CN112039391A - 高压断路器电机驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压断路器电机驱动控制系统，驱动电机为永磁同步电机，电机速度采用滑模控制方式，负载转矩观测器的反馈增益依据负载转矩给定值和负载转矩观测值的变化量进行自动调整，能在系统速度改变，或者是参数发生变化，负载发生扰动，导致负载转矩给定值发生变化或/和负载转矩观测值发生变化时，快速降低负载转矩的观测误差并将负载转矩观测值前馈补偿至电流调节器的给定值中，有效的削弱了系统的抖振，且动态响应速度快，鲁棒性高，提高了电机速度的控制精度。

Description

高压断路器电机驱动控制系统

技术领域

本发明涉及永磁同步电机技术领域，更具体地，尤其是涉及一种高压断路器电机驱动控制系统。

背景技术

高压断路器目前比较常用的操动机构主要有电磁操动机构、弹簧操动机构、气动操动机构和液压操动机构等。永磁同步电机具有效率高、扭矩大、转速性能好等优点，被广泛应用在制造、电动汽车、工业生产等领域中，采用永磁同步电动机直接驱动断路器进行操作，为用不同速度特性操作断路器的分合闸操作提供了条件。永磁同步电机采用PI控制器不能满足高动态响应的要求，采用滑模控制方法则在发生负载扰动或内部参数摄动时，会使电机速度产生明显的抖振。

发明内容

本发明的目的是针对高压断路器分合闸操作动态响应要求高的特点，提供一种将观测的负载转矩前馈补偿至电流调节器中，提高负载转矩观测响应速度并减少转矩观测波动性的高压断路器电机驱动控制系统。电机驱动控制系统包括：滑模速度控制器、负载转矩观测器、q轴电流控制器、d轴电流控制器、Clarke变换模块、位置与速度检测模块、Park变换模块、Park逆变换模块、SVPWM模块和三相逆变器。

滑模速度控制器的状态变量为

其中，ω是转子角速度，ω^*是给定转子角速度；滑模速度控制器的滑模面为s＝cx₁+x₂，c为滑模面参数，且c＞0。滑模速度控制器输出的负载转矩给定值

和转矩电流给定分量i′_q为

其中，J是转动惯量，p是电机极对数，ψ_f是永磁体磁链；系数k₁、k₂、k₃、k₄为速度滑模控制的指数趋近率系数，且k₁＞0，k₂＞0，0＜k₃＜1，k₄＞0。

负载转矩观测器为

其中，

是转子角速度估计值，g是负载转矩观测器的反馈增益且g＜0；W＝k_W·

k_W是负载转矩观测器的比例增益且k_W＜0。

q轴转矩电流给定值

为

负载转矩观测器根据负载转矩给定值和负载转矩观测值的变化对反馈增益进行调整，方法是：

步骤1、负载转矩观测器对负载转矩进行T_L观测，得到负载转矩观测值

滑模速度控制器进行控制运算得到负载转矩给定值

此时的

为

为

至下一次进行反馈增益g调整时，该次

变为

变为

步骤2、计算

步骤3、判断ΔT是否大于ε₂；当ΔT大于ε₂时，取反馈增益g等于g_min并退出；当ΔT小于等于ε₂时，进入步骤4；

步骤4、判断ΔT是否小于ε₁；当ΔT小于ε₁时，取反馈增益g等于g_max并退出；当ΔT大于等于ε₁时，进入步骤5；

步骤5、反馈增益g按照

进行计算；其中，ε₁为转矩变化低限比较阈值，ε₂为转矩变化高限比较阈值，且0＜ε₁＜ε₂；g_max为反馈增益高值，g_min为反馈增益低值，且g_min＜g_max＜0。

滑模速度控制器参数和负载转矩观测器参数均采用狼群算法进行优化整定，方法是：

步骤101，初始化狼群；狼群中各匹狼的初始位置为

其中M为狼群狼匹数量；

步骤102，游猎竞争；计算狼群中各匹狼的适应值，选择位置最优的R₁匹狼为竞选狼；R₁匹竞选狼展开游猎搜索行为，各竞选狼根据适应值大小竞争头狼；

步骤103，召唤奔袭；竞选狼之外的其它狼匹展开奔袭搜索行为，向头狼奔袭；计算第i匹狼新位置的适应值，当第i匹狼搜索到的新位置优于自身的目前位置时，对其位置加以变更，否则保持不变；若第i匹狼搜索到的新位置优于头狼位置，则该第i匹狼转换为头狼并重新发起召唤奔袭；

步骤104，围攻猎物；在头狼的召唤下，其它狼匹对猎物展开围攻；计算第i匹狼新位置的适应值，当第i匹狼围攻过程中搜索到的新位置优于当前位置时，对该匹狼的位置加以变更，否则保持不变；若第i匹狼围攻搜索到的新位置优于头狼位置，则该第i匹狼转换为头狼；

步骤105，终止条件判断；若循环迭代次数达到，则终止优化过程，头狼位置参数为被优化参数向量的最优参数；否则令n＝n+1，转向步骤106；

步骤106，竞争更新；随机产生R₂匹狼代替狼群中R₂匹适应值最差的狼，转向步骤102。

滑模速度控制器参数采用狼群算法进行优化整定时，待优化的参数向量为θ＝[c，k₁，k₂，k₃，k₄]，搜索空间维度N等于5；狼群中各匹狼的适应值为Q₁，按照式

进行计算，其中，e(t)为转子角速度误差瞬时值，t_m为电机转子角速度阶跃响应的过渡过程时间，t＝0为电机阶跃响应的启动时刻；Q₁₁中的第二项γ_m1(1-sgn(e(t)+ω_δ))为角速度超调罚函数，其中γ_m1为一个足够大的正数，ω_δ为转子角速度超调量限值；Q₁₂为稳态抖差罚函数，ω_Δ为转子角速度稳态抖差限值；γ_m2≥2。

负载转矩观测器参数采用狼群算法进行优化整定时，待优化的参数向量为θ₂＝[G_max，G_min，ε₁，ε₂，β]，搜索空间维度N等于5；狼群中各匹狼的适应值为Q₂，按照式

进行计算，其中，

为负载转矩观测误差，e₂(t)为负载转矩观测误差瞬时值，t_p为电机负载转矩观测阶跃响应的跟踪调节时间，t＝0为负载转矩观测阶跃响应的负载突变时刻；Q₂₁中的第二项γ_p1(1-sgn(e₂(t)+T_δ))为转矩观测跟踪超调罚函数，T_δ为转矩观测跟踪超调限值，γ_p1取一个足够大的正数；max(|e₂(t)|)为最大转矩观测稳态抖差绝对值，γ_p2为适应度平衡侧重系数，取大于0的常数；Q₂₂中第二项γ_p1(1-sgn(e₂(t)+T_Δ))为转矩观测稳态抖差罚函数，T_Δ为负载转矩观测稳态抖差限值；γ_p3≥2。g_max、g_min与G_max、G_min的关系为

k_W与β的关系为

其中，T_N是电机负载转矩额定值，β＞0；进一步地，1≤β≤20。

游猎竞争的具体步骤是：

步骤1021，每一匹竞选狼随机选择h₁个方向，根据式

沿着每个方向搜索参数前进一步后再退回；计算前进后的适应值，选出所有方向上的最小适应值，若该最小适应值小于该匹竞选狼原位置的适应值，则将该匹竞选狼原位置替换为该最小适应值所处位置；其中，i＝1，2，…，R₁；j＝1，2，…，N；rand(-1，1)是均匀分布在[-1 1]内的随机数；l＝1，2，…，h₁；stepa是游猎步长；m_i是第i匹竞选狼的位置；

步骤1022，每一匹竞选狼重复h₂次步骤1021；

步骤1023，所有R₁匹竞选狼完成步骤1022后，选择位置最优的竞选狼为头狼。

狼匹展开奔袭搜索行为按照式

m′_ij＝m_ij+rand(-1，1)·stepb·(m_bj-m_ij)

进行；其中，i＝1，2，…，M-R₁；j＝1，2，…，N；m′_i表示第i匹狼搜索更新的位置；m_i表示第i匹狼的当前位置；m_b表示当前的头狼位置；stepb是奔袭步长。

狼匹对猎物展开围攻按照式

进行；其中，i＝1，2，…，M-1；j＝1，2，…，N；

表示第i匹狼的当前位置，

表示第i匹狼的围攻更新位置；m_b表示当前的头狼位置；δ为预先设立的阈值，0＜δ＜1。stepc是围攻步长，按照式

进行计算；其中，n为当前的迭代次数，n_max为设定的最大迭代次数；stepc_max、stepc_min分别为设定的最大围攻步长、最小围攻步长；m_jmax和m_jmin分别为第j维参数取值区间的最大值和最小值。

给定转子角速度ω*为正弦波信号；转子角速度跟踪抖差ω_z为转子角速度ω的抖振幅度，跟踪延迟时间τ为转子角速度ω与给定转子角速度ω*之间的延迟时间。

电机驱动控制系统中永磁同步电机速度控制的过程具体包括以下步骤：

步骤一、检测永磁同步电机的转子位置θ、转子角速度ω和三相电流i_a、i_b和i_c；

步骤二、依据三相电流i_a、i_b和i_c对永磁同步电机进行Clark变换得到在α-β轴坐标系下的电流i_α、i_β，依据电流i_α、i_β和转子位置θ进行Park变换，得到在d-q轴坐标系下的电流i_d、i_q；

步骤三、负载转矩观测器对负载转矩进行观测，得到新的负载转矩观测值

步骤四、滑模速度控制器进行控制计算，得到负载转矩给定值

和转矩电流给定分量i′_q；

步骤五、负载转矩观测器的反馈增益g依据负载转矩给定值T_L ^*和负载转矩观测值

的变化进行调整；

步骤六、依据转矩电流给定分量i′_q和转矩电流补偿分量i″_q计算得到q轴转矩电流给定值i_q ^*；d轴电流控制器依据d轴转矩电流给定值i_d ^*与d轴坐标系下的电流i_d之间的差值进行PI控制运算，得到d轴坐标系下的控制电压U_d；q轴电流控制器依据q轴转矩电流给定值i_q ^*与q轴坐标系下的电流i_q之间的差值进行PI控制运算，得到q轴坐标系下的控制电压U_q；依据d-q轴坐标系下的控制电压U_d、U_q进行Park逆变换，得到α-β轴坐标系下的控制电压U_α、U_β；d轴转矩电流给定值i_d ^*等于0；

步骤七、将α-β轴坐标系下的控制电压U_α、U_β作为SVPWM模块的输入，由SVPWM模块控制三相逆变器产生三相交流电源U_a、U_b、U_c，从而驱动永磁同步电机运转。

