CN107834933B - 一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法 - Google Patents

一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：计算给定转矩Te *和反馈转矩Te；以给定转矩Te *和反馈转矩Te信号之差为输入，定子磁链角度变化量Δθs为输出，设定转矩环自抗扰控制器；由定子磁链角度变化量，计算输出电压矢量，并由空间矢量调制模块输出PWM控制信号。其优点在于避免了积分饱和的影响，并通过ESO对参数的不确定性和未建模动态进行观测，在NLSEF中对观测的总扰动量进行补偿，以增强电机控制系统的鲁棒性，提升动静态响应性能。

Description

一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法
技术领域
本发明涉及一种工业自动化领域，特别涉及一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法。
背景技术
永磁同步电机因其所具有的高转矩惯量比、高功率因数以及高效率等优秀特性，在机器人、高精度数控机床、电动汽车等高科技领域中得到了越来越多的关注和应用。先进的控制方法是获取永磁同步电机优良运行性能的必要条件，在20世纪80年代所提出来的直接转矩控制方法就是一种用于控制电机的高性能控制方法。
传统直接转矩控制方法的主要结构为滞环控制器和开关矢量表，其中两个滞环控制器用来分别实现对转矩和定子磁链的控制。依据滞环控制器的输出，并结合定子磁链所在的扇区，从开关矢量表中选取所需的电压矢量来驱动逆变器对电机进行控制。由于在每一个控制周期中，逆变器只能输出一个电压矢量，因此转矩和定子磁链的控制精度有限，造成转矩和定子磁链的波动变大，以及电流谐波增加。此外，逆变器不固定的开关频率也会使得开关管的损耗增加。
应用空间矢量调制技术代替开关矢量表，可以有效的改善传统直接转矩控制方法中存在的转矩和磁链波动大的缺点，从而提升对转矩和磁链的控制精度。此外，在空间矢量调制中合理地安排开关管的导通顺序，也可以使得逆变器获得恒定的开关频率，减小逆变器的损耗。通常，在基于空间矢量调制的直接转矩控制方法中，应用传统的PI控制器来对转矩控制环进行调节。但是，PI控制器会受到积分环节饱和作用和系统噪声的影响，且存在对系统参数不确定性以及外部干扰信号适应性差的缺点，从而影响电机的运行性能。
发明内容
本发明提供了一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，利用自抗扰控制(ADRC)这种新型非线性控制算法代替传统PI 控制算法，设定鲁棒性强的转矩环控制器，实现对具有高阶、非线性特性的永磁同步电机的快速控制，提升电机响应性能；从而克服现有技术的缺陷，解决上述技术问题。
本发明提供了一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：
步骤A、计算给定转矩和反馈转矩Te；
步骤B、以给定转矩和反馈转矩Te信号之差为输入，定子磁链角度变化量Δθs为输出，设定转矩环自抗扰控制器；
步骤C、由定子磁链角度变化量，计算输出电压矢量，并由空间矢量调制模块输出PWM控制信号；
其中，步骤B包括，步骤B-1、获得以实际转矩为变量的一阶系统方程；
步骤B-2、设定转矩环自抗扰控制器的一阶非线性微分器(ND)，二阶扩张状态观测器(ESO)和一阶非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)；
以实际转矩为变量的一阶系统方程为，
其中，ω为转子电角速度，δ为负载角，Ts为控制周期，Δθs为定子磁链角度的变化，kT为比例系数。
进一步，本发明提供了一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，还具有以下特征：步骤A中、由转速环计算获得给定转矩利用光电编码器采样永磁同步电机的位置信号并求得电机转速反馈信号ωr；根据转速给定信号与转速反馈信号ωr之差，通过转速环控制器产生转矩给定信号
