CN108880370A - 改进永磁同步电机控制性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改进永磁同步电机控制性能的方法，包括步骤：S1：向一改进的负载转矩观测器输入当前转矩电流和当前机械转速，获得补偿机械转速和负载转矩；S2：将所述补偿机械转速和所述负载转矩输入一改进的积分滑膜控制器，对转矩电流进行补偿获得补偿后的转矩电流。本发明的一种改进永磁同步电机控制性能的方法，可节约系统成本，增加系统的稳定性，同时提高了系统的响应速度和抗扰动性，减小了系统的抖振。

Description

改进永磁同步电机控制性能的方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种改进永磁同步电机控制性能的方法。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)具有体积小、功率密度大等优点，因此被广泛应用，永磁同步电机对高速、高精密运动控制领域有着重要的意义。常规的PID控制虽然在线性控制中有较好的控制下效果，但永磁同步电机是一个强耦合、非线性的系统，因此很难满足伺服系统的控制要求。目前，国内外学者提出了许多智能控制方法来提高PMSM的控制性能。其中观测器法、模糊控制、自适应控制、滑模控制法都取得了较好的控制效果，但永磁同步电机控制性能仍然有进一步改进的空间。

具体的，对于观测器法，其通过对负载扰动进行实时观测，并将观测值输至控制器中，从而对转矩电流进行补偿，提高了系统响应速度，但该方法对系统参数具有较强依赖性。而如果将负载观测器与滑模控制相结合，可提高系统的响应速度与抗扰性，但该观测器具有响应速度较慢的问题。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种改进永磁同步电机控制性能的方法，可节约系统成本，增加系统的稳定性，同时提高了系统的响应速度和抗扰动性，减小了系统的抖振。

为了实现上述目的，本发明提供一种改进永磁同步电机控制性能的方法，包括步骤：

S1：向一改进的负载转矩观测器输入当前转矩电流和当前机械转速，获得补偿机械转速和负载转矩；

S2：将所述补偿机械转速和所述负载转矩输入一改进的积分滑膜控制器，对转矩电流进行补偿获得补偿后的转矩电流。

优选地，所述改进的负载转矩观测器的表达式包括：

其中，ω_m表示机械转速，T_l表示负载转矩，J表示转动惯量，b表示阻尼系数，T_e表示电磁转矩；α、β表示期望的极点。

优选地，所述改进的积分滑膜控制器的表达式为：

s＝c∫edt+e＝cx₁+x₂ (6)；

其中，i_q表示补充后的转矩电流，N_p表示电机极对数，λ表示永磁转子磁链，a第一变速趋近项系数，ε表示第二变速趋近项系数，e表示机械转速误差；c表示积分滑模系数，ρ表示Y(s)函数作用范围最大正值，δ表示Y(s)函数的坡度因子，k表示指数趋近项系数。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

为了减小负载扰动对电机转速的影响，采用了改进的负载转矩观测器，对转矩电流进行补偿，避免了负载转矩的直接测量，减少了系统成本。在永磁同步电机矢量控制的基础上，采用积分滑模控制器代替了传统转速环的PI控制器。同时采用改进的指数滑模趋近律，用Y(s)代替传统的符号函数sign(s)，提高了系统的响应速度和抗扰动性，减小了系统的抖振。