上述步骤中，步骤五与步骤三、四的先后顺序可以互换，即可以先进行步骤五，后进行步骤三、四。

本发明的有益效果是，将负载转矩观测值前馈补偿至电流调节器的给定值中，在不需要滑模速度控制器输出的给定电流部分产生较大调整的情况下，就能抵消负载发生扰动或者是系统参数发生变化所造成的相关影响，有效地削弱了系统的抖振。负载转矩观测采用反馈增益依据负载转矩给定值的变化量和负载转矩观测值的变化量进行自动调整的算法，避免了负载转矩观测器选择固定小反馈增益导致转矩观测波动大，选择固定大反馈增益导致收敛时间长的问题，能在系统的控制参数、模型参数等发生变化或者是负载发生扰动，导致负载转矩给定值发生变化或/和负载转矩观测值发生变化时，快速降低负载转矩的观测误差，改善了观测效果和电机速度控制的快速性与精确性。反馈增益g在负载转矩给定值变化时即进行自动调整，能够在负载转矩观测值还没有发生较大变化，但因转子角速度给定值改变或/和转子角速度实际值改变使负载转矩给定值改变，或者是系统模型参数发生变化使负载转矩给定值发生改变，将引起负载转矩观测值有较大波动时，提前调整反馈增益g，当负载转矩观测值真正产生观测误差时，加快观测器的响应速度，快速降低负载转矩观测值的观测误差，并进一步改善电机速度控制的快速性与精确性。

附图说明

图1为高压断路器电机驱动控制系统实施例1框图；

图2为反馈增益自动调整方法实施例1流程图；

图3为高压断路器电机驱动控制系统实施例2框图；

图4为反馈增益自动调整方法实施例2流程图；

图5为给定的转子角速度为正弦波信号和负载转矩信号；

图6为1个正弦波周期的转子角速度信号和转子角速度响应示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

图1为高压断路器电机驱动控制系统实施例1的框图。图1中，Clarke变换模块输入永磁同步电机(即PMSM)的三相电流i_a、i_b和i_c，输出两相静止α-β轴坐标系下的电流i_α、i_β；位置与速度检测模块中的位置传感器检测永磁同步电机的转子位置θ后转换为转子角速度ω输出；Park变换模块输入电流i_α、i_β和转子位置θ，输出旋转d-q轴坐标系下的电流i_d、i_q；滑模速度控制器SMC输入转子给定角速度ω^*和转子角速度ω，输出负载转矩给定值T_L ^*和转矩电流给定分量i′_q；负载转矩观测器输入负载转矩给定值T_L ^*、转子角速度ω和电流i_q，输出转矩电流补偿分量i″_q；转矩电流给定分量i′_q和转矩电流补偿分量i″_q相加后，作为q轴转矩电流给定值i^* _q；q轴电流PI控制器输入q轴转矩电流给定值i^* _q和电流i_d，输出q轴坐标系下的控制电压U_q；d轴电流PI控制器输入q轴转矩电流给定值i^* _d和电流i_d，输出d轴坐标系下的控制电压U_d，d轴转矩电流给定值i^* _d等于0；Park逆变换模块输入d-q轴坐标系下的控制电压U_d、U_q，输出α-β轴坐标系下的控制电压U_α、U_β；SVPWM模块(即空间矢量脉宽调制模块)输入控制电压U_α、U_β，输出脉冲信号至三相逆变器，三相逆变器将直流电压U_dc转换为三相交流电源U_a、U_b、U_c，从而驱动永磁同步电机运转。

忽略铁心涡流与磁滞损耗等影响，采用i_d＝0的PMSM转子磁场定向控制，建立PMSM在d-q轴旋转坐标系下的数学模型，电压方程为：

对于采用i_d＝0控制方式的凸极式PMSM矢量控制系统，电磁转矩方程为：

PMSM运动方程为：

式(1)(2)(3)中，u_d、u_q分别是d-q轴的电压；i_d、i_q分别是d-q轴的电流；L_d、L_q分别是d-q轴的电感；T_e是电磁转矩；T_L是负载转矩；R是定子的电阻；p是电机极对数；ω_e是转子电角速度，即角频率；ω是转子角速度，即电机的转子机械角速度；ψ_f是永磁体磁链；J是转动惯量；B是摩擦系数；t是时间。

令电机的转子角速度误差e＝ω^*-ω，ω^*是电机的给定转子角速度。定义高压断路器电机驱动控制系统实施例1的状态变量为：

由式(2)、(3)、(4)得：

对式(5)进行化简，令D＝1.5pψ_f/J，

可得实施例1系统状态空间方程为：

选择滑模面函数为：

s＝cx₁+x₂ (7)

式(7)中，s为滑模面，c为滑模面参数，且c＞0。式(7)中c为转子角速度误差项的系数，其大小对控制作用的影响主要类似于PID控制中的比例系数，c的取值同时还兼顾平衡转子角速度误差和转子角速度误差变化率，通常情况下，在大于0且小于1000的范围内选取，例如，取c＝60。对式(7)求导可得：

传统指数趋近律的表达式为：

式(9)中，sgn()为符号函数，-k₁sgn(s)为等速趋近项，-k₂s为指数趋近项，k₁、k₂两个系数分别决定滑模面的抖振和趋近过程的运动品质，且k₁、k₂均大于0。为提高系统响应速度，在传统指数趋近率的基础上改进，等速趋近项改变为变速趋近项，改进的趋近律为：

其中k₁＞0，k₂＞0，0＜k₃＜1，k₄＞0。当电机的转子角速度误差绝对值|x₁|较大时，

变速趋近项趋近速度较大，可加快滑模趋近运动速度；当|x₁|较小时，

变速趋近项趋近速度较小，可减弱抖振。k₄取值可以参照永磁同步电机稳定运行时的转子角速度稳态抖差限值，建议取值不大于该稳态抖差限值的倒数值，进一步地，在该稳态抖差限值倒数值的50％至100％的范围内取值；例如，设永磁同步电机转子角速度稳态抖差限值是5rad/s(弧度/秒)，其倒数值等于0.2，则k₄可以在0.1～0.2范围内取值。k₃一般在0.5附近取值，进一步地，k₃一般在0.4至0.6范围内取值。一般地，进行小功率永磁同步电机控制时，系数k₁和系数k₂的取值均小于2000；系数k₂越大，系统状态能以较大速度趋近于滑动模态；系数k₁决定到达切换面的速度，k₁越小则穿越切换面的距离和抖动越小。k₁和k₂分别为变速趋近项系数和指数趋近项系数，由于

的值在1附近变化，因此，式(10)中变速趋近项系数k₁和指数趋近项系数k₂可以按照调整传统指数趋近率中等速趋近项系数和指数趋近项系数的方法进行整定。k₃是迁移系数，其大小改变变速临界点；k₄为变速系数，其大小改变变速快慢。式(10)中的e是自然指数，即自然对数的底数。

结合式(8)和(10)，将计算得出的q轴给定电流作为转矩电流给定分量i′_q，可得滑模速度控制器输出的负载转矩给定值T_L ^*和转矩电流给定分量i′_q为：

高压断路器电机驱动控制系统实施例1滑模速度控制器输出中含有积分项，将控制量进行滤波，可削弱系统抖振、减少系统的稳态误差。定义Lyapunov函数为：

由式(10)和式(12)可得：

式(13)中，k₁＞0，k₂＞0，s·sgn(s)≥0，

故

表明系统跟踪误差能在有限时间内收敛到零，系统能稳定运行。

设计滑模速度控制器时整定参数c、k₁、k₂、k₃、k₄的人工方法是，首先确定k₃、k₄的值；令q轴转矩电流给定值i^* _q只包括输入转矩电流给定分量i′_q(即不进行负载转矩补偿控制)，然后在系统的滑动模态从小到大调整滑模面参数c和变速趋近项系数k₁的值，直到系统出现明显抖振，在此基础上兼顾抑制抖振和系统状态收敛速度，适当减小滑模面参数c和变速趋近项系数k₁的值；最后，在兼顾抑制滑动模态抖振的情况下，主要依据系统到达段(例如，阶跃响应的电机启动阶段)的快速性来调整指数趋近项系数k₂的值，并对滑模速度控制器的其他参数值进行适当微调。

根据PMSM电磁转矩与运动方程，对于恒定的阶跃性负载，在变化周期内可认为是一恒定值，即

将电机转子角速度与负载转矩作为状态变量，构成PMSM状态方程为：

在式(14)基础上，以负载转矩与电机转子角速度为观测对象，建立负载转矩观测器实施例1为：

式(15)中，

是负载转矩的观测值，

是转子角速度估计值，g是负载转矩观测器的反馈增益，

k_g是负载转矩观测器实施例1的滑模增益，负载转矩观测器实施例1为滑模观测器。电机摩擦与负载转矩相比较，所占比重小，令B＝0，忽略摩擦的影响，则式(15)的负载转矩观测器实施例1变为：

依据B＝0时的(14)和式(16)，得到负载转矩观测器实施例1的误差方程为：

式(17)中，

为转子角速度估算误差，

为负载转矩观测误差，并定义观测器滑模面为

根据滑模可达性条件，式(16)观测器系统稳定条件为k_g≤-|e₂/J|，且g＜0。

在式(14)基础上，以负载转矩与电机转子角速度为观测对象，还可以建立负载转矩观测器实施例2为：

电机摩擦与负载转矩相比较，所占比重小，令B＝0，忽略摩擦的影响，则式(18)的负载转矩观测器实施例2变为：

式(18)、(19)中，

是负载转矩的观测值，

是转子角速度估计值，g是负载转矩观测器的反馈增益，

k_W是负载转矩观测器实施例2的比例增益，负载转矩观测器实施例2为状态观测器。依据B＝0时的式(14)和式(19)，得到负载转矩观测器实施例2误差方程为：

式(20)中，

为转子角速度估算误差，

为负载转矩观测误差。式(19)的状态观测器是一个自治的线性系统，在k_W＜0，且g＜0时，该观测器是渐近稳定的。负载转矩观测器实施例1的式(15)和负载转矩观测器实施例2的式(18)均考虑了电机的摩擦因素，小摩擦阻尼的加入，会给系统响应的快，但可以使稳定性分别在式(16)和式(19)的基础上增加。

选择式(15)、(16)的观测器实施例1时，滑模增益k_g的整定方法是，按照

进行选择。式(21)中，α≥1；一般地，α值在1～5的范围内选择，例如，选择α等于1.5。负载转矩观测器实施例1在观测负载转矩的过程中，k_g的绝对值选择过小，当|e₂|较大时观测器不能进入滑模状态；k_g的绝对值选择足够大，可保证观测器进入滑模状态，但负载转矩的稳态观测波动变大；k_g的值随着负载转矩观测误差的变化而变化，可以同时兼顾增加观测器稳定性和减小负载转矩的稳态观测波动。

选择式(18)、(19)的观测器实施例2时，比例增益k_W的整定方法是，按照

进行选择。式(22)中，T_N是电机的额定转矩，β＞0；一般地，β值在1～20的范围内选择，例如，选择β＝10。β选择增大时，负载转矩观测的稳态波动变大，但转矩观测跟踪超调量变小；β选择减小时，负载转矩观测的稳态波动变小，但转矩观测跟踪超调量变大。

在式(15)、(16)或者式(18)、(19)所表示的观测器中，反馈增益g的取值大小对负载转矩观测结果影响较大。反馈增益g越大，观测转矩波动性越小，但观测转矩辨识速度越慢；反馈增益g越小，观测转矩速度越快，但观测转矩波动性越大。出于对此问题的考虑，在传统负载转矩观测器中，综合考虑负载转矩的观测速度与波动性，将反馈增益g取一个折中值，但这会舍弃大反馈增益时的波动性小和小反馈增益时的观测速度快的优势。