进一步，本发明提供了一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，还具有以下特征：步骤A中、采样逆变器直流电压和电机三相定子电流，计算获得电机的反馈转矩Te；利用电压传感器采样直流电压信号，并通过开关状态重构得到三相静止坐标系上的电压量ua、 ub、uc，利用电流传感器采样三相静止坐标系上的电流信号ia、ib、ic并滤波，通过CLARKE坐标变换得到在两相静止坐标系上的电压分量usα、usβ和电流分量isα、isβ，由永磁同步电机的电压方程求取在两相静止α-β坐标系上定子磁链分量ψsα、ψsβ，进一步由两相静止坐标系上的电流分量 isα、isβ和磁链分量ψsα、ψsβ求得永磁同步电机的反馈转矩Te。
进一步，本发明提供了一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，还具有以下特征：以转矩参考信号Te *作为一阶非线性微分器ND的输入信号，一阶非线性微分器ND的输出为转矩信号的跟踪值，设定一阶非线性微分器ND，
其中，为非线性函数：
进一步，本发明提供了一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，还具有以下特征：二阶扩张状态观测器ESO用来对系统的状态变量以及未知干扰项进行观测，设定二阶扩张状态观测器ESO，
其中，为非线性函数：
进一步，本发明提供了一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，还具有以下特征：一阶非线性状态误差反馈控制律 NLSEF的输出为最终控制量Δθs，设定一阶非线性状态误差反馈控制律 NLSEF为：
其中，为非线性函数：
进一步，本发明提供了一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，还具有以下特征：转矩环自抗扰控制器输出定子磁链角度的变化量Δθs，定子磁链给定幅值保持不变，可以求取定子磁链在两相静止坐标系上的变化量，
由定子磁链的变化量可以求出所需的电压矢量分量为：
本发明提供了一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，避免了积分饱和的影响，并通过ESO对参数的不确定性和未建模动态进行观测，在NLSEF中对观测的总扰动量进行补偿，以增强电机控制系统的鲁棒性，提升动静态响应性能。
附图说明
图1为基于转矩环自抗扰控制技术的永磁同步电机直接转矩控制系统结构框图。
图2是基于转矩环自抗扰控制技术的永磁同步电机直接转矩控制方法的流程图。
图3为永磁同步电机在运行过程中转子磁链和定子磁链的关系图。
图4为本发明转矩环自抗扰控制器的原理框图。
图5为本发明永磁同步电机1000r/min运行的转速响应波形。
图6为本发明永磁同步电机1000r/min运行的转矩响应波形。
图7为本发明永磁同步电机200r/min突加为2000r/min的转速响应波形。
图8为本发明永磁同步电机200r/min突加为2000r/min的转矩响应波形。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细描述。
图1为基于转矩环自抗扰控制技术的永磁同步电机直接转矩控制系统结构框图。
如图1所示，基于转矩环自抗扰控制技术的永磁同步电机直接转矩控制系统主要包括：转速控制环节1、转矩自抗扰控制环节2、磁链矢量计算模块3、电压矢量计算模块4、空间电压矢量调制模块5、三相全桥逆变器6、永磁同步电机7、电压电流采样和坐标变换环节8以及反馈转矩和定子磁链观测环节9。
图2是基于转矩环自抗扰控制技术的永磁同步电机直接转矩控制方法的流程示意图。
如图2所示，基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法, 包括以下步骤：
步骤A、计算给定转矩和反馈转矩Te。
步骤A-1、由转速环计算获得给定转矩
利用光电编码器采样永磁同步电机的位置信号并求得电机转速反馈信号ωr。根据转速给定信号与转速反馈信号ωr之差，通过转速环控制器产生转矩给定信号
步骤A-2、采样逆变器直流电压和电机三相定子电流，计算获得电机的反馈转矩Te。
利用电压传感器采样直流电压信号，并通过开关状态重构得到三相静止坐标系上的电压量ua、ub、uc，利用电流传感器采样三相静止坐标系上的电流信号ia、ib、ic并滤波，通过CLARKE坐标变换得到在两相静止坐标系上的电压分量usα、usβ和电流分量isα、isβ，由永磁同步电机的电压方程求取在两相静止α-β坐标系上定子磁链分量ψsα、ψsβ，进一步由两相静止坐标系上的电流分量isα、isβ和磁链分量ψsα、ψsβ求得永磁同步电机的反馈转矩Te。步骤A-1和步骤A-2不分先后。
