)i_d{i}_q]-\frac{p_n}{J}{\hat{T}}_L-\frac{B}{J}\widehat{\mathrm{\&omega;}}+u_{\mathrm{smo}}\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\hat{T}}}_L=l{u}_{\mathrm{smo}}\end{array}\right.$ 式中， $u_{\mathrm{smo}}=\mathrm{ksgn}(\widehat{\mathrm{\&omega;}}-\mathrm{\&omega;}),$ k为滑模增益，l为反馈增益，

为估计速度，为估计负载转矩。

步骤c、选择合适参数确保实现滑模运动，根据广义滑模存在条件选择滑模增益如下：

$k<-\left|\frac{p_n{\stackrel{\&OverBar;}{T}}_L+B}{J}\right|$

步骤d、将负载转矩观测器输出的转矩实际值、PI调节器输出的转矩期望值相加后作为混合调节器的输出。

6.根据权利要求1和3所述的基于混合调节器的抗负载扰动方法及其装置，其特征在于：转矩/电流分配单元（202）可根据不同应用场合和控制目标，采取不同的电流控制策略，具体为下述4组函数发生器。

i_d=0控制： $\left\{\begin{array}{c}{i}_d=0\\ i_q=T_e^{*}/{\mathrm{\&psi;}}_f\end{array}\right.,$ 最优转矩电流比控制： $\left\{\begin{array}{c}{i}_d=\frac{-{\mathrm{\&psi;}}_f+\sqrt{{\mathrm{\&psi;}}_f^2+8{(L_d-L_q)}^2{I}_s^2}}{4(L_d-L_q)}\\ i_q=\sqrt{I_s^2-i_d^2}\end{array}\right.,$ 单位功率因数控制： $\left\{\begin{array}{c}{i}_d=\frac{-{\mathrm{\&psi;}}_f+\sqrt{{\mathrm{\&psi;}}_f^2-4(L_d-L_q)L_q{I}_s^2}}{2(L_d-L_q)}\\ i_q=\sqrt{I_s^2-i_d^2}\end{array}\right.,$ 恒磁链控制： $\left\{\begin{array}{c}{i}_d=\frac{-2{\mathrm{\&psi;}}_f{L}_d{I}_s+\sqrt{4{\mathrm{\&psi;}}_f^2{L}_d^2{I}_s^2-4(L_d^2-L_q^2)L_q^2{I}_s^4}}{2(L_d^2-L_q^2)I_s}\\ i_q=\sqrt{I_s^2-i_d^2}\end{array}\right.,$ 式中，i_d、i_q为d、q轴电流分量，L_d、L_q为交直轴电感，Ψ_f为转子磁通，I_s为实际电流矢量的幅值，T_e ^*为混合调节器输出的转矩给定值。

7.根据权利要求1所述的基于混合调节器的抗负载扰动方法及其装置，其特征在于：所述的电压检测单元（3）所用的是霍尔式电压传感器、电流检测单元（5）所用的是霍尔式电流传感器。

8.根据权利要求1所述的基于混合调节器的抗负载扰动方法及其装置，其特征在于：所述的编码器（11）为2500C/T分辨率的增量式光电编码器，所述的转速检测单元（6）采用6N137高速光耦将编码器输出的脉冲信号进行电平转换、隔离输出到控制器中。

9.根据权利要求1所述的基于混合调节器的抗负载扰动方法及其装置，其特征在于：所述的可调负载（12）为一H桥驱动的永磁直流电机，与永磁同步电机同轴连接，所述的控制器（2）其核心微处理器型号为TI公司的32位DSP-TMS320F28335。

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