电机滑模速度控制主要通过增大控制器中不连续项的幅值来抑制参数变化和外部负载扰动对系统的影响，但幅值增大会引起滑模固有抖振。为解决滑模控制系统抖振与抗扰性之间的矛盾，利用观测器实时观测负载扰动变化，将负载转矩观测值前馈补偿至电流调节器中，以降低滑模控制中不连续项幅值，削弱参数变化导致给定转矩变化，或者是负载扰动所引起系统抖振。为了充分利用反馈增益g在高、低值时的优势，根据两相邻时刻负载转矩观测值以及负载转矩给定值变化量的大小，在负载转矩给定值变化小且负载转矩观测值变化小时，给予反馈增益g较大值，使观测结果波动性小，稳定性更强；在负载转矩给定值变化大或者负载转矩观测值变化大时，给予反馈增益g较小值，使观测速度加快，最终通过对反馈增益g的调整，得到观测速度快和波动小、稳定性更强的综合结果。

负载转矩观测器实施例1，或者是负载转矩观测器实施例2用于图1高压断路器电机驱动控制系统实施例1中时，负载转矩观测器根据负载转矩给定值

和负载转矩观测值

的变化对反馈增益g进行调整，依据转子角速度ω和电流i_q对负载转矩进行观测，得到新的负载转矩观测值

图2为反馈增益自动调整方法实施例1流程图，在负载转矩观测器实施例1，或者是负载转矩观测器实施例2用于图1高压断路器电机驱动控制系统实施例1中时，进行反馈增益自动调整。图2中，ε₁为转矩变化低限比较阈值，ε₂为转矩变化高限比较阈值；最近2次负载转矩给定值的变化量与负载转矩观测值的变化量之和

其中，ΔT_L ^*为最近2次负载转矩给定值之间的差值，

为最近2次负载转矩观测值之间的差值。在一次电机驱动控制系统的周期性控制过程中，图2中的(a)所示反馈增益g的调整先于负载转矩观测和滑模速度控制器的输出计算，有：

步骤①、计算

步骤②、判断ΔT是否大于ε₂；当ΔT大于ε₂时，取反馈增益g等于g_min并进入步骤⑤；当ΔT小于等于ε₂时，进入步骤③；

步骤③、判断ΔT是否小于ε₁；当ΔT小于ε₁时，取反馈增益g等于g_max并进入步骤⑤；当ΔT大于等于ε₁时，进入步骤④；

步骤④、反馈增益g按照

进行计算。

步骤⑤、负载转矩观测器依据反馈增益g对负载转矩T_L进行观测，得到负载转矩观测值

滑模速度控制器进行控制运算得到负载转矩给定值

此时的

为

为

至下一次进行反馈增益g调整时，该次

变为

变为

其中，ε₁为转矩变化低限比较阈值，ε₂为转矩变化高限比较阈值，且0＜ε₁＜ε₂；g_max为反馈增益高值，g_min为反馈增益低值，且g_min＜g_max＜0。

在一次电机速度的周期性控制过程中，图2中的(b)所示反馈增益g的调整晚于负载转矩观测和滑模速度控制器的输出计算，其反馈增益g调整方法将上述步骤⑤变为步骤①，步骤①-④变为步骤②-⑤，各步骤中的进入步骤⑤改为退出。

图2中的(b)为

当ΔT大于ε₂时，表明负载转矩观测值波动大，或者是因系统模型参数变化、转子角速度给定值变化、转子角速度实际值变化，使负载转矩给定值变化大并将引起负载转矩观测值有较大波动，反馈增益g选择等于g_min进行负载转矩的快速辨识与观测；当ΔT小于ε₁时，表明负载转矩给定值变化小且状态负载转矩观测值波动小，反馈增益g选择等于g_max进行以稳定为主的负载转矩辨识与观测；当ΔT大于等于ε₁且小于等于ε₂时，反馈增益g按照式(23)进行计算，使反馈增益g在此区间内随着ΔT的增加而减小，避免因ΔT的较小变化而使反馈增益g产生剧烈变化带来的对转矩观测器工作稳定性的不利影响。图2中，给定转矩变化比较阈值0＜ε₁＜ε₂，ε₁、ε₂的具体取值与滑模速度控制器的采样控制周期(周期时间)、永磁同步电机及其负载情况相关，ε₂一般在小于额定转矩5％的范围内取值，例如，额定转矩为22N·m，取ε₁＝0.1N·m，ε₂＝0.6N·m。反馈增益g的取值满足g_min＜g_max＜0，一般情况下，g_min≥-5000。g_min取值应在负载转矩突变时，负载转矩观测器输出观测值的转矩观测跟踪超调量处于转矩观测跟踪超调限值之内；g_max取值应在负载转矩不变，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态时，最近2次负载转矩给定值的变化量与负载转矩观测值的变化量之和ΔT小于ε₁；例如，选择反馈增益g_max＝-0.5，g_min＝-10。选取g_min、g_max、ε₁、ε₂值的具体方法是，首先，在负载转矩不变，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态时，令反馈增益g从一个较大值开始，例如，令反馈增益g从-0.01开始逐渐减小，负载转矩观测的稳态抖差会逐渐增大，当负载转矩观测的稳态抖差达到负载转矩观测稳态抖差限值时，确定此时的反馈增益g值为g_max；保持负载转矩不变且令反馈增益g等于g_max，同时连续进行F₁次ΔT值的测量，并将此时F₁次ΔT测量中最大F₂个ΔT测量值的平均值作为转矩变化低限比较阈值ε₁；然后，当负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态时令负载转矩突变，在保证负载转矩观测器输出观测值的转矩观测跟踪超调量处于转矩观测跟踪超调限值之内的前提下，以负载转矩观测器输出观测值的跟踪调节时间尽量短来调节并确定g_min值；之后，保持负载转矩不变且令反馈增益g等于g_min，同时连续进行F₁次ΔT值的测量，并将此时F₁次ΔT测量中最大F₂个ΔT测量值的平均值作为转矩变化高限比较阈值ε₂。

设计高压断路器电机驱动控制系统实施例1滑模速度控制器和负载转矩观测器时，对滑模速度控制器参数和负载转矩观测器还可以采用粒子群算法、狼群算法、遗传算法等优化算法进行整定。采用狼群算法对滑模速度控制器参数c、k₁、k₂、k₃、k₄进行整定时，建立综合评价高压断路器电机驱动控制系统实施例1滑模速度控制器各项性能指标的目标函数为

式(24)中，Q₁₁中的积分项为电机转子角速度阶跃响应的IAE准则(误差积分准则)，e(t)为转子角速度误差瞬时值，t_m为电机转子角速度阶跃响应的过渡过程时间，t＝0为电机阶跃响应的启动时刻；Q₁₁中的第二项γ_m1(1-sgn(e(t)+ω_δ))为角速度超调罚函数，其中γ_m1取一个足够大(

合理值的5倍及以上)的正数，ω_δ为转子角速度超调量限值(即系统允许的转子角速度超调量最大值)；当电机转子角速度阶跃响应的超调量没有超过转子角速度超调量限值ω_δ时，超调罚函数项等于0，否则等于γ_m1；Q₁₂为稳态抖差罚函数，ω_Δ为转子角速度稳态抖差限值；当电机转子角速度阶跃响应的稳态抖差没有超过转子角速度稳态抖差限值ω_Δ时，稳态抖差罚函数项等于0，否则等于γ_m1；Q₁为目标函数值，即狼群算法对滑模速度控制器进行参数优化的适应值；狼群中个体的适应值越小，相应的位置越优。γ_m1取值时，首先预估

的合理值(上限)；例如，设电机的额定转速为1500r/min(对应于额定转子角速度为157rad/s)，启动时间在0.2s左右，则

的合理值不超过40，γ_m1取相对于40的5倍及以上即可，例如，取γ_m1＝200。γ_m2一般取值大于等于2，其大小决定在多长的时间区间进行转子角速度稳态抖差的测量，例如，γ_m2取值等于6时，则在5倍过渡过程时间t_m的区间进行转子角速度稳态抖差的测量。速度控制器参数优化如果需要考虑其他指标因素时，例如，过渡过程时间是否足够短，稳态误差是否足够小，等等，可以建立式(24)之外的其他目标函数。

采用狼群算法对用于高压断路器电机驱动控制系统实施例1中的负载转矩观测器实施例1或者是负载转矩观测器实施例2中参数进行整定时，建立综合评价高压断路器电机驱动控制系统实施例1中负载转矩观测器各项性能指标的目标函数为

式(25)中，Q₂₁中的积分项为电机负载转矩观测阶跃响应的IAE准则，

为负载转矩观测误差，e₂(t)为负载转矩观测误差瞬时值，t_p为电机负载转矩观测阶跃响应的跟踪调节时间，t＝0为负载转矩观测阶跃响应的负载突变时刻；Q₂₁中的第二项γ_p1(1-sgn(e₂(t)+T_δ))为转矩观测跟踪超调罚函数，其中γ_p1取一个足够大(

合理值的5倍及以上)的正数，T_δ为转矩观测跟踪超调限值，当转矩观测跟踪超调量没有超过转矩观测跟踪超调限值T_δ时，转矩观测跟踪超调罚函数项等于0，否则等于γ_p1。Q₂₂中第一项中max(|e₂(t)|)为最大转矩观测稳态抖差绝对值，γ_p2为适应度平衡侧重系数，取大于0的常数；Q₂₂中第二项γ_p1(1-sgn(e₂(t)+T_Δ))为转矩观测稳态抖差罚函数，T_Δ为负载转矩观测稳态抖差限值；当转矩观测稳态抖差没有超过负载转矩观测稳态抖差限值T_Δ时，转矩观测稳态抖差罚函数项等于0，否则等于γ_p1。Q₂为目标函数值，即采用狼群算法对负载转矩观测器参数进行整定的适应值；个体狼的适应值越小，相应的位置越优。γ_p1取值时，首先预估

的合理值(上限)；例如，设电机的额定转矩为22N·m，预计最大的转矩观测跟踪调节时间t_p在0.1s左右，则式(25)中IAE准则积分项数值不超过2；适应度平衡侧重系数γ_p2的作用有2个，一是平衡IAE准则积分项和最大转矩观测稳态抖差绝对值项，例如，设负载转矩观测稳态抖差限值T_Δ为1N·m，则γ_p2取2时，IAE准则积分项和最大转矩观测稳态抖差绝对值项相对平衡，或者说两者目标函数值Q₂所起到的作用相当，此时

的合理值不超过4，γ_p1取等于20，或者是大于20的常数即可。减小γ_p2值，则目标函数值Q₂中IAE准则积分项的权重变大，更加偏向于转矩观测的快速性；增大γ_p2值，则目标函数值Q₂中最大转矩观测稳态抖差绝对值项的权重变大，更加偏向于转矩观测的稳态性能。γ_p3一般取值大于等于2，其大小决定在多长的时间区间进行负载转矩观测稳态抖差的测量，例如，γ_p3取值等于6时，则在5倍跟踪调节时间(即过渡过程时间)t_p的区间进行负载转矩观测稳态抖差的测量。