步骤B、以给定转矩和反馈转矩Te信号之差为输入，定子磁链角度变化量Δθs为输出，设定转矩环自抗扰控制器；转矩环控制器的作用是对转矩进行控制。
步骤B-1、以实际转矩为变量的一阶系统方程。
表贴式永磁同步电机转矩方程可以表示为：
其中，np是极对数，Ls是定子电感，ψr和ψs分别是永磁磁链和定子磁链，δ是负载角，kT＝3npψrψs/2Ls为系数。
对转矩方程(公式1)求倒数并化简可得：
图3为永磁同步电机在运行过程中转子磁链和定子磁链的关系图。
如图3所示，θs是定子磁链角度，θr是转子磁链角度。在一个控制周期Ts中，定子磁链旋转角度Δθs的变化关系为：
Δδ＝Δθs-ωTs (公式3)
ω为转子电角速度，Δδ为负载角的变化量，Δδ直接决定了转矩的变化。由公式3可知，Δθs可以反映出转矩的控制作用。
将公式3代入公式2可得：
其中，Δθs是定子磁链角度的变化，Ts表示控制周期。进一步的，对上式进行变换可以得到如下所示的以转矩为变量的一阶系统方程。
对于上述一阶转矩环控制系统，可以通过设定转矩环自抗扰控制器来求得所需要的控制量Δθs。在自抗扰控制器中，将-ωcotδTe作为未知干扰项，不需对它的具体形式进行辨识，只需要应用ESO对未知干扰进行观测并对其进行补偿即可。
步骤B-2、设定转矩环自抗扰控制器的一阶非线性微分器(ND)，二阶扩张状态观测器(ESO)和一阶非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)。
图4为本发明转矩环自抗扰控制器的原理框图。
如图4所示，本发明的转矩环自抗扰控制器，由三个部分所构成，分别是一阶非线性微分器(ND)，二阶扩张状态观测器(ESO)和一阶非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)。
步骤B-2-1、以转矩参考信号作为ND的输入信号，ND的输出为转矩信号的跟踪值，设定一阶非线性微分器ND，具体为：
其中，为非线性函数：
一阶非线性微分器ND的作用是对输入转矩给定信号进行分段滤波，使转矩给定信号有一个合适的过渡过程，在保证快速性的同时避免超调的影响。
步骤B-2-2、二阶扩张状态观测器ESO用来对系统的状态变量以及未知干扰项进行观测，设定二阶扩张状态观测器ESO，具体为：
其中，为非线性函数：
为系统的系数，δ是电机的转矩角，表示为定子磁链角度和转子磁链角度之差，既δ＝θs-θr。ESO对转矩环控制系统的状态变量和总扰动进行观察，其中Tez1观测实际转矩Te，Tez2观测干扰量 -ωcotδTe。
步骤B-2-3、NLSEF的输出为最终控制量Δ θs，设定一阶NLSEF为：
其中，为非线性函数：
其中，β1、β2是ESO的增益系数，β3是NLSEF的增益系数，sign() 是符号函数。
通过上述一阶非线性微分器(ND)，二阶扩张状态观测器(ESO)和一阶非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)，设定转矩环自抗扰控制器，它的输入为给定及反馈转矩信号之差，输出为定子磁链角度变化量Δθs。
在直接转矩控制中，定子磁链的给定幅值保持为当通过自抗扰转矩环控制器求得所需的定子磁链角度的变化Δθs后，通过磁链矢量计算单元得到此时定子磁链在两相静止α-β坐标系上的分量
步骤C、由定子磁链角度变化量，计算输出电压矢量，并由空间矢量调制模块输出PWM控制信号。
由电压方程观测到的定子磁链在两相静止α-β坐标系上的分量为ψsα和ψsβ，可以得到所需的定子磁链变化量Δψsα和Δψsβ。
转矩环自抗扰控制器输出定子磁链的变化量Δθs，定子磁链给定幅值保持不变，可以求取定子磁链在两相静止坐标系上的变化量：
由定子磁链的变化量可以求出所需的电压矢量分量为：
对于定子磁链的变化，可以通过产生一个等效电压矢量的方式来进行补偿。依据定子磁链的电压方程，在电压矢量计算单元由定子磁链的变化量求取输出所需的定子电压矢量和
所求出的定子电压分量最终需要转换为控制逆变器的PWM 信号。将电压分量作为空间电压矢量调制单元的输入，由空间电压调制单元输出逆变器三相开关管的PWM信号，使得开关频率保持恒定，以降低转矩波动，减小电流谐波。
发明的作用与效果
