CN112910328A - 一种基于转矩观测补偿的永磁同步电机加速度安排方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于转矩观测补偿的永磁同步电机加速度安排方法，包括如下步骤：步骤一、搭建基于卡尔曼滤波器的负载转矩观测器；步骤二、通过卡尔曼滤波器的迭代算法得出电机的实时负载转矩；步骤三、将电机的实时负载转矩值进行平均滤波计算，判断电机负载转矩值是否稳定；步骤四、当电机负载转矩值稳定后，需要改变速度时，运行加速度安排程序。本发明能够提高系统的运行性能，优化系统对于速度命令的调节时间，使得系统能够以最短时间追踪目标速度设定。

Description

一种基于转矩观测补偿的永磁同步电机加速度安排方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机伺服控制技术领域，具体涉及一种基于转矩观测器补偿的永磁同步电机加速度安排方法。

背景技术

随着电子器件技术和永磁材料的发展，永磁同步电机依靠其简单的结构，可以在不同速度下稳定运行，具有体积小等优点，永磁同步电机已经占据我国电机市场的百分之七十以上，且占有比例在不断的提高。永磁同步电机已经运用于航空航天、深潜、军工等“高精尖”领域。永磁同步电机较有刷电机，将机械换向变成了电子换向，使得电机在换向时不会有火花生成。

但是永磁同步电机在调速过程中，若对其加速过程不加以处理，在有载情况下，其启动电流将超过额定电流的两倍以上，将对电源有很大的冲击，也极易触发伺服控制器的过流保护功能，使得系统不能正常运行。为了使得电机能够在限定电流下，以最快速度达到设定速度，故需要对电机的加速过程做一个过渡过程的安排。加速度过程安排一般都是根据设定加速度时间，但是设定的加速度时间不一定是最快的调节时间。

电机运行时其电流是与电机参数与电机负载相关的，负载越大，电机运行电流越大。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于转矩观测器补偿的永磁同步电机加速度安排方法，旨在提高系统的运行性能，优化系统对于速度命令的调节时间，使得系统能够以最短时间追踪目标速度设定。

为达成上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于转矩观测补偿的永磁同步电机加速度安排方法，包括如下步骤：

步骤一、搭建基于卡尔曼滤波器的负载转矩观测器；

步骤二、通过卡尔曼滤波器的迭代算法得出电机的实时负载转矩；

步骤三、将电机的实时负载转矩值进行平均滤波计算，判断电机负载转矩值是否稳定；

步骤四、当电机负载转矩值稳定后，需要改变速度时，运行加速度安排程序。

进一步地，所述步骤一中负载转矩观测器的方程为

进一步地，所述步骤三的具体过程为：将采集到的实时负载转矩值与前三个负载转矩采集周期的值进行对比，计算其平均值，判定四个采集值与平均值得波动是否小于百分之3。

进一步地，所述加速度安排程序包括三个部分：起始缓冲周期数、正常加速度周期数、终止缓冲周期数；起始缓冲周期数是在该阶段将加速度值不断累加在这个周期结束时累加到目标加速度值；正常加速度周期数是在该阶段对电机进行平稳的加速；终止缓冲周期数是在该阶段结束时使得电机的加速度减为0。

进一步地，所述起始缓冲周期数的计算公式为：

式中：T_L为实时负载转矩，T_L额为额定转矩，v_max为电机的额定转速，α，β为可调比例因子；

该阶段的速度变化值的计算公式为：

Δv_起始＝Δv*(T_起始*γ)

式中：γ为可调比例因子。

进一步地，所述终止缓冲周期数的计算公式为：

T_终止＝T_起始*δ

式中：δ为可调比率因子；

该阶段的速度变化值的计算公式为：

Δv_终止＝Δv*(T_终止*γ)

进一步地，所述正常加速度周期数的计算公式为：

该阶段的速度变化值的计算公式为：

Δv_正常＝Δv-Δv_起始-Δv_终止

本发明与现有技术相对比，其有益效果在于：本发明在电机启动后使用负载转矩观测器观测电机的实时转矩，将实时转矩数据返回控制器，根据返回的实时负载转矩，将其值与额定转矩值进行对比，为下一次的速度改变命令安排加速过程，从而提高系统的运行性能，优化系统对于速度命令的调节时间，使得系统能够以最短时间追踪目标速度设定。