滑模速度控制器参数，或者是负载转矩观测器参数采用狼群算法进行优化的具体步骤是：

步骤101，初始化狼群。设狼群中个体初始位置为

其中M为狼群中个体数量，一般在20～150之间选取，初始位置要求服从随机分布。

(1)针对高压断路器电机驱动控制系统实施例1中的滑模速度控制器时，待优化的参数向量为θ＝[c，k₁，k₂，k₃，k₄]，此时狼群算法的搜索空间维度N等于5，最后的头狼位置值即为滑模速度控制器的最优参数。位置取值区间为[m_imin m_imax]，范围区间可以根据现有知识或经验给出，例如，参数c的取值区间[m_1min m_1max]为[0 1000]，参数k₁的取值区间[m_2minm_2max]为[0 2000]，参数k₂的取值区间[m_3min m_3max]为[0 2000]，参数k₃的取值区间[m_4minm_4max]为[0.4 0.6]，参数k₄的取值区间[m_5min m_5max]为[0.5/ω_Δ 1/ω_Δ]。

(2)针对高压断路器电机驱动控制系统实施例1中的负载转矩观测器实施例1，采用反馈增益自动调整方法实施例1进行反馈增益自动调整时，其待优化的参数向量为θ₁＝[G_max，G_min，ε₁，ε₂，α]，此时狼群算法的搜索空间维度N等于5。

(3)针对高压断路器电机驱动控制系统实施例1中的负载转矩观测器实施例2，采用反馈增益自动调整方法实施例1进行反馈增益自动调整时，其待优化的参数向量为θ₂＝[G_max，G_min，ε₁，ε₂，β]，此时狼群算法的搜索空间维度N等于5。

针对向量θ₁、θ₂中参数优化时，优化得到最终头狼位置(最优位置)后，g_max、g_min按照

分别计算得出；滑模增益k_g依据参数α按照式(21)计算得出；比例增益k_W依据参数β按照式(22)计算得出。向量θ₁、θ₂中参数的位置取值区间为[m_imin m_imax]，范围区间可以根据现有知识或经验给出，例如，参数G_max的取值区间[m_1minm_1max]为[-4 4]；参数G_min的取值区间[m_2min m_2max]为[-4 4]；参数ε₁的取值区间[m_3min m_3max]和参数ε₂的取值区间[m_4min m_4max]均为[0 0.05T_N]，T_N为电机的额定转矩；参数α的取值区间[m_5min m_5max]为[1 5]，或者是，参数β的取值区间[m_5min m_5max]为[1 20]。

步骤102，游猎竞争。计算狼群中每一匹狼的适应值，适应值越小说明狼所处位置越优，选择位置最优的R₁匹狼为竞选狼。R₁匹竞选狼根据式(26)展开游猎搜索行为，同时各竞选狼根据适应值大小竞争头狼，具体是：

步骤1021，每一匹竞选狼随机选择h₁个方向，根据式(26)沿着每个方向搜索参数前进一步后再退回；计算前进后的适应值，选出所有方向上的最小适应值，若该最小适应值小于该匹竞选狼原位置的适应值，则将该匹竞选狼原位置替换为该最小适应值所处位置；

步骤1022，每一匹竞选狼重复h₂次步骤1021；

步骤1023，所有R₁匹竞选狼完成步骤1022后，选择位置最优的竞选狼为头狼。

式(26)中，i＝1，2，…，R₁；j＝1，2，…，N；rand(-1，1)是均匀分布在[-1 1]内的随机数；l＝1，2，…，h₁；stepa是游猎步长，建议stepa的取值范围是[0.1 0.9]；m_i＝[m_i1 m_i2… m_iN]是第i匹竞选狼的位置。R₁建议在区间[0.1M 0.25M]中取固定值或者是随机值；方向数量h₁建议在区间[3 8]取值，重复次数h₂建议在区间[3 10]取值。

步骤103，召唤奔袭。竞选狼之外的其它狼匹根据式(27)展开奔袭搜索行为，向头狼奔袭。计算第i匹狼新位置的适应值，当第i匹狼搜索到的新位置优于自身的目前位置时，对其位置加以变更，否则保持不变；若第i匹狼搜索到的新位置优于头狼位置，则该第i匹狼转换为头狼并重新发起召唤。

m′_ij＝m_ij+rand(-1，1)·stepb·(m_bj-m_ij) (27)

式(27)中，i＝1，2，…，M-R₁；j＝1，2，…，N；m′_i＝[m′_i1 m′_i2 … m′_iN]表示第i匹狼搜索更新的位置；m_i＝[m_i1 m_i2 … m_iN]表示第i匹狼的当前位置；m_b＝[m_b1 m_b2 … m_bN]表示当前的头狼位置；stepb是奔袭步长，建议stepb的取值范围是[1.3 2.5]。

步骤104，围攻猎物。在头狼的召唤下，其它狼按式(28)对猎物展开围攻。计算新位置的适应值，当第i匹狼围攻过程中搜索到的新位置优于当前位置时，对该匹狼位置加以变更，否则保持不变；若第i匹狼围攻搜索到的新位置优于头狼位置，则该第i匹狼转换为头狼。

式(28)中，i＝1，2，…，M-1；j＝1，2，…，N；

表示第i匹狼的当前位置(即经过n次迭代时的位置)，

表示第i匹狼的围攻更新位置；m_b＝[m_b1 m_b2 …m_bN]表示当前的头狼位置；δ为预先设立的阈值，建议δ的取值范围为[0.1 0.4]；stepc是围攻步长，按照式(29)进行计算。

式(29)中，n为当前的迭代次数，n_max为设定的最大迭代次数；stepc_max、stepc_min分别为设定的最大围攻步长、最小围攻步长。建议stepc_min的取值范围是[0.3 1.3]，stepc_max的取值是stepc_min的5至100倍。m_jmax和m_jmin分别为第j维参数取值区间的最大值和最小值。式(29)中的e是自然指数，即自然对数的底数。

步骤105，终止条件判断。若循环迭代次数达到，或者是头狼适应值小于某一阈值，则终止优化过程，头狼位置参数为被优化参数向量的最优参数。否则令n＝n+1，转向步骤106。

步骤106，竞争更新。根据优胜劣汰原则，随机产生R₂匹狼代替原R₂匹适应值最差的淘汰狼，竞争更新狼群，转向步骤102。R₂建议在区间[0.05M 0.15M]中取固定值或者是随机值。

在以上各步骤中，随机产生个体狼的新位置，或者是个体狼搜索产生新位置时，每一匹狼新位置的各维变量不能超出变量相应的取值区间。

步骤105中，终止条件采用最大迭代步数限制方式，最大迭代次数n_max建议在区间[20 500]中取固定值。针对向量θ中参数优化，同时设置头狼适应值小于某一阈值的条件时，例如，设电机的额定转速为1500r/min(对应于额定转子角速度为157rad/s)，启动时间要求在0.2s之内，则终止条件的阈值可以设置为15。针对向量θ₁、θ₂中参数优化，同时设置头狼适应值小于某一阈值的终止条件时，需要参考电机额定转矩、期望的转矩观测跟踪调节时间t_p、转矩观测跟踪超调限值T_δ、负载转矩观测稳态抖差限值T_Δ、适应度平衡侧重系数γ_p2等来确定阈值大小；设电机的额定转矩为22N·m，T_δ为2N·m，T_Δ为1N·m，γ_p2等于1.5，期望的转矩观测跟踪调节时间t_p小于0.04s，则终止条件的阈值可以设定在1.8。

在以上各步骤中，针对向量θ中参数优化，计算个体狼新位置的适应值时，要求将个体狼位置转换为相应的控制器参数，控制电机启动(或者是仿真系统中启动)，得到公式(24)中所需的电机转子角速度阶跃响应的e(t)，依据e(t)确定过渡过程时间t_m，计算得到个体狼的适应值Q₁。针对向量θ₁、θ₂中参数优化，计算新位置的适应值时，要求依次将个体狼位置转换转换为相应的负载转矩观测器参数，在电机给定速度不变，滑模速度控制器处于稳态时，使负载转矩突变，控制电机运行(或者是在电机仿真系统中运行)，得到公式(25)中所需的电机负载转矩观测阶跃响应e₂(t)，依据e₂(t)确定过渡过程时间t_p，计算得到适应值Q₂。

在以上各步骤中，随机产生个体狼的新位置，或者是个体狼搜索产生新位置时，每一匹狼新位置的各维变量不能超出变量相应的取值区间。待优化的参数中，g_max、g_min之间有约束条件g_min＜g_max，对应于约束条件G_min＞G_max。在随机产生个体狼的新位置，或者是个体狼搜索产生新位置时，首先，个体狼m_i中的参数m_i1(即G_max)依据取值区间[m_1min m_1max]随机生成位置或者是进行位置更新，然后，个体狼m_i的参数m_i2(即G_min)依据取值区间[m_i1 m_2max]随机生成位置或者是进行位置更新，使个体狼m_i满足约束条件G_min＞G_max，即满足约束条件g_min＜g_max。ε₁、ε₂之间有约束条件ε₁＜ε₂，在随机产生个体狼的新位置，或者是个体狼搜索产生新位置时，首先，个体狼m_i中的参数m_i3(即ε₁)依据取值区间[m_3min m_3max]随机生成位置或者是进行位置更新，然后，个体狼m_i的参数m_i4(即ε₂)依据取值区间[m_i3 m_4max]随机生成位置或者是进行位置更新，使个体狼m_i满足约束条件ε₁＜ε₂。

由于个体狼的初始位置要求服从随机分布，且狼群算法的空间搜索方式为线性方式，因此，直接对反馈增益高值g_max和反馈增益低值g_min在区间[-5000 0]进行搜索优化时，对观测器工作状态影响很大的反馈增益绝对值低值区间，例如，在区间[-10 0]之间，随机产生进入或者是搜索进入的概率小，较难优化得到反馈增益高值g_max和反馈增益低值g_min的最优位置。优化过程中不直接对反馈增益高值g_max和反馈增益低值g_min进行搜索优化，而是以类似增益的方式进行优化，将参数区间[-10 0]在搜索区间进行了扩展，较易得到反馈增益高值g_max和反馈增益低值g_min的最优位置；此时，反馈增益高值g_max和反馈增益低值g_min的参数区间均为[-10000 -0.0001]；反馈增益高值g_max正常情况下，不会在区间[-0.0001 0]范围内选取，否则会导致观测器响应太慢；另外，区间上限为-0.0001，也避免反馈增益高值g_max取0值所导致的观测器不能正常工作。

在高压断路器电机驱动控制系统实施例1中永磁同步电机速度的周期性控制过程中，将当次k时刻(或者是第k步)计算得到的负载转矩给定值T_L ^*记为T_L ^*(k)，负载转矩观测值

记为

k-1时刻为k时刻的前一次周期性控制过程时刻，负载转矩给定值T_L ^*记为T_L ^*(k-1)，负载转矩观测值

记为

k-2时刻为k-1时刻的前一次周期性控制过程时刻，负载转矩给定值T_L ^*记为T_L ^*(k-2)，负载转矩观测值

记为

高压断路器电机驱动控制系统实施例1中永磁同步电机速度控制的过程包括以下步骤：

步骤一、检测永磁同步电机的转子位置θ、转子角速度ω和三相电流i_a、i_b和i_c；

步骤二、依据三相电流i_a、i_b和i_c对永磁同步电机进行Clark变换得到在α-β轴坐标系下的电流i_α、i_β，依据电流i_α、i_β和转子位置θ进行Park变换，得到在d-q轴坐标系下的电流i_d、i_q；

