CN110086393A - 一种永磁同步电机（pmsm）转速脉动和转矩脉动抑制系统 - Google Patents

一种永磁同步电机（pmsm）转速脉动和转矩脉动抑制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机(PMSM)转速脉动和转矩脉动抑制系统，属于电机控制技术领域，该系统包括速度迭代学习控制器、速度PI控制器、负载、电机、转矩迭代学习控制器和电流PI控制器，速度迭代学习控制器接收给定速度信号和电机输出速度信号的差值速度信号，经过误差反馈补偿误差的迭代学习控制运算，输出速度误差补偿信号传递给速度PI控制器；负载输出的转矩信号与电机输出的转矩信号的差值信号传递给转矩迭代学习控制器，转矩迭代学习控制器经过误差反馈补偿误差的迭代学习控制运算，输出电流误差补偿信号传递给电流PI控制器，在具体调节参数时，可对其中一个迭代学习控制器进行参数调节至最优抑制效果，然后再对其他进行参数调节实现永磁同步电机对转速脉动和转矩脉动的抑制。

Description

一种永磁同步电机(PMSM)转速脉动和转矩脉动抑制系统
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机(PMSM)转速脉动和转矩脉动抑制系统。
背景技术
永磁同步电动机(PMSM)具有功率密度高、可控性好、驱动系统简单、结构简单等优点，广泛应用于机器人、机床等高性能工业伺服应用领域。在工业伺服控制系统中的应用。然而，永磁同步电机由于气隙附近的非正弦磁通密度分布、齿槽转矩等引起的周期性转速脉动和转矩脉动严重限制了伺服系统的性能，特别是在高精度跟踪的应用中。此外，振荡还会产生机械振动从而导致噪音。
针对以上原因引起的问题，相应的解决技术可分为两大类：一种是注重电机设计的改进，如斜槽或斜磁铁、改善绕组分布、每极每相槽数等。另一种是注重利用定子电流的主动控制。迭代学习控制是一种主动控制方法，其具有学习能力，并且不需要知道永磁同步电机的准确参数。迭代学习控制通过存储上一个迭代周期的数据，将其补偿到下一个迭代周期中。正是由于转矩脉动的周期性，迭代学习控制是周期性转速脉动和转矩脉动最小化的理想选择。
发明内容
针对现有技术中使用速度迭代学习控制器对转速脉动进行抑制或使用转矩学习控制器对转矩脉动进行抑制，没有同时对转速脉动进行抑制和转矩脉动进行抑制的问题；本发明公开了一种永磁同步电机(PMSM)转速脉动和转矩脉动抑制系统，包括：
接收给定速度信号和电机输出速度信号的差值速度信号的速度迭代学习控制器，所述速度迭代学习控制器经过误差反馈补偿误差的迭代学习控制运算、输出速度误差补偿信号；
接收所述所述速度迭代学习控制器传送的速度误差补偿信号的速度PI控制器，所述速度PI控制器经过速度PI参数调整、输出电流给定信号；
接收负载的转矩信号和电机输出的转矩信号的差值信号的转矩迭代学习控制器，所述转矩迭代学习控制器经过误差反馈补偿误差的迭代学习控制运算、输出电流误差补偿信号；
接收所述转矩迭代学习控制器传送的电流误差补偿信号以及所述速度PI控制器传送的电流给定信号和电机输出的电流信号的电流PI控制器，所述电流PI控制器经过电流PI参数调整、输出电压信号，该电压信号经过dq旋转坐标系至αβ静止坐标系的变换，再经过SVPWM算法输出PWM波信号至电机。
进一步地：所述误差反馈补偿误差的迭代学习控制运算的数学模型如下：
Δej(k)＝α(Δej-1(k)+β*ej-1(k)) (1)
其中，j表示第j次迭代循环，k表示一个迭代循环的第k次采样值，e表示速度误差或转矩误差，Δe表示期望速度误差或期望电流误差的补偿值，α为滤波系数，β为学习率。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种永磁同步电机(PMSM)转速脉动和转矩脉动抑制系统，采用转速迭代学习控制器和转矩的迭代学习控制器分别对转速脉动和转矩脉动进行控制，在具体进行调节参数时，可首先对转速迭代学习控制器进行参数调节至最优抑制效果，然后再对转矩迭代学习控制的参数进行调节即可或者首先对转距迭代学习控制器进行参数调节至最优抑制效果，然后再对转速迭代学习控制的参数进行调节即可，该抑制系统参数调节简单方便，实现了同时对转速脉动的抑制和转矩脉动的抑制，并且抑制效果明显。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为不使用本发明的速度脉动仿真结果图；
图3为本发明的速度脉动仿真结果图；
图4为不使用本发明的转矩脉动仿真结果图；
图5为本发明的转矩脉动仿真结果图。
图中：1、速度迭代学习控制器，2、速度PI控制器，3、负载，4、电机，5、转矩迭代学习控制器，6、电流PI控制器。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1所示的一种永磁同步电机(PMSM)转速脉动和转矩脉动抑制系统，包括速度迭代学习控制器1、速度PI控制器2、负载3、电机4、转矩迭代学习控制器5和电流PI控制器6；