附图说明

图1是本发明的整体流程框图。

图2是本发明中转矩观测器的流程框图。

图3是本发明控制框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步具体的说明。

实施例：一种基于转矩观测补偿的永磁同步电机加速度安排方法，首先确定永磁同步电机的运动学方程，确定其输入为q轴电流，在使用传感器获得电机负载转矩和电机转子实时位置后，使用卡尔曼滤波器对于电机的实时转矩进行观测。当观测值稳定后，当检测到有外部输入速度改变指令时，给电机加速度安排过渡过程，整个过程有三个阶段，分别为：启动缓冲阶段、正常加速阶段、终止缓冲阶段。在三个阶段中，通过检测到的实时转矩值确定不同的周期数和加速度量。本发明可以根据实时转矩值，通过调节可调比例因子值，使得电机能够在最快速度内平稳的加速到目标速度，有效的防止加速过程中电流波动过大对于控制器和电源造成损坏。

具体而言，本实施例包括如下步骤：

步骤一、搭建基于卡尔曼滤波器的负载转矩观测器，首先写出永磁同步电机的运动学方程为：

上式中J为电机的转动惯量，w_e为转子的机械角速度，T_em为电机的电磁转矩，B为电机的摩擦系数，T_L为电机的负载转矩。

式(1)中的电磁转矩T_em可以表示为：

T_em＝1.5n_pψ_fi_q#(2)

上式中n_p为电机的极对数，ψ_f为永磁体基波磁链，i_q为q轴电流，可以令1.5n_pψ_f＝K,故式(2)可以改写为：

T_em＝Ki_q#(3)

从而永磁同步电机的运动学方程可以写为：

上式中θ表示电机的机械角度。

将运动学方程写成矩阵方程的形式：

y＝θ＝Cx#(5b)

上式中输入信号u为q轴电流i_q，该值可以通过外部传感器实时观测。对上式进行离散化处理可得：

上式中

由于系统模型或者参数的误差和测量过程中的误差需要在离散化的运动学方程中添加系统噪声w(k)和测量噪声v(k)故式(6)变为：

步骤二、通过卡尔曼滤波器的迭代算法求出电机的实时负载转矩。

如图2所示，转矩观测，需要先对状态变量的初值进行设定，通过转矩传感器对于转矩的采集数据和增量式编码器对电机转子位置采集的实时数据，该递推过程如下：

(1)将上一个状态的状态变量值x(k-1)和此时刻通过转矩传感器和增量式编码器采集到的转矩和转子位置值作为输入矩阵u(k-1),计算状态变量x(k)的先验估计值计算公式为式(7)

(2)计算状态变量x(k)先验估计值的误差协方差矩阵P_i(k),其计算公式为：

P_i(k)＝FP(k-1)F^T+Q(K-1)#(8)

上式中P(k-1)为上一时刻的协方差矩阵，Q(K-1)为输入噪声的协方差矩阵。

(3)计算卡尔曼增益，卡尔曼增益的计算公式为：

K(k)＝P_i(k)C^T(CP_i(k)C^T+R(k-1))^-1#(9)

上式中R(k-1)为输出噪声的协方差矩阵。

(4)根据先验估计值的误差协方差矩阵和卡尔曼增益计算状态变量的最优估计值，其计算公式为：

x(k)＝x^-(k)+K(k)(y(k)-Cx^-(k))#(10)

上式中x^-(k)为状态变量x(k)的先验估计值

(5)计算协方差矩阵，其计算公式为：

P(k)＝(I-K(k)C)P_i(k)#(11)

步骤三、将电机的实时负载转矩值进行平均滤波计算，判断电机负载转矩值是否稳定。

在永磁同步电机第一次上电之后，第一次启动的加速度过程，需按照设定加速度过程运行，不能使用基于负载观测器的加速度安排，因为此时负载转矩检测值没有达到实际负载转矩值，负载转矩观测有一定的延迟性。故在负载转矩数值稳定后才能运行本发明的加速度安排方法。

具体而言，将采集到的实时负载转矩值与前三个负载转矩采集周期的值进行对比，计算其平均值，判定四个采集值与平均值得波动是否小于百分之3，若满足该条件，即判定电机负载转矩值达到稳定状态。

步骤四、当负载转矩数值稳定后，当检测到有外部输入指令，需要改变速度时，运行加速度安排程序。整个加速度过程分为三个部分：起始缓冲周期数、正常加速度周期数、终止缓冲周期数。起始缓冲周期数的作用是在该阶段的几个指定周期内将加速度值不断累加在这个周期结束时累加到目标加速度值。正常加速度周期数的作用是在该阶段对电机进行平稳的加速。终止缓冲周期数的作用是在该阶段结束时使得电机的加速度减为0，防止电机速度有过大的过冲。

为了该方法能够最大程度上适应不同的永磁同步电机，故需要几个电机参数值，分别为：电机的额定电流、电机的额定转矩、电机的额定转速。

当可以进行加速度过程安排后，总的加速度周期数为：

T_起始+T_正常+T_终止＝T_总#(12)

