CN112953317A - 一种基于观测器的负载扰动快速抑制方法 - Google Patents

一种基于观测器的负载扰动快速抑制方法 Download PDF

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黄文俊
李男
朱庆雪
李新
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    • H02P2207/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
    • H02P2207/05—Synchronous machines, e.g. with permanent magnets or DC excitation

Abstract

本发明属于伺服驱动器负载扰动抑制技术领域，尤其是一种基于观测器的负载扰动快速抑制方法，包括包括如下步骤：步骤一：列出永磁同步电机动力学方程：步骤二：列写状态方程：当控制器采样周期很小时，一个周期内，负载可认为恒定不变步骤三：降阶观测器构建：步骤四：转矩电流前馈补偿：将负载转矩观测器观测到的负载转矩按比例前馈补偿到转矩电流中，作为负载扰动的补偿信号，即可得转矩电流前馈补偿的永磁同步电机抗负载扰动控制系统。本发明一种基于转矩电流前馈补偿的抗负载扰动控制策略，在观测器原有的积分环节中加入比例环节对负载转矩进行实时观测，能有效提高负载转矩观测的收敛速度。

Description

一种基于观测器的负载扰动快速抑制方法
技术领域
本发明涉及伺服驱动器负载扰动抑制技术领域，尤其涉及一种快速识别负载扰动并进行抑制的方法，可提高伺服系统速度控制的精度和响应性。
背景技术
负载，在物理学中指连接在电路中的电源两端的电子元件，用于把电能转换成其他形式的能的装置。常用的负载有电阻、引擎和灯泡等可消耗功率的元件。对负载最基本的要求是阻抗匹配和所能承受的功率，负载，又称负荷、载荷。物理含义指将电能转换成其他形式能量的装置，是一切用电器的统称。例如电灯泡、电动机、电炉等都叫负载，它们分别将电能转化成光能、机械能、热能等。另一方面，对电力系统、电气设备本身来说，它们承受载荷都有一定限度，一般都在其铭牌上标注。超过这个限度就叫过载，过载是不允许的，它是引起事故的重要原因。
电机在实际运行中，由于负载时变且不可预测，仅采用PI调节器不能很好地抑制负载扰动带来的转速波动，需要对各个性能指标进行折中考虑。针对抗负载扰动的问题，引入负载转矩的前馈补偿，转换成两自由度控制系统是一个比较好的解决方案，但是如果要对负载转矩直接测量，会使系统成本较高，并且仪器精度和响应速度都会影响负载转矩的测量。
发明内容
基于背景技术中提出的针对抗负载扰动的问题，引入负载转矩的前馈补偿，转换成两自由度控制系统是一个比较好的解决方案，但是如果要对负载转矩直接测量，会使系统成本较高，并且仪器精度和响应速度都会影响负载转矩的测量的技术问题，本发明提出了一种基于观测器的负载扰动快速抑制方法。
本发明提出的一种基于观测器的负载扰动快速抑制方法，包括如下步骤：
步骤一：列出永磁同步电机动力学方程：
Figure BDA0002975171540000021
Figure BDA0002975171540000022
步骤二：列写状态方程：
当控制器采样周期很小时，一个周期内，负载可认为恒定不变，即：
Figure BDA0002975171540000023
因此状态方程可写成：
Figure BDA0002975171540000024
步骤三：降阶观测器构建：
Figure BDA0002975171540000025
步骤四：转矩电流前馈补偿：
将负载转矩观测器观测到的负载转矩按比例前馈补偿到转矩电流中，作为负载扰动的补偿信号，即可得转矩电流前馈补偿的永磁同步电机抗负载扰动控制系统。
优选地，所述永磁同步电机动力学方程的式中：Te为电磁转矩，J为转动惯量，wm为转子机械角速度，bm为摩擦系数，θm为机械角度，Tl为负载转矩。
优选地，所述状态方程的式中：
Figure BDA0002975171540000031
u＝Te C＝[1 0] y＝wm。
优选地，所述步骤三中的式中，
Figure BDA0002975171540000032
为状态变量的估计值，K1＝[k1 k2]T，K2＝[k3 k4]T为反馈矩阵。
优选地，所述(3)和(4)可以得到：
Figure BDA0002975171540000033
式中，为观测误差。观测器的特征方程可以表示为：
Figure BDA0002975171540000034
根据期望极点α、β可得：
Figure BDA0002975171540000041
假设bm＝0，设计k1＝k3＝0，则可得：
Figure BDA0002975171540000042
根据式(4)，可得：
Figure BDA0002975171540000043
优选地，所述负载的识别的方法包括以下步骤：
S1：可间歇地对并联有检测基准电容的负载端施加为恒流的检测电流，并对经所述检测电流充电后的所述检测基准电容进行放电；
S2：获取所述负载端的电压在施加所述检测电流的过程中的变化表征指标；
S3：若当前检测电流施加周期内的电压变化表征指标与参照指标间的差异满足预设基准，则在所述负载端上有负载接入。
优选地，所述负载输出为恒流的检测电流的恒流模块，及用于获取所述负载的电压的电压检测模块；所述负载上并联有检测基准电容；控制模块用于控制所述恒流模块间歇地向所述负载端施加所述检测电流，控制所述放电模块对经所述检测电流充电后的所述检测基准电容进行放电，及在所述负载的电压在当前检测电流施加周期内的变化表征指标与参照指标间的差异满足预设基准时，输出表征在所述负载端上有负载接入的识别结果信号。
本发明中的有益效果为：
