CN108429501B - 一种永磁同步电机负载扰动的观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机负载扰动的观测方法。利用永磁同步电机模型中负载‑转速输入输出数学模型，提出一种新型扰动观测理论应用于永磁同步电机的控制设计。在永磁同步电机控制系统中，输出物理量是电机的转速ω_r，根据永磁同步电机数学模型，消去中间变量永磁同步电机在q轴上的电流分量i_q，可以得到转速ω_r与负载转矩T_L的二阶微分表达式。利用转速ω_r与负载转矩T_L的二阶微分表达式，构建一个结构与其相同的辅助系统，其输出为Z，输入为h，且h为ω_r与Z误差的K倍。该新型扰动观测方法中，负载扰动的估计值

是h与永磁同步电机在q轴上的电压U_q差值的q倍，其中q值为电机转矩系数和电机定子电阻比值的负数，从而共同构建了永磁同步电机控制系统的新型负载扰动观测器。

Description

一种永磁同步电机负载扰动的观测方法

技术领域

本发明涉及电机调速控制技术领域，主要涉及一种永磁同步电机的负载扰动观测和处理的新方法。

背景技术

目前，在对永磁同步电机的实际工业应用控制系统中，各种先进的控制算法已经被广泛应用，永磁同步电机的控制性能得到显著的提高。然而在实际工况下，负荷往往具有较大波动，传统控制器无法较好的抑制，影响了电机输出转速的稳定性。针对此类问题，可以利用先进的控制理论设计有别于传统PI控制器的新型控制器，然而先进的控制器算法复杂，工业可靠性还有待商榷。

在实际的控制系统中，为削弱负载扰动的影响，引入扰动观测器进行扰动观测及补偿往往是较为常用的方法，而传统状态观测器一般需要状态量为条件，才能得到观测量。本发明拟采用新型扰动观测技术对负载扰动进行观测，并对实际转矩电流进行补偿，从而达到抑制负载扰动的目的。该新型扰动观测器只需要系统输出量即可，不需要系统其他状态信息，即基于单输入-单输出系统而得到，原理简单，易于实现。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种基于输入-输出模型的新型扰动观测器的永磁同步电机负载扰动补偿控制方法，该方法通过构造一类只需要输出物理量的新型扰动观测器来估算永磁同步电机的负载扰动量。为进一步提高其反馈效果，在此基础上又添加了IIR型低通滤波器，使反馈的扰动波形更加逼近真实的负载扰动，再通过引入电流前馈补偿，和传统反馈控制共同削弱负载扰动对转速波动的影响，从而实现对永磁同步电机控制系统性能的提高。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种永磁同步电机负载扰动的观测方法，包括如下步骤：

步骤1：建立永磁同步电机在采用i_d等于0的控制策略时，电机负载扰动到转速变量之间的输入输出数学模型；

步骤2：基于步骤1中的输入输出模型，构造该输入输出模型的辅助系统，并确定该辅助系统的输入和输出；

步骤3：基于步骤2中的辅助系统和步骤1中的输入输出模型确定扰动观测值；

步骤4：由电机具体参数确立相应的负载扰动观测器的数学表达式，并结合状态反馈形成控制闭环。

进一步，所述步骤1的实现包括：

步骤1.1：建立永磁同步电机在d-q坐标系下的数学模型为：

其中，U_q为电机在q轴上的电压分量，U_d为电机在d轴上电压分量，i_q为电机定子电流在q轴上的电流分量，i_d为电机定子电流在d轴上的电流分量，R为定子电阻，T_L为负载转矩，J为转动惯量，ω_r为电机机械角速度，B为摩擦系数，L_s为电机定子电感，

为电机的磁链，P_n为电机的极对数；

步骤1.2：对于永磁同步电机，采用i_d等于0的控制策略，将电机在d-q坐标系下的数学模型简化为:

进一步，所述步骤2的实现包括：

步骤2.1：由步骤1.2的公式求得电机定子电流在q轴上的电流分量i_q的表达式为

其中K_t为电机转矩系数，

步骤2.2：由步骤2.1的式子求得电流i_q的导数为：

步骤2.3：将步骤2.1、步骤2.2的公式联合步骤1.2式子可以得到

步骤2.4：由步骤2.3的公式变换得到：

步骤2.5：针对步骤2.4的公式，令

得到：

步骤2.6：为了估算负载扰动T_L，构建如下的负载扰动观测：

步骤2.7：令h＝K(ω_r-Z)，动态Z有如下约束方程：

即为建立的新型扰动观测器的辅助系统，该辅助系统的输出为Z，输入为h，K为新型扰动观测器的增益，K_t为电机的转矩系数，Z为新型扰动观测器观测到的转速。

进一步，所述步骤3中所述扰动的观测值

表达式为：

进一步，所述步骤4的具体实现包括：

根据所述扰动的观测值

表达式求得

后，结合转速环输出量u₁，向电流环控制器反馈

所对应的电机q轴的电流增量Δi_q，形成控制闭环的复合控制量u₁+Δi_q。

进一步，所述

对应的电机q轴的电流增量Δi_q的表达式为：

进一步，所述永磁同步电机为表贴式永磁同步电机。

进一步，所述步骤3中观测出扰动值后，还使用IIR数字滤波器适当处理。

进一步，所述K值范围在10-100之间。

本发明的有益效果：

(1)传统状态观测器理论比较成熟，算法也比较简单，但其在控制精度上有一定保守性，该新型扰动观测器精度调节方便，只需要调节增益K,就可以调节其观测性能。

(2)和传统状态观测器一样，该新型扰动观测器适用范围广泛，且该新型扰动观测器不像状态观测器那样需要状态量，该新型扰动观测器的构造基于单输入-单输出系统，只需要输出量即可，不需要其它的状态变量。

(3)本发明方法原理简单，易于实现，具有较强的抗负载能力，提高了系统性能，实现了较好的控制效果。

附图说明

图1为本发明提出的观测方法的原理示意图；

图2为本发明系统的新型观测器原理实际应用图；

图3为负载扰动为正弦波的观测图形；

图4为负载扰动为方波的观测图形；

图5为电机转速仿真波形对比图形；

图6为永磁同步电机控制原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

结合图1的观测方法的原理示意图，本发明提出了一种永磁同步电机负载扰动的观测方法，所述方法的实现过程包括以下步骤：

步骤1、建立表贴式永磁同步电机在采用i_d等于0的控制策略时，电机负载扰动到转速变量之间的输入输出数学模型；

步骤2、基于步骤1中的输入输出模型，构造该输入输出模型的辅助系统，并确定该辅助系统的输入和输出；

步骤3、基于步骤2中的辅助系统和步骤1中的输入输出模型确定扰动的观测值；

步骤4、由电机具体参数确立相应的负载扰动观测器的数学表达式，并结合状态反馈形成控制闭环。

进一步地，步骤1的实现包括：

步骤1.1、建立表贴式永磁同步电机在d-q坐标系下的数学模型为：

其中，U_q为电机在q轴上的电压分量，U_d为电机在d轴上电压分量，i_q为电机定子电流在q轴上的电流分量，i_d为电机定子电流在d轴上的电流分量，R为定子电阻，T_L为负载转矩，J为转动惯量，ω_r为电机机械角速度，B为摩擦系数，L_s为电机定子电感，

为电机的磁链，P_n为电机的极对数。

步骤1.2、对于表贴式永磁同步电机，采用i_d等于0的控制策略，将电机在d-q坐标系下的数学模型简化为:

进一步地，由该式可以求得

其中K_t为电机转矩系数，

由该式可以求得电流i_q的导数为：

将具体实施方式步骤1.2中的以上公式联立可以得到：

进一步计算得到

通过移项可以得到

通过令

得到

进一步地有h＝K(ω_r-Z)，且动态Z有如下约束方程

通过该公式，即可建立步骤2中该新型扰动观测器的辅助系统。

为了估算负载扰动T_L，构建如下的负载扰动观测：

通过该公式，利用以上推导，可以实现对采取i_d＝0为控制策略的永磁同步电机调速系统中的负载扰动观测。

进一步，负载扰动观测值除以电机转矩系数得

Δi_q为永磁同步电机在q轴上的电流增量，利用该公式即可求得要补偿的q轴电流值,将其反馈给电流环控制器，形成闭环控制，削弱负载扰动对转速波动的影响，其原理框图如附图6所示。

实施例

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，将对照永磁同步电机的一组具体参数和其在MATLAB软件中的仿真结果具体说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述的仅仅是针对的一个具体电机，对于本领域技术人员来讲，如果使用该方法进行扰动观测，还应针对具体应用的永磁同步电机的参数进行分析运算。