上式中T_起始为起始缓冲周期数，T_正常为正常加速度周期数，T_终止为终止缓冲周期数。

起始缓冲阶段速度改变量为：

上式中Δv_起始为起始阶段速度改变量，a_起始i为起始阶段第i个周期加速度值。

正常加速阶段的速度改变量为：

Δv_正常＝T_正常*a_正常#(14)

上式中Δv_正常为正常阶段速度改变量，a_正常为正常阶段加速度值。

终止缓冲阶段的速度改变量为：

上式中Δv_终止为终止缓冲阶段速度改变量，a_终止i为终止缓冲阶段第i个周期的加速度值。

故加速度阶段的速度改变量为：

Δv＝Δv_起始+Δv_正常+Δv_终止#(16)

计算起始阶段所需周期数与速度变换占总速度变换的比例。起始阶段所需周期数的计算公式为：

上式中T_L为实时负载转矩，T_L额为额定转矩，v_max为电机的额定转速，α，β为可调比例因子。

起始阶段速度变化值的计算公式为：

Δv_起始＝Δv*(T_起始*γ)#(18)

上式中γ为可调比例因子

计算终止阶段所需周期数与速度变换。终止缓冲阶段所需周期数的计算公式为

T_终止＝T_起始*δ#(19)

上式中δ为可调比率因子

同理终止阶段速度变换值的计算公式为：

Δv_终止＝Δv*(T_终止*γ)#(20)

计算正常阶段所需周期数与速度变换。正常阶段速度变换公式为：

Δv_正常＝Δv-Δv_起始-Δv_终止#(21)

正常阶段所需周期数为：

具体而言，加速度安排程序的具体运行过程为：

(1)将电机负载转矩值、实时速度值、额定转速值、额定转矩值、速度改变值作为加速度安排模块的输入。

(2)计算起始阶段所需的周期数和起始阶段的速度改变量，具体运算公式如式(17)和式(18)所示。对于计算出的周期数需要向上取整。计算的速度改变量需要取整。

(3)计算终止阶段的周期数和终止阶段的速度该变量，具体计算公式如式(19)和式(20)所示。同样，周期数和速度改变量也需要进行取整处理。

(4)计算正常阶段的周期数和速度改变量，具体计算公式如式(21)和式(22)所示。同样，周期数和速度改变量也需要进行取整处理。

(5)通过计算所得的加速度周期和每个阶段的速度改变值进行加速度过程安排。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于转矩观测补偿的永磁同步电机加速度安排方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、搭建基于卡尔曼滤波器的负载转矩观测器；

步骤二、通过卡尔曼滤波器的迭代算法得出电机的实时负载转矩；

步骤三、将电机的实时负载转矩值进行平均滤波计算，判断电机负载转矩值是否稳定；

步骤四、当电机负载转矩值稳定后，需要改变速度时，运行加速度安排程序。

2.根据权利要求1所述的一种基于转矩观测补偿的永磁同步电机加速度安排方法，其特征在于，所述步骤一中负载转矩观测器的方程为

3.根据权利要求1所述的一种基于转矩观测补偿的永磁同步电机加速度安排方法，其特征在于，所述步骤三的具体过程为：将采集到的实时负载转矩值与前三个负载转矩采集周期的值进行对比，计算其平均值，判定四个采集值与平均值得波动是否小于百分之3。

4.根据权利要求1所述的一种基于转矩观测补偿的永磁同步电机加速度安排方法，其特征在于，所述加速度安排程序包括三个部分：起始缓冲周期数、正常加速度周期数、终止缓冲周期数；起始缓冲周期数是在该阶段将加速度值不断累加在这个周期结束时累加到目标加速度值；正常加速度周期数是在该阶段对电机进行平稳的加速；终止缓冲周期数是在该阶段结束时使得电机的加速度减为0。

5.根据权利要求4所述的一种基于转矩观测补偿的永磁同步电机加速度安排方法，其特征在于，所述起始缓冲周期数的计算公式为：

式中：T_L为实时负载转矩，T_L额为额定转矩，v_max为电机的额定转速，α，β为可调比例因子；

该阶段的速度变化值的计算公式为：

Δv_起始＝Δv*(T_起始*γ)

式中：γ为可调比例因子。

6.根据权利要求5所述的一种基于转矩观测补偿的永磁同步电机加速度安排方法，其特征在于，所述终止缓冲周期数的计算公式为：

T_终止＝T_起始*δ

式中：δ为可调比率因子；

该阶段的速度变化值的计算公式为：

Δv_终止＝Δv*(T_终止*γ)

7.根据权利要求6所述的一种基于转矩观测补偿的永磁同步电机加速度安排方法，其特征在于，所述正常加速度周期数的计算公式为：

该阶段的速度变化值的计算公式为：

Δv_正常＝Δv-Δv_起始-Δv_{终止 ^。}

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