步骤三、反馈增益g依据负载转矩给定值T_L ^*和负载转矩观测值

的变化进行调整；

步骤四、负载转矩观测器依据负载转矩给定值T_L ^*、负载转矩观测值

转子角速度ω和电流i_q对负载转矩进行观测，得到新的负载转矩观测值

和转矩电流补偿分量i″_q；

步骤五、滑模速度控制器依据输入的转子给定角速度ω^*和转子角速度ω进行控制计算，得到负载转矩给定值

和转矩电流给定分量i′_q；

步骤六、依据转矩电流给定分量i′_q和转矩电流补偿分量i″_q计算得到q轴转矩电流给定值i_q ^*；d轴电流控制器依据d轴转矩电流给定值i_d ^*与d轴坐标系下的电流i_d之间的差值进行PI控制运算，得到d轴坐标系下的控制电压U_d；q轴电流控制器依据q轴转矩电流给定值i_q ^*与q轴坐标系下的电流i_q之间的差值进行PI控制运算，得到q轴坐标系下的控制电压U_q；依据d-q轴坐标系下的控制电压U_d、U_q进行Park逆变换，得到α-β轴坐标系下的控制电压U_α、U_β；d轴转矩电流给定值i_d ^*等于0；

步骤七、将α-β轴坐标系下的控制电压U_α、U_β作为SVPWM模块的输入，由SVPWM模块控制三相逆变器产生三相交流电源U_a、U_b、U_c，从而驱动永磁同步电机运转。

上述步骤中，步骤三与步骤四、五的先后顺序可以互换，即可以先进行步骤四、五，后进行步骤三。图2中的(a)按照上述步骤三、四、五顺序先进行反馈增益自动调整，后进行负载转矩观测和速度控制，

△T_L ^*＝T_L ^*(k-1)-T_L ^*(k-2)。图2中的(b)先进行负载转矩观测和速度控制，后进行反馈增益自动调整，

ΔT_L ^*＝T_L ^*(k)-T_L ^*(k-1)；上述步骤中，先进行步骤四、五，后进行步骤三。

观测得到负载转矩观测值

后，将负载转矩的观测值

转换成转矩电流补偿分量i″_q前馈补偿至q轴电流PI控制器的输入，对滑模速度控制器输出的转矩电流给定分量i′_q进行补偿。q轴电流PI控制器的q轴转矩电流给定值i^* _q为：

式(30)中，k_q＝2/(3pψ_f)为转矩观测补偿系数。比较式(11)与式(30)可得，当负载发生扰动或者是系统参数发生变化时，式(11)中没有加入负载转矩补偿，需要选取较大的k₁、k₂值来提供足够大的给定电流变化量来抵消负载发生扰动或者是系统参数发生变化的相关影响，以保证电机转速能够快速恒定；而式(30)将负载转矩观测值前馈补偿至电流调节器中，在不需要较大k₁、k₂值的情况下就能在负载发生扰动或者是系统参数发生变化时，提供足够大的给定电流变化量来抵消负载发生扰动或者是系统参数发生变化的相关影响，减少滑模速度控制器的输出压力及不连续项的幅值，有效地削弱了系统的抖振。

固定反馈增益值时，反馈增益g越小，负载转矩观测的振荡幅值越大，波动性越强；反馈增益g越大，负载转矩观测的振荡幅值越小，观测精度越高。自动调整增益算法解决了负载转矩观测器中小反馈增益导致转矩观测波动大的问题，大反馈增益收敛时间长的问题，收敛时间和波动幅度指标都优于折中增益算法，能快速跟踪负载转矩变化值以及快速降低给定变化或者参数变化所带来的观测误差，且振荡幅值小，观测精度高，达到了较好的观测效果。

在额定负载转矩下改变给定转速时，尽管实际的负载转矩没有改变，但从式(15)、(16)或者式(18)、(19)所构造的负载转矩观测器可知，当转子角速度ω发生改变时，即使负载转矩没有改变，观测到的转矩观测值也会发生变化，造成观测误差。在额定负载转矩下改变给定转速时，永磁同步电机滑模控制系统的控制调节过程是，首先由滑模速度控制器依据给定速度变化，使输出的负载转矩给定值T_L ^*改变，使转矩电流给定值i^* _q发生改变，进而使永磁同步电机的电磁转矩T_e发生改变，带动电机使转子角速度ω发生改变；反馈增益g如果只依据负载转矩观测值的变化量

进行自动调整，则此时只有当转子角速度ω发生改变，使负载转矩观测值

发生了改变后，才对反馈增益g进行调整；反馈增益g依据负载转矩给定值的变化量ΔT_L ^*和负载转矩观测值的变化量

的绝对值之和进行自动调整，当给定转速改变使负载转矩给定值T_L ^*改变，负载转矩观测值

还没有发生变化时，就提前调整反馈增益g，当负载转矩观测值

真正产生观测误差时，能够加快观测器响应速度，尽快消除(减小)负载转矩观测值

的观测误差，进而改善电机速度控制的快速性与精确性。同样地，当系统模型参数发生变化使负载转矩给定值T_L ^*先于负载转矩观测值

发生改变时，反馈增益g同时依据负载转矩给定值的变化量ΔT_L ^*和负载转矩观测值的变化量

进行自动调整，能够提前调整反馈增益g，加快观测器响应速度，尽快消除(减小)负载转矩观测值

的观测误差，并进一步改善电机速度控制的快速性与精确性。当然，如果负载发生扰动导致观测值

发生改变时，

发生较大变化时，从图2可知，反馈增益g也能够进行自动调整，以尽快消除(减小)负载转矩观测值

的观测误差，使负载转矩观测值

尽快跟上负载转矩T_L的变化。

进行负载转矩观测器参数优化时，需要在高压断路器电机驱动控制系统实施例1滑模速度控制器的参数已经整定好，且在实现负载转矩补偿控制的情况下进行。进一步地，高压断路器电机驱动控制系统实施例1中，采用人工或者是优化方式先后整定好滑模速度控制器的参数和负载转矩观测器参数后，还可以在实现负载转矩补偿控制的情况下，对滑模速度控制器的参数进行人工微调，或者是按照步骤101-106采用狼群算法对滑模速度控制器的参数进行重新优化。

图3为高压断路器电机驱动控制系统实施例2的框图。图3实施例2与图1实施例1的区别在于，速度滑模控制器采用积分滑模控制方式，以负载转矩给定值中包括负载转矩观测值项的方式进行负载转矩补偿；负载转矩观测器的观测值

被送至速度滑模控制器，滑模速度控制器输出的q轴给定电流(转矩电流给定分量)中已经包括有负载转矩观测值

的计算项(即补偿分量)，因此，实施例2中速度滑模控制器输出的q轴给定电流(转矩电流给定分量)直接作为q轴转矩电流给定值，同样能够起到负载转矩补偿的作用；速度滑模控制器输出的负载转矩给定值T_L ^Δ中同样已经包括有负载转矩观测值

的计算项，负载转矩观测器直接根据负载转矩给定值T_L ^Δ的变化量进行反馈增益自动调整，其作用与前述反馈增益自动调整方法实施例1依据最近2次负载转矩给定值的变化量与负载转矩观测值的变化量之和ΔT进行反馈增益自动调整相同；

定义高压断路器电机驱动控制系统实施例2的状态变量为：

选择滑模面函数为：

s_y＝c_yy₁+y₂ (32)

式(32)中，c_y为滑模面参数，且c_y＞0。式(32)中c_y为转子角速度误差积分项的系数，其大小对控制作用的影响主要类似于PID控制中的比例系数，c_y的取值同时还兼顾平衡转子角速度误差积分项和转子角速度误差项，通常情况下，c_y在大于0且小于100的范围内选取。对式(32)求导可得：

在传统指数趋近律的基础上，改进的趋近律为：

μ₁、μ₂、μ₃、μ₄为速度滑模控制的指数趋近率系数，其中μ₁＞0，μ₂＞0，1＜μ₃＜2，μ₄＞0。当电机的转子角速度误差y₂较大时，

变速趋近项趋近速度较大，可加快滑模趋近运动速度；当y₂较小时，

变速趋近项趋近速度较小，可减弱抖振。μ₄取值可以参照永磁同步电机稳定运行时的转子角速度稳态抖差限值，建议在该稳态抖差限值平方值的50％至150％范围内取值；例如，设永磁同步电机稳态抖差限值是4rad/s(弧度/秒)，其平方值等于16，则μ₄可以在8～24范围内取值。μ₃越大，则变速越大，μ₃一般在1.05～1.3范围内取值。一般地，进行小功率永磁同步电机控制时，系数μ₁和系数μ₂的取值均小于5000。μ₁和μ₂分别为变速趋近项系数和指数趋近项系数，由于

的值在1附近变化，因此，式(34)中变速趋近项系数μ₁和指数趋近项系数μ₂可以按照调整传统指数趋近率中等速趋近项系数和指数趋近项系数的方法进行整定。μ₃为变速系数，其大小改变变速快慢；μ₄是迁移系数，其大小改变变速临界点。

结合式(2)、(3)、(33)，得：

结合式(34)、(35)，将计算得出的q轴给定电流直接作为q轴转矩电流给定值i^Δ _q，可得控制器输出的q轴转矩电流给定值i^Δ _q和负载转矩给定值T_L ^Δ为：

式(36)中，负载转矩值T_L使用负载转矩观测器的输出值

来代替。定义Lyapunov函数为：

由式(32)和式(34)可得：

式(38)中，μ₁＞0，μ₂＞0，

s_y·sgn(s_y)≥0，故

表明观测器的跟踪误差能在有限时间内收敛到零，系统能稳定运行。

设计滑模速度控制器时整定参数c_y、μ₁、μ₂、μ₃、μ₄的人工方法是，首先确定μ₃、μ₄的值；令式(36)中的负载转矩观测器的输出值

(即不进行负载转矩补偿控制)，然后在系统的滑动模态从小到大调整滑模面参数c_y、变速趋近项系数μ₁的值，直到系统出现明显抖振，在此基础上兼顾抑制抖振和系统状态收敛速度，适当减小滑模面参数c_y和变速趋近项系数μ₁的值；最后，在兼顾抑制滑动模态抖振的情况下，主要依据系统到达段(例如，阶跃响应的电机启动阶段)的快速性来调整指数趋近项系数μ₂的值，并对滑模速度控制器的其他参数值进行适当微调。

图3高压断路器电机驱动控制系统实施例2中的负载转矩观测器仍然采用前述的负载转矩观测器实施例1，或者是采用前述的负载转矩观测器实施例2；此时，负载转矩观测器根据滑模速度控制器输出的负载转矩给定值

的变化对反馈增益g进行调整，依据转子角速度ω和电流i_q对负载转矩T_L进行观测，得到负载转矩观测值

图4为反馈增益自动调整方法实施例2流程图，在负载转矩观测器实施例1，或者是负载转矩观测器实施例2用于图3高压断路器电机驱动控制系统实施例2中时，进行反馈增益自动调整。图4中，ε₁为转矩变化低限比较阈值，ε₂为转矩变化高限比较阈值，且0＜ε₁＜ε₂；g_max为反馈增益高值，g_min为反馈增益低值，且g_min＜g_max＜0；ΔT_L ^Δ为最近2次负载转矩给定值之间的差值。在一次电机速度的周期性控制过程中，图4中的(a)所示反馈增益g的调整先于负载转矩观测和滑模速度控制器的输出计算，具体方法是：