本发明的基于转矩环自抗扰控制技术的永磁同步电机直接转矩控制方法性能优异，下面结合永磁同步电机控制系统的动态和稳态运行性能具体说明。如图5和图6所示，在给定转速1000r/min条件下电机响应波形，永磁同步电机空载由静止开始启动，负载在0.3s时变为2Nm。从图5电机的转速响应波形看出电机转速响应快速，在0.1s时到达给定转速，转速曲线平滑超调量小，且当遇到负载扰动时，转速能较快恢复到给定转速。从图6永磁同步电机转矩响应波形看出，永磁同步电机的转矩波动较小，系统性能良好。图7和图8是基于转矩环自抗扰技术的永磁同步电机直接转矩控制系统带负载2Nm，在转速200r/min突加为2000r/min运行的响应波形。如图7和图8所示，电机带负载在较低和较高转速情况下都能稳定运行，没有明显转速的波动，转矩波动小，系统性能良好。
本说明书中所描述的只是本发明的优选具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在如权利要求所界定的本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤A、计算给定转矩和反馈转矩Te；
步骤B、以给定转矩和反馈转矩Te信号之差为输入，定子磁链角度变化量Δθs为输出，设定转矩环自抗扰控制器；
步骤C、由定子磁链角度变化量，计算输出电压矢量，并由空间矢量调制模块输出PWM控制信号；
其中，步骤B包括，步骤B-1、获得以实际转矩为变量的一阶系统方程；
步骤B-2、设定转矩环自抗扰控制器的一阶非线性微分器(ND)，二阶扩张状态观测器(ESO)和一阶非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)；
以实际转矩为变量的一阶系统方程为，
其中，ω为转子电角速度，δ为负载角，Ts为控制周期，Δθs为定子磁链角度的变化，kT为比例系数。
2.如权利要求1所述的基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：
步骤A中、由转速环计算获得给定转矩
利用光电编码器采样永磁同步电机的位置信号并求得电机转速反馈信号ωr；根据转速给定信号与转速反馈信号ωr之差，通过转速环控制器产生转矩给定信号
3.如权利要求1所述的基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：
步骤A中、采样逆变器直流电压和电机三相定子电流，计算获得电机的反馈转矩Te；
利用电压传感器采样直流电压信号，并通过开关状态重构得到三相静止坐标系上的电压量ua、ub、uc，利用电流传感器采样三相静止坐标系上的电流信号ia、ib、ic并滤波，通过CLARKE坐标变换得到在两相静止坐标系上的电压分量usα、usβ和电流分量isα、isβ，由永磁同步电机的电压方程求取在两相静止α-β坐标系上定子磁链分量ψsα、ψsβ，进一步由两相静止坐标系上的电流分量isα、isβ和磁链分量ψsα、ψsβ求得永磁同步电机的反馈转矩Te。
4.如权利要求1所述的基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：
以转矩参考信号作为一阶非线性微分器(ND)的输入信号，一阶非线性微分器(ND)的输出为转矩信号的跟踪值，设定一阶非线性微分器(ND)，
其中，为非线性函数：
5.如权利要求1所述的基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：
二阶扩张状态观测器(ESO)用来对系统的状态变量以及未知干扰项进行观测，设定二阶扩张状态观测器(ESO)，
其中，为非线性函数：
6.如权利要求1所述的基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：
一阶非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)的输出为最终控制量Δθs，设定一阶非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)为：
其中，为非线性函数：
7.如权利要求1所述的基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：
其中，转矩环自抗扰控制器输出定子磁链角度的变化量Δθs，定子磁链给定幅值保持不变，可以求取定子磁链在两相静止坐标系上的变化量，
由定子磁链的变化量可以求出所需的电压矢量分量为：
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