仿真和实验采用的电机参数如表1所示：

表1电机参数表

本发明实施例的方法包括如下步骤：

步骤1、根据上面表1给的某电机具体参数，在此基础上确立采用i_d等于0控制策略的电机数学模型为：

步骤2、确立应用在该具体电机上的新型扰动观测器的辅助系统：

进一步地，结合公式：

计算以下参数值：

因此公式可以写成：

利用该公式，即可构建该新型扰动观测器的辅助系统，Z为输出，h为输入。

步骤3、计算负载扰动观测值：

进一步地，结合公式：

计算以下参数值：

因此公式

可以写成：

推导相结合，即可构建该新型扰动观测器。附图中的图2为该电机参数下，在实际应用和仿真中搭建的该新型扰动观测器的原理框图。

步骤4、为让扰动观测波形更加逼近真实的负载扰动波形，可采用合适的方法对观测到的扰动波形进行适当处理，通过仿真波形研究该新型扰动观测器的扰动观测效果：

进一步地，为保证观测的扰动波形更接近真实的扰动负载波形，可选用恰当的滤波器对观测的负载扰动波形进行处理。仿真时利用MATLAB软件中的FDA Tool工具箱设计需要的滤波器，对观测到的负载扰动波形进行处理，仿真验证观测的扰动波形效果。其中，IIR数字滤波器因具有结构简单、占用存储空间少、运算速度快、较高的计算精度,能够用较低的阶数来实现较好的选频特性等特点，应用广泛。因此本设计发明采用了IIR数字滤波器和巴特沃兹滤波算法设计了用于MATLAB仿真的低通滤波器，应当注意的是，其输入信号必须经过零阶保持器离散化后才能正常运行。MATLAB软件中的FDA Tool工具箱参数设计如下：Response Type设计为Lowpass(低通)、Design Method设计为Butterworth(巴特沃兹)、Filter order设计为2阶等。

引入电流补偿后，通过仿真对比，验证该新型扰动观测器的观测效果以及其对转速波动的影响：新型扰动观测器的增益经过仿真后发现K值越大，其扰动观测的精度越高，估计的扰动越接近真实的负载扰动，但其带来的抖振也越大，选取10—100这个范围的数值较为合理，本仿真选择的增益K值为10和100。

假定给定一个幅值为10的正弦波扰动，其中增益K选择10，观测的波形如附图中的图3所示，该图为仿真观测到的正弦波扰动波形。假定给定一个幅值为2的方波负载，其中增益K选择100，观测的波形如附图中的图4所示，该图为仿真观测到的方波负载扰动波形。

进一步地，观测出负载扰动，且引入电流补偿后，通过附图5可以发现，当电机控制系统存在负载扰动时，电机的转速波动调节时间缩短，系统调节速度加快，三相永磁同步电机控制系统的抗干扰性能得到了显著提高。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种永磁同步电机负载扰动的观测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立永磁同步电机在采用i_d等于0的控制策略时，电机负载扰动到转速变量之间的输入输出数学模型；

步骤2：基于步骤1中的输入输出模型，构造该输入输出模型的辅助系统，并确定该辅助系统的输入和输出；

步骤3：基于步骤2中的辅助系统和步骤1中的输入输出模型确定扰动观测值；

步骤4：由电机具体参数确立相应的负载扰动观测器的数学表达式，并结合状态反馈形成控制闭环；

所述步骤1的实现包括：

步骤1.1：建立永磁同步电机在d-q坐标系下的数学模型为：

其中，U_q为电机在q轴上的电压分量，U_d为电机在d轴上电压分量，i_q为电机定子电流在q轴上的电流分量，i_d为电机定子电流在d轴上的电流分量，R为定子电阻，T_L为负载转矩，J为转动惯量，ω_r为电机机械角速度，B为摩擦系数，L_s为电机定子电感，

为电机的磁链，P_n为电机的极对数；

步骤1.2：对于永磁同步电机，采用i_d等于0的控制策略，将电机在d-q坐标系下的数学模型简化为:

所述步骤2的实现包括：

步骤2.1：由步骤1.2的公式求得电机定子电流在q轴上的电流分量i_q的表达式为：

其中K_t为电机转矩系数，

步骤2.2：由步骤2.1的式子求得电流i_q的导数为：

步骤2.3：将步骤2.1、步骤2.2的公式联合步骤1.2式子可以得到：

步骤2.4：由步骤2.3的公式变换得到：

步骤2.5：针对步骤2.4的公式，令

得到：

步骤2.6：为了估算负载转矩T_L，构建如下的负载转矩扰动观测：

步骤2.7：令h＝K(ω_r-Z)，动态Z有如下约束方程：

即为建立的新型扰动观测器的辅助系统，该辅助系统的输出为Z，输入为h，K为新型扰动观测器的增益，K_t为电机的转矩系数，Z为新型扰动观测器观测到的转速；

所述步骤3中所述负载转矩扰动的观测值

表达式为：

所述步骤4的具体实现包括：

根据所述负载转矩扰动的观测值

表达式求得

后，结合状态反馈量u₁，向电流环控制器反馈

所对应的电机q轴的电流增量Δi_q，形成控制闭环的复合控制量u₁+Δi_q；

所述

对应的电机q轴的电流增量Δi_q的表达式为：

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机负载扰动的观测方法，其特征在于，所述永磁同步电机为表贴式永磁同步电机。

3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机负载扰动的观测方法，其特征在于，所述步骤3中得到扰动观测值时还使用IIR数字滤波器进行处理。

4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机负载扰动的观测方法，其特征在于，所述K值范围在10-100之间。

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