步骤㈠、计算

步骤㈡、判断

是否大于ε₂；当

大于ε₂时，取反馈增益g等于g_min并进入步骤㈤；当ΔT小于等于ε₂时，进入步骤㈢；

步骤㈢、判断

是否小于ε₁；当

小于ε₁时，取反馈增益g等于g_max并进入步骤㈤；当

大于等于ε₁时，进入步骤㈣；

步骤㈣、反馈增益g按照

进行计算后进入步骤㈤；

步骤㈤、负载转矩观测器对负载转矩T_L进行观测，得到负载转矩观测值

滑模速度控制器进行控制运算得到

此时的

为

在下一次电机速度的周期性控制过程中变为

在一次电机速度的周期性控制过程中，图4中的(b)所示反馈增益g的调整晚于负载转矩观测和滑模速度控制器的输出计算，具体方法是：

步骤A、负载转矩观测器对负载转矩T_L进行观测，得到负载转矩观测值

滑模速度控制器进行控制运算得到

此时的

为

在下一次电机速度的周期性控制过程中变为

步骤B、计算

步骤C、判断

是否大于ε₂；当

大于ε₂时，取反馈增益g等于g_min并退出；当ΔT小于等于ε₂时，进入步骤D；

步骤D、判断

是否小于ε₁；当

小于ε₁时，取反馈增益g等于g_max并退出；当

大于等于ε₁时，进入步骤E；

步骤E、反馈增益g按照式(39)进行计算后退出。

T_L ^Δ的输出项中，既包括因系统参数变化，或者是转子角速度给定值变化，或者是转子角速度实际值变化而处于变化状态的给定分项

也包括补偿分项负载转矩观测值

当|ΔT_L ^Δ|大于ε₂时，表明负载转矩观测值波动大，或者是因系统模型参数变化、转子角速度给定值变化、转子角速度实际值变化，使T_L ^Δ中的给定分项变化大并将引起负载转矩观测值有较大波动，反馈增益g选择等于g_min进行负载转矩的快速辨识与观测；当|ΔT_L ^Δ|小于ε₁时，表明负载转矩观测值波动小且将引起负载转矩观测值有较大波动的因素(即T_L ^Δ中的给定分项)变化小，反馈增益g选择等于g_max进行以稳定为主的负载转矩辨识与观测；当|ΔT_L ^Δ|大于等于ε₁且小于等于ε₂时，反馈增益g按照式(39)进行计算，使反馈增益g在此区间内随着|ΔT_L ^Δ|的增加而减小，避免因|ΔT_L ^Δ|的较小变化而使反馈增益g产生剧烈变化带来的对转矩观测器工作稳定性的不利影响。图4中，ε₁、ε₂的具体取值与滑模速度控制器的采样控制周期(周期时间)、永磁同步电机及其负载情况相关，ε₂一般在小于额定转矩5％的范围内取值，例如，额定转矩为22N·m，取ε₁＝0.1N·m，ε₂＝0.6N·m。反馈增益g的取值满足g_min＜g_max＜0，一般情况下，g_min≥-5000。g_min取值应在负载转矩突变时，负载转矩观测器输出观测值的转矩观测跟踪超调量处于转矩观测跟踪超调限值之内；g_max取值应在负载转矩不变，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态时，最近2次负载转矩给定值之间的差值|ΔT_L ^Δ|小于ε₁；例如，选择反馈增益g_max＝-0.5，g_min＝-10。选取g_min和g_max值的具体方法是，首先，在负载转矩不变，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态时，令反馈增益g从一个较大值开始，例如，令反馈增益g从-0.01开始逐渐减小，负载转矩观测的稳态抖差会逐渐增大，当负载转矩观测的稳态抖差达到负载转矩观测稳态抖差限值时，确定此时的反馈增益g值为g_max；保持负载转矩不变且令反馈增益g等于g_max，同时连续进行F₁次|ΔT_L ^Δ|值的测量，并将此时F₁次|ΔT_L ^Δ|测量中最大F₂个|ΔT_L ^Δ|测量值的平均值作为转矩变化低限比较阈值ε₁；然后，当负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态时令负载转矩突变，在保证负载转矩观测器输出观测值的转矩观测跟踪超调量处于转矩观测跟踪超调限值之内的前提下，以负载转矩观测器输出观测值的跟踪调节时间尽量短来调节并确定g_min值；之后，保持负载转矩不变且令反馈增益g等于g_min，同时连续进行F₁次|ΔT_L ^Δ|值的测量，并将此时F₁次|ΔT_L ^Δ|测量中最大F₂个|ΔT_L ^Δ|测量值的平均值作为转矩变化高限比较阈值ε₂。

在以上各选取g_min、g_max值和比较阈值的具体方法中，均在滑模速度控制器中的参数已经完成整定，且在进行负载转矩补偿控制的情况下实现；人工方法确定参数值时，建议F₁为大于等于20的整数，F₂为大于等于5且小于等于0.5F₁的整数。

高压断路器电机驱动控制系统实施例2中，滑模速度控制器和负载转矩观测器的参数还可以在实现负载转矩补偿控制的情况下，采用粒子群算法、狼群算法、遗传算法等优化算法进行整定。采用粒子群算法对高压断路器电机驱动控制系统实施例2滑模速度控制器和负载转矩观测器实施例1(或者是负载转矩观测器实施例2)中参数进行整定的具体方法是：

系统电机给定转子角速度ω^*为正弦波信号，如图5中的(a)所示。给定转子角速度ω^*正弦波信号周期为T^*，转子角速度最大值

不大于电机的额定角速度，转子角速度最小值

不小于电机额定角速度的10％，转子角速度最大值

与转子角速度最小值

之间的差值不小于电机额定角速度的50％。设高压断路器电机驱动控制系统实施例2在带额定负载转矩启动时，至额定转速的启动上升时间为T_r，则T^*在5～10T_r中选取。系统电机按照正弦波给定转子角速度ω^*信号运行时，按照图5中的(b)施加负载转矩T_L，即，系统电机按照正弦波给定转子角速度ω^*信号开始运行时，负载转矩为负载转矩低值T_Lmin；在电机进入转子角速度稳定跟随状态后，负载转矩从低值T_Lmin突变增加至高值T_Lmax；负载转矩维持为高值T_Lmax运行时间

后，从高值T_Lmax突变减小至低值T_Lmin；其中，负载转矩高值T_Lmax不大于电机的额定负载转矩，负载转矩低值T_Lmin不小于电机额定负载转矩的10％，负载转矩高值T_Lmax与负载转矩低值T_Lmin之间的差值不小于电机额定负载转矩的50％；

为2～5T^*之间随机值。系统电机按照正弦波给定转子角速度ω^*信号运行至少2个周期T^*后进入转子角速度稳定跟随状态。

图6为在电机的转子角速度稳定跟随状态，1个正弦波周期T^*的给定转子角速度信号和转子角速度响应示意图，其中，曲线①为给定转子角速度ω^*，曲线②为转子角速度响应ω，存在抖振。为了清楚地区分ω^*和ω，图6中给定转子角速度ω^*和转子角速度响应ω的纵轴坐标比例不同。转子角速度跟踪抖差ω_z为转子角速度ω的抖振幅度，跟踪延迟时间τ为转子角速度ω与给定转子角速度ω*之间的延迟时间。图6中，ω_z1为转子角速度响应ω处于最大值状态(峰顶状态)时的转子角速度峰顶跟踪抖差，τ₁是峰顶跟踪延迟时间，为转子角速度最大值时刻(峰顶时刻)与给定转子角速度最大值时刻(峰顶时刻)之间时间差的绝对值；ω_z2为转子角速度响应ω处于最小值状态(谷底状态)时的转子角速度谷底跟踪抖差，τ₂是谷底跟踪延迟时间，为转子角速度最小值时刻(谷底时刻)与给定转子角速度最小值时刻(谷底时刻)之间时间差的绝对值。连续测量包括负载转矩从低值T_Lmin突变增加至高值T_Lmax至负载转矩从高值T_Lmax突变减小至低值T_Lmin的多个周期(例如，10个或者10个以上T^*周期)的转子角速度峰顶跟踪抖差ω_z1、转子角速度谷底跟踪抖差ω_z2、峰顶跟踪延迟时间τ₁、谷底跟踪延迟时间τ₂；转子角速度跟踪抖差ω_z为该多个周期ω_z1和ω_z2的平均值；跟踪延迟时间τ为该多个周期τ₁和τ₂的平均值。采用正弦信号作为电机给定转子角速度信号，电机运行时控制负载转矩突变，通过转子角速度跟踪抖差和转子角速度的跟踪延迟时间构造性能指标来同时优化滑模速度控制器和负载转矩观测器的参数，将负载转矩观测器性能好坏的影响统一到转子角速度性能指标，简化了参数优化过程，同时也能最大程度使转子角速度性能指标得到改善。给定转子角速度最大值时刻(峰顶时刻)、给定转子角速度最小值时刻(谷底时刻)均通过给定转子角速度ω^*正弦信号计算得出。

获取转子角速度峰顶跟踪抖差ω_z1的方法是：将转子角速度在峰顶区2次最大采样值的平均值作为峰顶最大值，该2次最大采样值采样时刻之间的最小采样值作为峰顶最小值；转子角速度峰顶跟踪抖差ω_z1为该峰顶最大值与峰顶最小值之差的绝对值。获取转子角速度谷底跟踪抖差ω_z2的方法是：将转子角速度在谷底区2次最小采样值的平均值作为谷底最小值，该2次最小采样值采样时刻之间的最大采样值作为谷底最大值；转子角速度谷底跟踪抖差ω_z2为该谷底最小值与谷底最大值之差的绝对值。

获取转子角速度最大值时刻和转子角速度最小值时刻的方法是：将转子角速度在峰顶区2次最大采样值采样时刻之间的中心点(中心点时刻)作为转子角速度最大值时刻，将转子角速度在谷底区2次最小采样值采样时刻之间的中心点(中心点时刻)作为转子角速度最小值时刻。

建立综合评价高压断路器电机驱动控制系统实施例2滑模速度控制器和负载转矩观测器性能指标的目标函数为

Q₃＝ω_z+γ_zτ (40)

式(40)中，Q₃为目标函数值，即采用粒子群算法对高压断路器电机驱动控制系统实施例2滑模速度控制器和负载转矩观测器进行参数优化的粒子适应度值，由转子角速度跟踪抖差项和跟踪延迟时间项组成；γ_z为适应度平衡调整系数，为大于0的常数；设系统的转子角速度稳态抖差限值ω_Δ为1.5rad/s，电机的启动上升时间T_r为0.1s，由于正常工作情况下跟踪延迟时间τ不大于启动上升时间T_r，因此，γ_z取值为15时，跟踪延迟时间项和转子角速度跟踪抖差项之间相对平衡；或者说跟踪延迟时间项和转子角速度跟踪抖差项所起到的作用相当；减小γ_z值，则目标函数值Q₃中转子角速度跟踪抖差项的权重变大，系统性能更加偏向于速度控制的稳定性；增大γ_z值，则目标函数值Q₃中跟踪延迟时间项的权重变大，系统性能更加偏向于速度控制的快速性。