附图说明

图1为本发明实施例的改进永磁同步电机控制性能的方法的流程图；

图2为本发明实施例的改进的负载转矩观测器的结构示意图；

图3为本发明实施例的Y(s)、sat(s)和sign(s)开关函数的对比图；

图4为本发明实施例的永磁同步电机的控制模型结构示意图；

图5为本发明实施例的负载转矩跟踪图；

图6为本发明实施例的在仿真时间0.3s内的转速波形图；

图7为本发明实施例的电机启动时的转速波形局部放大图；

图8为本发明实施例的仿真时间0.2s时的转速波形局部放大图。

具体实施方式

下面根据附图1～图8，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

请参阅图1和图2，本发明实施的一种改进永磁同步电机控制性能的方法，包括步骤：

S1：向一改进的负载转矩观测器输入当前转矩电流和当前机械转速，获得补偿机械转速和负载转矩；

其中，改进的负载转矩观测器的表达式包括：

其中，ω_m表示机械转速，T_l表示负载转矩，J表示转动惯量，b表示阻尼系数，T_e表示电磁转矩；α、β表示期望的极点。

本实施例中，为了减小负载扰动对电机转速的影响，采用了改进的负载转矩观测器，对转矩电流进行补偿，避免了负载转矩的直接测量，减少了系统成本。

S2：将补偿机械转速和负载转矩输入一改进的积分滑膜控制器，对转矩电流进行补偿获得补偿后的转矩电流。

其中，改进的积分滑膜控制器的表达式为：

s＝c∫edt+e＝cx₁+x₂ (6)；

其中，i_q表示补充后的转矩电流，N_p表示电机极对数，λ表示永磁转子磁链，a第一变速趋近项系数，ε表示第二变速趋近项系数，e表示机械转速误差；c表示积分滑模系数，ρ表示Y(s)函数作用范围最大正值，δ表示Y(s)函数的坡度因子，k表示指数趋近项系数。

本实施例中，在永磁同步电机矢量控制的基础上，采用积分滑模控制器代替了传统转速环的PI控制器。同时采用改进的指数滑模趋近律，用Y(s)代替传统的符号函数sign(s)，提高了系统的响应速度和抗扰动性，减小了系统的抖振。

关于负载转矩观测器的改进原理如下：

设系统状态方程为：

其中： C＝[1 0]，x＝[ω_m T_l]^T，y＝ω_m

传统龙伯格负载转矩是以积分的形式被观测的，因而收敛速度较慢。故为提高负载转矩的观测速度，在观测器中引入状态反馈误差的微分项，如式(11)所示：A、B、C是系统状态方程矩阵；

其中是状态变量的估计值，K₁＝[k₁ k₂]^T，K₂＝[k₃ k₄]^T；其中，K1表示状态反馈矩阵，K2表示引入微分项的状态反馈矩阵，k1～k4分别表示矩阵K1、K2的四个反馈系数；

由式(10)、(11)可得：

I表示单位矩阵；

其中为状态变量的误差，观测器的特征方程根为：

根据期望的极点α、β，假设b＝0，且k1＝k3＝0，则：

将k1、k2、k3、k4带入式(11)可得：

由式(1)可得如图2所示的改进的负载转矩观测器的结构图。由图1可看出，负载转矩与改进前相比，增加了比例环节。因此，可以更加快速地跟踪负载扰动，增加了负载转矩观测器的快速响应性与准确性。

本实施例中，关于积分滑膜控制器的改进原理如下：

(1)滑模面的选取

通常将速度和加速度的误差作为滑模控制的输入，加速度一般由速度的微分得到，而微分会导致噪声信号的放大，从而导致加速度信号误差较大。为了改进滑膜面造成的误差，本实施例采用一种积分滑模面，将速度和速度的积分作为滑模控制器的输入，可减小转速波动对系统造成的影响。

在速度环中，误差为：

其中，为设定转速；ω_m为机械转速；e为机械转速误差。

系统变量为：

通过引入状态变量的积分量，可得积分滑模面为：

s＝c∫edt+e＝cx₁+x₂ (6)

(2)改进的趋近律的求取

将式(6)微分后，可得：

常见指数趋近律的一般形式如式(9)所示

其中：ks是指数趋近项，当s较大时，系统状态能有较大速度趋近滑模面。εsign(s)是等速趋近项，当s趋近于零时，趋近速度为ε。

在指数趋近律的基础上提出一种新型指数趋近律：

其中0<a<1，β＞1，当|s|较大时，变速趋近项趋近速度为ε/a＞ε，可加快滑模趋近运动速度；当|s|较小时，变速趋近项趋近速度为ε/(a+1)<ε，可减弱抖振。且采用Y(s)函数代替sign(s)函数作平滑处理，其中Y(s)函数为：

其中ρ≠0，δ＞0，取ρ＝-5，δ＝1，可得函数曲线如图3所示。

从图3中可看出，当ρ＝-5，δ＝1时，Y(s)函数相对于sat(s)函数更加的平坦，且随着ρ，δ取值的不同，可以有不同的作用效果，可根据实际选取合适的值，以满足工程需求。