所述速度迭代学习控制器1接收给定速度信号和电机4输出速度信号的差值速度信号，经过误差反馈补偿误差的迭代学习控制运算，输出速度误差补偿信号传递给速度PI控制器2；
所述速度PI控制器2接收所述速度迭代学习控制器1传递的速度误差补偿信号，经过速度PI参数调整，输出电流给定信号至所述电流PI控制器6；
所述负载3的转矩信号与所述电机4输出的转矩信号的差值信号传递给所述转矩迭代学习控制器5，所述转矩迭代学习控制器5经过误差反馈补偿误差的迭代学习控制运算，输出电流误差补偿信号传递给所述电流PI控制器6；
所述电流PI控制器6接收所述矩迭代学习控制器5输出的电流误差补偿信号、所述速度PI控制器2输出的电流给定信号和所述电机4输出的电流信号，所述电流PI控制器6经过电流PI参数调整，输出电压信号；该电压信号经过dq旋转坐标系至αβ静止坐标系的变换，然后再经过SVPWM算法输出PWM波信号至所述电机4。
因为，永磁同步电机中电流和电磁转矩的对应关系如下：
其中，Te是电磁转矩，p是永磁同步电机的极对数，分别是d、q轴定子磁链，id、iq分别是d、q轴定子电流，Td是由齿槽转矩、电流谐波等引起的转矩脉动的总和。
等式(1)表明，定子电流和电磁转矩有明确的对应关系，并且因为转矩误差并不会参与到后续的反馈闭环控制环节中，所以可将转矩误差补偿至电流误差控制中，从而使转矩脉动得到抑制。
进一步地，所述误差反馈补偿误差的迭代学习控制的数学模型如下：
Δej(k)＝α(Δej-1(k)+β*ej-1(k)) (2)
其中，j表示第j次迭代循环，k表示一个迭代循环的第k次采样值，e表示速度误差或转矩误差，Δe表示期望速度误差或期望电流误差的补偿值，α为滤波系数，β为学习率。
进一步地，引起转速脉动和转矩脉动的位置主要在电流逆变器处产生的电流谐波、PMSM定子齿槽的齿槽转矩等引起的周期性转速脉动和转矩脉动，其最终可以等效为外部输入的周期转矩扰动引起转速脉动和转矩脉动。
该系统了构建电流内环和转速外环的双闭环系统，调节速度PI控制器2和电流PI控制器6的参数，保证转速和转矩的稳定输出。
该系统可以稳定输出的转速和转矩由于周期性转矩脉动的原因在于转速和转矩的输出亦呈周期脉动形式。故如上所述，引出转速误差信号经速度迭代学习控制器1再反馈回转速误差位置，保持以上PI控制器的参数不变，调节速度迭代学习控制器1参数(α1、β1的调节范围在0～1内)使得在只有调节速度迭代学习控制器1的抑制效果达到最优；引出转矩误差信号经转矩迭代学习控制器反馈至电流误差位置，保持以上参数不变，调节转矩迭代学习控制器参数(α2、β2调节范围在0～1内)使得最终的抑制效果达到最优。
图2为不使用本发明的速度脉动仿真结果图；不加转速迭代学习控制器和转矩的迭代学习控制器的系统对转速误差的抑制为60rmp；
图3为本发明的速度脉动仿真结果图；本发明的转速脉动和转矩脉动抑制系统对转速误差的抑制为30rmp；将转速误差降低到50％左右；
图4为不使用本发明的方法的转矩脉动仿真结果图；不加转速迭代学习控制器和转矩的迭代学习控制器的系统对转距误差的抑制为11.5Nm；
图5为本发明的转矩脉动仿真结果图，本发明的转速脉动和转矩脉动抑制系统对转距误差的抑制为9Nm；将转距误差降低了20％左右；
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种永磁同步电机(PMSM)转速脉动和转矩脉动抑制系统，其特征在于包括：
接收给定速度信号和电机输出速度信号的差值速度信号的速度迭代学习控制器(1)，所述速度迭代学习控制器(1)经过误差反馈补偿误差的迭代学习控制运算、输出速度误差补偿信号；
接收所述所述速度迭代学习控制器(1)传送的速度误差补偿信号的速度PI控制器(2)，所述速度PI控制器(2)经过速度PI参数调整、输出电流给定信号；
接收负载(3)转矩信号和电机(4)输出的转矩信号的差值信号的转矩迭代学习控制器(5)，所述转矩迭代学习控制器(5)经过误差反馈补偿误差的迭代学习控制运算、输出电流误差补偿信号；
接收所述矩迭代学习控制器(5)传送的电流误差补偿信号以及所述速度PI控制器(2)传送的电流给定信号和电机(4)输出的电流信号的电流PI控制器(6)，所述电流PI控制器(6)经过电流PI参数调整、输出电压信号，该电压信号经过dq旋转坐标系至αβ静止坐标系的变换，再经过SVPWM算法输出PWM波信号至电机(4)。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机(PMSM)转速脉动和转矩脉动抑制系统，其特征在于：所述误差反馈补偿误差的迭代学习控制运算的数学模型如下：
Δej(k)＝α(Δej-1(k)+β*ej-1(k)) (1)
其中，j表示第j次迭代循环，k表示一个迭代循环的第k次采样值，e表示速度误差或转矩误差，Δe表示期望速度误差或期望电流误差的补偿值，α为滤波系数，β为学习率。
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