粒子群算法优化高压断路器电机驱动控制系统实施例2中滑模速度控制器和负载转矩观测器参数的具体步骤是：

步骤301，初始化粒子群。设粒子群中的粒子初始位置为

其中M为粒子群中粒子数量，一般在20～150之间选取，初始位置要求服从随机分布。针对不同优化对象，则分别有：

(1)针对高压断路器电机驱动控制系统实施例2中的滑模速度控制器和负载转矩观测器实施例1，采用反馈增益自动调整方法实施例2进行反馈增益自动调整时，其待优化的参数向量为θ_z1＝[c_y，μ₁，μ₂，μ₃，μ₄，G_max，G_min，ε₁，ε₂，α]，此时算法的搜索空间维度N等于10。

(2)针对高压断路器电机驱动控制系统实施例2中的滑模速度控制器和负载转矩观测器实施例2，采用反馈增益自动调整方法实施例2进行反馈增益自动调整时，其待优化的参数向量为θ₂₂＝[c_y，μ₁，μ₂，μ₃，μ₄，G_max，G_min，ε₁，ε₂，β]，此时算法的搜索空间维度N等于10。

步骤301的各实施例中，最后构造出的粒子中的最优位置即为最优参数，g_max、g_min按照

分别计算得出；滑模增益k_g依据参数α按照式(21)计算得出；比例增益k_W依据参数β按照式(22)计算得出。

步骤301的各实施例中，第i粒子的初始位置表示为

对应于待优化的各参数向量；位置取值区间为[z_imin z_imax]，范围区间可以根据现有知识或经验给出，例如，参数c_y的取值区间[z_1min z_1max]为[0 10]；参数μ₁的取值区间[z_2min z_2max]为[05000]；参数μ₂的取值区间[z_3min z_3max]为[0 5000]；参数μ₃的取值区间[z_4min z_4max]为[1.051.3]；参数μ₄的取值区间[z_5min z_5max]为[0.5/ω_Δ ² 1.5/ω_Δ ²]，ω_Δ为转子角速度稳态抖差限值；参数G_max的取值区间[z_6min z_6max]为[-4 4]；参数G_min的取值区间[z_7min z_7max]为[-4 4]；参数ε₁、ε₂的取值区间[z_8min z_8max]、[z_9min z_9max]均为[0 0.05T_N]，T_N为电机的额定转矩；参数α的取值区间[z_10min z_10max]为[1 5]，或者是，参数β的取值区间[z_10min z_10max]为[1 20]。

步骤302，粒子速度和粒子群最优解初始化；将各粒子的初始位置z⁽⁰⁾作为各粒子的初始最优值z_b ⁽⁰⁾，按照式(40)计算每个粒子的适应度函数值(即粒子适应度值)并作为各粒子的最优粒子适应度值保存；对各粒子适应度值进行比较得到初始粒子群最优解z_g ⁽⁰⁾和粒子群最优适应度值并保存。设粒子的初始速度为

同样服从随机分布，第i粒子的初始速度则表示为

参数的速度变化极值[u_imin u_imax]一般设为参数取值区间范围的5％～20％；例如，参数G_max的取值区间[z_1minz_1max]为[-4 4]，区间范围是8，则各粒子第1维变量(参数G_max)的速度变化极值[u_1min u_1max]按照5％取值是[-0.4 0.4]，按照20％取值是[-1.6 1.6]。

步骤303，按照式

更新各粒子的速度和位置；各维变量的速度变化不能超过各维变量相应的速度变化极值，各维变量的更新位置不能超出各维变量相应的取值区间。式(41)中，n为当前的迭代次数，uⁿ和zⁿ是粒子的速度向量和位置；c₀为惯性权重，取值范围在0～1.4之间，调整其值可以改变搜索范围和搜索速度，进一步地，随迭代次数增加自适应减小c₀值有利于在搜索能力和收敛速度之间取得平衡；c₁、c₂为学习因子，在1～2之间取值，建议均取等于2；

为取值范围在0～1内的随机数；

为粒子本身至目前为止找到的最优解(最优位置)，

表示整个种群到目前为止的粒子群最优解(最优位置)。

步骤304，按照式(40)计算每个粒子的粒子适应度值。

步骤305，对

和相应的最优粒子适应度值进行更新，对

和相应的粒子群最优适应度值进行更新。

步骤306，判断是否满足循环终止条件，如果是，则结束粒子群算法，最终的粒子群最优解为被优化参数向量的最优参数，即滑模速度控制器和负载转矩观测器的最优参数；否则，返回步骤303。

循环终止条件一般为达到最大迭代步数限制或最优粒子适应值小于某一阈值。采用粒子群算法对滑模速度控制器和负载转矩观测器参数进行整定时，采用最大迭代步数限制方式作为循环终止条件，最大迭代步数通常在100～2000之间选取。同时设置粒子群最优适应度值的阈值条件时，阈值条件需要对速度控制的快速性和稳定性进行综合考虑。例如，转子角速度稳态抖差限值ω_Δ为1.5rad/s，电机的启动上升时间T_r为0.1s，γ_z取值为15时，终止条件的阈值可以选择1.5。

按照式(40)计算每个粒子的粒子适应度值时，要求依次将每个粒子位置转换为相应的滑模速度控制器参数和负载转矩观测器参数，控制电机运行(或者是仿真系统中运行)，在系统电机给定转子角速度ω^*为正弦波信号，负载转矩T_L在转子角速度稳定跟随状态突变情况下，得到电机的速度响应，并依据该速度响应确定转子角速度跟踪抖差ω_z和跟踪延迟时间τ，再依据式(40)计算得到粒子适应度值。

待优化的参数中，g_max、g_min之间有约束条件g_min＜g_max，对应于约束条件G_min＞G_max。在以上各步骤中，随机产生粒子位置，或者是更新粒子位置时，首先，粒子z_i中的参数z_i6(即G_max)依据取值区间[z_6min z_6max]随机生成位置或者是进行位置更新，然后，粒子z_i的参数z_i7(即G_min)依据取值区间[z_i6 z_7max]随机生成位置或者是进行位置更新，使粒子z_i满足约束条件G_min＞G_max，即满足约束条件g_min＜g_max。ε₁、ε₂之间有约束条件ε₁＜ε₂，在随机产生粒子的新位置，或者是搜索产生粒子新位置时，首先，粒子z_i中的参数z_i8(即ε₁)依据取值区间[z_8minz_8max]随机生成位置或者是进行位置更新，然后，粒子z_i的参数z_i9(即ε₂)依据取值区间[z_i8z_9max]随机生成位置或者是进行位置更新，使粒子z_i满足约束条件ε₁＜ε₂。

在高压断路器电机驱动控制系统实施例2中永磁同步电机速度的周期性控制过程中，将当次k时刻(或者是第k步)计算得到的负载转矩给定值

记为

负载转矩观测值

记为

k-1时刻为k时刻的前一次周期性控制过程时刻，负载转矩给定值

记为

负载转矩观测值

记为

k-2时刻为k-1时刻的前一次周期性控制过程时刻，负载转矩给定值

记为

负载转矩观测值

记为

按照图4中的(a)进行反馈增益g调整时，永磁同步电机速度的周期性控制过程包括以下步骤：

步骤一、检测永磁同步电机的转子位置θ、转子角速度ω和三相电流i_a、i_b和i_c；

步骤二、依据三相电流i_a、i_b和i_c对永磁同步电机进行Clark变换得到在α-β轴坐标系下的电流i_α、i_β，依据电流i_α、i_β和转子位置θ进行Park变换，得到在d-q轴坐标系下的电流i_d、i_q；

步骤三、负载转矩观测器的反馈增益g依据负载转矩给定值

的变化进行调整；

步骤四、负载转矩观测器依据转子角速度ω和电流i_q对负载转矩进行观测，得到负载转矩观测值

步骤五、滑模速度控制器依据输入的转子给定角速度ω^*、转子角速度ω和负载转矩观测值

进行控制计算，得到负载转矩给定值

和q轴转矩电流给定值

步骤六、d轴电流控制器依据d轴转矩电流给定值i_d ^*与d轴坐标系下的电流i_d之间的差值进行PI控制运算，得到d轴坐标系下的控制电压U_d；q轴电流控制器依据q轴转矩电流给定值

与q轴坐标系下的电流i_q之间的差值进行PI控制运算，得到q轴坐标系下的控制电压U_q；依据d-q轴坐标系下的控制电压U_d、U_q进行Park逆变换，得到α-β轴坐标系下的控制电压U_α、U_β；

步骤七、将α-β轴坐标系下的控制电压U_α、U_β作为SVPWM模块的输入，由SVPWM模块控制三相逆变器产生三相交流电源U_a、U_b、U_c，从而驱动永磁同步电机运转。

按照图4中的(b)进行反馈增益g调整时，上述控制过程的步骤中，步骤四、五的内容先进行，步骤三的内容后进行。

式(36)滑模速度控制器的输出项中包括补偿分项负载转矩观测值

相当于式(30)中负载转矩观测值前馈补偿至电流调节器的给定值中，在不需要滑模速度控制器输出的给定电流部分产生较大调整的情况下，就能抵消负载发生扰动或者是系统参数发生变化所造成的相关影响，有效地削弱了系统的抖振。反馈增益g依据负载转矩给定值的变化量ΔT_L ^Δ进行自动调整的算法，避免了负载转矩观测器选择固定小反馈增益导致转矩观测波动大，选择固定大反馈增益导致收敛时间长的问题，能在系统的控制参数、模型参数等发生变化或者是负载发生扰动，导致负载转矩给定值中的给定分项部分发生变化或/和负载转矩观测值部分发生变化时，快速降低负载转矩的观测误差，改善了观测效果和电机速度控制的快速性与精确性。反馈增益g在负载转矩给定值变化时即进行自动调整，能够在负载转矩观测值还没有发生较大变化，但因转子角速度给定值改变或/和转子角速度实际值改变使负载转矩给定值中的给定分项部分改变，或者是因系统模型参数发生变化使负载转矩给定值中的给定分项部分发生改变，将引起负载转矩观测值有较大波动时，提前调整反馈增益g，当负载转矩观测值真正产生观测误差时，加快观测器的响应速度，快速降低负载转矩观测值的观测误差，并进一步改善电机速度控制的快速性与精确性。

速度滑模控制器采用积分滑模控制方式的高压断路器电机驱动控制系统实施例2，其反馈增益依据负载转矩给定值T_L ^Δ的变化量进行自动调整的算法，作用与高压断路器电机驱动控制系统实施例1中，反馈增益依据最近2次负载转矩给定值的变化量与负载转矩观测值的变化量之和

进行自动调整的算法相同，避免了负载转矩观测器选择固定小反馈增益导致转矩观测波动大，选择固定大反馈增益导致收敛时间长的问题，能在系统的控制参数、模型参数等发生变化或者是负载发生扰动，导致负载转矩给定值T_L ^Δ发生变化(包括给定分项发生变化或/和补偿分项发生变化)时，快速降低负载转矩的观测误差，改善了观测效果和电机速度控制的快速性与精确性。反馈增益g依据负载转矩给定值变化T_L ^Δ进行自动调整，能够在负载转矩观测值

还没有发生较大变化，但因转子角速度给定值变化或/和转子角速度实际值变化使负载转矩给定值的给定分项发生变化，或者是系统模型参数发生变化使负载转矩给定值的给定分项发生变化，将引起负载转矩观测值有较大波动时，提前调整反馈增益g，当负载转矩观测值