由式(8)、(14)并结合电机转动方程

式中，ω_m为PMSM机械转速；J为转动惯量；N_p为电机极对数；b为阻尼系数；T_e为电磁转矩；T_l为负载转矩。

可得：

结合式(16)、(17)可得：

请参阅图4，给出了一种基于本实施例改进永磁同步电机控制性能的方法的励磁电流i_d＝0磁场定向且矢量控制的永磁同步电机的控制模型，其电流环采用了传统的PI控制器，在速度环中采用了积分滑模控制器，同时采用了改进的负载转矩观测器，对转矩电流i_q补偿，避免了硬件测量给系统带来的影响，提高了系统的响应特性。

请参阅图5，可见当永磁同步电机空载启动，在0.2s时给系统一定的负载时，改进的负载观测器能够快速稳定的跟踪负载的变化，且无超调。

图6～图8，给出了永磁同步电机采用积分滑模控制方法后的仿真验证结果。其中，图6示出了在仿真时间0.3s内，永磁同步电机(PMSM)的转速波形图。

图7示出了电机启动时电机转速的局部放大图，在空载启动时无超调，且调节时间短。

图8示出了电机启动0.2s时电机转速的局部放大图，显示系统在受到扰动时，在转矩电流补偿和积分滑模控制下，恢复时间极短只需0.002s，而PI控制恢复转速需要0.02s。且转速下降明显变少，下降转速为31r/min，而PI控制器下降转速为60r/min。本实施例的控制策略能够在扰动情况下，更加快速稳定地使电机达到设定转速。

本发明实施例的一种改进永磁同步电机控制性能的方法，采用观测器代替硬件设备进行转矩观测，在传统负载转矩观测器的基础上，增加了状态反馈误差的微分项，提高了负载转矩观测器的跟踪速度。同时针对永磁同步电机的抗扰动性，采用了积分滑模面的方法，并设计了一种新型的指数趋近律，提高了系统的响应速度，增强了抗扰动性能，且能够有效抑制滑模控制的抖振。

具体地，本发明在永磁同步电机磁场定向的矢量控制的基础上，电流环采用了传统的PI控制器，在速度环中采用了积分滑模控制器代替了传统的PI控制器。同时采用了改进的负载转矩观测器，将负载转矩观测器的输出作为积分滑模控制器的输入，可对转矩电流i_q补偿，既可以避免硬件测量给系统带来的影响，又可以提高系统的响应特性。

在仿真试验中，永磁同步电机空载启动，在短时间时给系统一个定量的负载。改进的负载观测器能够快速稳定的跟踪负载的变化，且无超调。这种软测量技术代替了传统的仪器测量，不仅节约了系统成本，且增加了系统的稳定性。

本发明所提控制策略在空载启动时无超调，且调节时间短。当系统在受到扰动时，本控制策略在转矩电流补偿和积分滑模控制下，恢复时间更短。本控制策略能够在扰动情况下，更加快速稳定地使电机达到设定转速。当转速稳定后，采用新函数Y(s)代替原来的符号函数sign(s)，可以减弱滑模控制固有的抖振问题。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种改进永磁同步电机控制性能的方法，包括步骤：

S1：向一改进的负载转矩观测器输入当前转矩电流和当前机械转速，获得补偿机械转速和负载转矩；

S2：将所述补偿机械转速和所述负载转矩输入一改进的积分滑膜控制器，对转矩电流进行补偿获得补偿后的转矩电流。

2.根据权利要求1所述的改进永磁同步电机控制性能的方法，其特征在于，所述改进的负载转矩观测器的表达式包括：

其中，ω_m表示机械转速，T_l表示负载转矩，J表示转动惯量，b表示阻尼系数，T_e表示电磁转矩；d、β表示期望的极点。

3.根据权利要求2所述的改进永磁同步电机控制性能的方法，其特征在于，所述改进的积分滑膜控制器的表达式为：

s＝c∫edt+e＝cx₁+x₂ (6)；

其中，i_q表示补充后的转矩电流，N_p表示电机极对数，λ表示永磁转子磁链，a第一变速趋近项系数，ε表示第二变速趋近项系数，e表示机械转速误差；c表示积分滑模系数，ρ表示Y(s)函数作用范围最大正值，δ表示Y(s)函数的坡度因子，k表示指数趋近项系数。