真正产生观测误差时，加快观测器的响应速度，快速降低负载转矩观测值

的观测误差，并进一步改善电机速度控制的快速性与精确性。

在以上的各实施例中，转矩观测跟踪超调限值通常为电机额定转矩的1％～10％，具体来说，转矩观测跟踪超调限值是额定转矩的2％，或者是额定转矩的5％，或者是额定转矩的10％，等等。负载转矩从一个定值突变至另外一个定值，突变开始时刻至负载转矩观测器输出观测值稳定地进入负载转矩观测稳态抖差限值范围时刻为转矩观测过渡过程，跟踪调节时间指的是该过渡过程时间；负载转矩观测稳态抖差指的是负载转矩不变且负载转矩观测器处于稳态时观测转矩瞬时值与负载转矩之间的误差，该误差包括滑模观测器自身抖振引起的观测误差和负载波动之外干扰原因所造成的观测误差，或者是状态观测器因为转子角速度抖振引起的观测误差和负载波动之外干扰原因所造成的观测误差；负载转矩观测稳态抖差限值是负载转矩观测器允许的负载转矩观测稳态抖差最大绝对值；负载转矩观测稳态抖差限值通常与系统允许的负载转矩观测稳态误差最大值相同；负载转矩观测稳态抖差限值通常为电机额定转矩的1％～5％，具体来说，负载转矩观测稳态抖差限值是额定转矩的1％，或者是额定转矩的2％，或者是额定转矩的5％，等等。转矩观测跟踪超调量指的是负载转矩从一个定值突变至另外一个定值，负载转矩观测器输出的观测值超过突变后负载转矩的最大偏差值。当负载转矩观测的稳态抖差在负载转矩观测稳态抖差限值的临近范围之内，例如，95％～105％范围内，或者是98％～102％范围内时，认为负载转矩观测的稳态抖差增大到负载转矩观测稳态抖差限值。滑模速度控制器处于稳态指的是滑模速度控制器稳定地处于滑动模态；转子角速度稳态抖差指的是稳态时电机转子角速度瞬时值与稳态值之间的差值，转子角速度稳态抖差限值为系统允许的转子角速度稳态抖差最大绝对值。负载转矩观测器中，实施例1的滑模观测器处于稳态指的是滑模观测器稳定地处于滑动模态；实施例2的状态观测器处于稳态指的是状态观测器经过转矩观测过渡过程之后的工作状态。转子角速度稳态抖差指的是稳态时电机转子角速度瞬时值与稳态值之间的差值，转子角速度稳态抖差限值为系统允许的转子角速度稳态抖差最大绝对值；转子角速度稳态抖差限值通常与系统允许的转子角速度稳态误差最大值相同。

本发明中，高压断路器电机驱动控制系统的电机为永磁同步电机，高压断路器电机驱动控制系统为永磁同步电机速度控制系统。本发明所提供的永磁同步电机速度控制系统及永磁同步电机速度控制方法，除用于高压断路器电机的驱动控制之外，还可以用于其他永磁同步电机应用场合。

除说明书所述的技术特征外，本发明所涉及的其他技术均为本领域技术人员所掌握的常规技术。例如，q轴电流控制器、d轴电流控制器采用PI控制器进行控制及控制器参数的选择，滑模速度控制器控制参数的选择，位置与速度检测模块使用旋转变压器或光电编码器等进行永磁同步电机转子旋转角度与旋转速度检测，以及对于Clarke变换模块、Park变换模块、Park逆变换模块和SVPWM模块、三相逆变器的变换方法及应用方法，等等，均为本领域技术人员所掌握的常规技术。

Claims (10)

1.一种高压断路器电机驱动控制系统，其特征在于，包括：滑模速度控制器、负载转矩观测器、q轴电流控制器、d轴电流控制器、Clarke变换模块、位置与速度检测模块、Park变换模块、Park逆变换模块、SVPWM模块和三相逆变器；

滑模速度控制器的状态变量为

其中，ω是转子角速度，ω^*是给定转子角速度；滑模速度控制器的滑模面为s＝cx₁+x₂，c为滑模面参数，且c＞0；滑模速度控制器输出的负载转矩给定值

和转矩电流给定分量i′_q为

其中，J是转动惯量，p是电机极对数，ψ_f是永磁体磁链；系数k₁、k₂、k₃、k₄为速度滑模控制的指数趋近率系数，且k₁＞0，k₂＞0，0＜k₃＜1，k₄＞0；

负载转矩观测器为

；

其中，

是转子角速度估计值，g是负载转矩观测器的反馈增益且g＜0；

k_W是负载转矩观测器的比例增益且k_W＜0；

负载转矩观测器根据负载转矩给定值和负载转矩观测值的变化对反馈增益进行调整，方法是：

步骤1、负载转矩观测器对负载转矩进行T_L观测，得到负载转矩观测值

滑模速度控制器进行控制运算得到负载转矩给定值

步骤2、计算

步骤3、判断ΔT是否大于ε₂；当ΔT大于ε₂时，取反馈增益g等于g_min并退出；当ΔT小于等于ε₂时，进入步骤4；

步骤4、判断ΔT是否小于ε₁；当ΔT小于ε₁时，取反馈增益g等于g_max并退出；当ΔT大于等于ε₁时，进入步骤5；

步骤5、反馈增益g按照

进行计算；其中，ε₁为转矩变化低限比较阈值，ε₂为转矩变化高限比较阈值，且0＜ε₁＜ε₂；g_max为反馈增益高值，g_min为反馈增益低值，且g_min＜g_max＜0；

滑模速度控制器参数和负载转矩观测器参数均采用狼群算法进行优化整定。

2.如权利要求1所述的高压断路器电机驱动控制系统，其特征在于，滑模速度控制器参数和负载转矩观测器参数采用狼群算法进行优化整定的方法是：

步骤101，初始化狼群；狼群中各匹狼的初始位置为

其中M为狼群狼匹数量；

步骤102，游猎竞争；计算狼群中各匹狼的适应值，选择位置最优的R₁匹狼为竞选狼；R₁匹竞选狼展开游猎搜索行为，各竞选狼根据适应值大小竞争头狼；

步骤103，召唤奔袭；竞选狼之外的其它狼匹展开奔袭搜索行为，向头狼奔袭；计算第i匹狼新位置的适应值，当第i匹狼搜索到的新位置优于自身的目前位置时，对其位置加以变更，否则保持不变；若第i匹狼搜索到的新位置优于头狼位置，则该第i匹狼转换为头狼并重新发起召唤奔袭；

步骤104，围攻猎物；在头狼的召唤下，其它狼匹对猎物展开围攻；计算第i匹狼新位置的适应值，当第i匹狼围攻过程中搜索到的新位置优于当前位置时，对该匹狼的位置加以变更，否则保持不变；若第i匹狼围攻搜索到的新位置优于头狼位置，则该第i匹狼转换为头狼；

步骤105，终止条件判断；若循环迭代次数达到，则终止优化过程，头狼位置参数为最优参数；否则令n＝n+1，转向步骤106；

步骤106，竞争更新；随机产生R₂匹狼代替狼群中R₂匹适应值最差的狼，转向步骤102。

3.如权利要求2所述的高压断路器电机驱动控制系统，其特征在于，滑模速度控制器参数采用狼群算法进行优化整定时，待优化的参数向量为θ＝[c，k₁，k₂，k₃，k₄]，搜索空间维度N等于5；狼群中各匹狼的适应值为Q₁，按照式

进行计算，其中，e(t)为转子角速度误差瞬时值，t_m为电机转子角速度阶跃响应的过渡过程时间，t＝0为电机阶跃响应的启动时刻；Q₁₁中的第二项γ_m1(1-sgn(e(t)+ω_δ))为角速度超调罚函数，其中γ_m1为一个足够大的正数，ω_δ为转子角速度超调量限值；Q₁₂为稳态抖差罚函数，ω_Δ为转子角速度稳态抖差限值；γ_m2≥2。

4.如权利要求3所述的高压断路器电机驱动控制系统，其特征在于，负载转矩观测器参数采用狼群算法进行优化整定时，待优化的参数向量为θ₂＝[G_max，G_min，ε₁，ε₂，β]，搜索空间维度N等于5；狼群中各匹狼的适应值为Q₂，按照式

进行计算，其中，

为负载转矩观测误差，e₂(t)为负载转矩观测误差瞬时值，t_p为电机负载转矩观测阶跃响应的跟踪调节时间，t＝0为负载转矩观测阶跃响应的负载突变时刻；Q₂₁中的第二项γ_p1(1-sgn(e₂(t)+T_δ))为转矩观测跟踪超调罚函数，T_δ为转矩观测跟踪超调限值，γ_p1取一个足够大的正数；max(|e₂(t)|)为最大转矩观测稳态抖差绝对值，γ_p2为适应度平衡侧重系数，取大于0的常数；Q₂₂中第二项γ_p1(1-sgn(e₂(t)+T_Δ))为转矩观测稳态抖差罚函数，T_Δ为负载转矩观测稳态抖差限值；γ_p3≥2。

5.如权利要求4所述的高压断路器电机驱动控制系统，其特征在于，g_max与G_max的关系为

g_min与G_min的关系为

k_W与β的关系为

其中，T_N是电机负载转矩额定值，β＞0。

6.如权利要求5所述的高压断路器电机驱动控制系统，其特征在于，1≤β≤20。

7.如权利要求2-6中任一项所述的高压断路器电机驱动控制系统，其特征在于，

游猎竞争的具体步骤是：

步骤1021，每一匹竞选狼随机选择h₁个方向，根据式

沿着每个方向搜索参数前进一步后再退回；计算前进后的适应值，选出所有方向上的最小适应值，若该最小适应值小于该匹竞选狼原位置的适应值，则将该匹竞选狼原位置替换为该最小适应值所处位置；其中，i＝1，2，…，R₁；j＝1，2，…，N；rand(-1，1)是均匀分布在[-11]内的随机数；l＝1，2，…，h₁；stepa是游猎步长；m_i是第i匹竞选狼的位置；

步骤1022，每一匹竞选狼重复h₂次步骤3021；

步骤1023，所有R₁匹竞选狼完成步骤1022后，选择位置最优的竞选狼为头狼。

8.如权利要求7所述的高压断路器电机驱动控制系统，其特征在于，狼匹展开奔袭搜索行为按照式

m′_ij＝m_ij+rand(-1，1)·stepb·(m_bj-m_ij)

进行；其中，i＝1，2，…，M-R₁；j＝1，2，…，N；m′_i表示第i匹狼搜索更新的位置；m_i表示第i匹狼的当前位置；m_b表示当前的头狼位置；stepb是奔袭步长。

9.如权利要求8所述的高压断路器电机驱动控制系统，其特征在于，狼匹对猎物展开围攻按照式

进行；其中，i＝1，2，…，M-1；j＝1，2，…，N；

表示第i匹狼的当前位置；m_b表示当前的头狼位置；δ为预先设立的阈值，0＜δ＜1；stepc是围攻步长。

10.如权利要求9所述的高压断路器电机驱动控制系统，其特征在于，围攻步长stepc按照式

进行计算；其中，n为当前的迭代次数，n_max为设定的最大迭代次数；stepc_max、stepc_min分别为设定的最大围攻步长、最小围攻步长；m_jmax和m_jmin分别为第j维参数取值区间的最大值和最小值。

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