1、该基于观测器的负载扰动快速抑制方法，通过采用状态观测器对负载转矩进行观测是一个很好的选择，在降阶观测器的基础上，提出一种改进型的负载转矩观测器，新型观测器根据电机的转速和转矩电流，将比例和积分引入负载转矩的观测中，可提高辨识收敛性和辨识收敛速度，将观测到的负载转矩值按比例前馈补偿给转矩电流调节器的输入。在系统负载突变时，利用该观测器对转矩电流进行前馈补偿能减小负载变化对电机转速的影响，从而提高永磁同步电机转速环的鲁棒性。
2、该基于观测器的负载扰动快速抑制方法，通过采用降阶观测器对永磁同步电机负载转矩进行观测，响应速度快，观测精度高。
3、该基于观测器的负载扰动快速抑制方法，通过选用合适的补偿系数将观测到的负载转矩，作为转矩电流的前馈补偿，可以补偿负载转矩变化引起的转速波动。
4、该基于观测器的负载扰动快速抑制方法，通过提出的基于负载转矩观测器的PMSM抗负载扰动控制策略可以提高永磁同步电机转速环的抗扰动性能。
该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于观测器的负载扰动快速抑制方法的抗负载扰动控制框图；
图2为本发明提出的一种基于观测器的负载扰动快速抑制方法的抑制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
参照图1-2，一种基于观测器的负载扰动快速抑制方法，包括包括如下步骤：
步骤一：列出永磁同步电机动力学方程：
Figure BDA0002975171540000071
Figure BDA0002975171540000072
步骤二：列写状态方程：
当控制器采样周期很小时，一个周期内，负载可认为恒定不变，即：
Figure BDA0002975171540000073
因此状态方程可写成：
Figure BDA0002975171540000074
步骤三：降阶观测器构建：
Figure BDA0002975171540000075
步骤四：转矩电流前馈补偿：
将负载转矩观测器观测到的负载转矩按比例前馈补偿到转矩电流中，作为负载扰动的补偿信号，即可得转矩电流前馈补偿的永磁同步电机抗负载扰动控制系统。
本发明中，永磁同步电机动力学方程的式中：Te为电磁转矩，J为转动惯量，wm为转子机械角速度，bm为摩擦系数，θm为机械角度，Tl为负载转矩。
本发明中，状态方程的式中：
Figure BDA0002975171540000081
u＝Te C＝[1 0] y＝wm。
本发明中，步骤三中的式中，
Figure BDA0002975171540000082
为状态变量的估计值，K1＝[k1 k2]T，K2＝[k3 k4]T为反馈矩阵。
本发明中，3)和(4)可以得到：
Figure BDA0002975171540000083
式中，为观测误差。观测器的特征方程可以表示为：
Figure BDA0002975171540000084
根据期望极点α、β可得：
Figure BDA0002975171540000085
假设bm＝0，设计k1＝k3＝0，则可得：
Figure BDA0002975171540000086
根据式(4)，可得：
Figure BDA0002975171540000087
本发明中，负载的识别的方法包括以下步骤：
S1：可间歇地对并联有检测基准电容的负载端施加为恒流的检测电流，并对经检测电流充电后的检测基准电容进行放电；
S2：获取负载端的电压在施加检测电流的过程中的变化表征指标；
S3：若当前检测电流施加周期内的电压变化表征指标与参照指标间的差异满足预设基准，则在负载端上有负载接入。
本发明中，负载输出为恒流的检测电流的恒流模块，及用于获取负载的电压的电压检测模块；负载上并联有检测基准电容；控制模块用于控制恒流模块间歇地向负载端施加检测电流，控制放电模块对经检测电流充电后的检测基准电容进行放电，及在负载的电压在当前检测电流施加周期内的变化表征指标与参照指标间的差异满足预设基准时，输出表征在负载端上有负载接入的识别结果信号。
通过采用状态观测器对负载转矩进行观测是一个很好的选择，在降阶观测器的基础上，提出一种改进型的负载转矩观测器，新型观测器根据电机的转速和转矩电流，将比例和积分引入负载转矩的观测中，可提高辨识收敛性和辨识收敛速度，将观测到的负载转矩值按比例前馈补偿给转矩电流调节器的输入。在系统负载突变时，利用该观测器对转矩电流进行前馈补偿能减小负载变化对电机转速的影响，从而提高永磁同步电机转速环的鲁棒性，通过采用降阶观测器对永磁同步电机负载转矩进行观测，响应速度快，观测精度高，通过选用合适的补偿系数将观测到的负载转矩，作为转矩电流的前馈补偿，可以补偿负载转矩变化引起的转速波动。
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 (7)

1.一种基于观测器的负载扰动快速抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：列出永磁同步电机动力学方程：
Figure FDA0002975171530000011
Figure FDA0002975171530000012
步骤二：列写状态方程：
当控制器采样周期很小时，一个周期内，负载可认为恒定不变，即：
Figure FDA0002975171530000013
因此状态方程可写成：
Figure FDA0002975171530000014
步骤三：降阶观测器构建：
Figure FDA0002975171530000015
步骤四：转矩电流前馈补偿：
将负载转矩观测器观测到的负载转矩按比例前馈补偿到转矩电流中，作为负载扰动的补偿信号，即可得转矩电流前馈补偿的永磁同步电机抗负载扰动控制系统。
2.根据权利要求1所述的一种基于观测器的负载扰动快速抑制方法，其特征在于，所述永磁同步电机动力学方程的式中：Te为电磁转矩，J为转动惯量，wm为转子机械角速度，bm为摩擦系数，θm为机械角度，Tl为负载转矩。
3.根据权利要求1所述的一种基于观测器的负载扰动快速抑制方法，其特征在于，所述状态方程的式中：
Figure FDA0002975171530000021
u＝Te C＝[1 0] y＝wm。
4.根据权利要求1所述的一种基于观测器的负载扰动快速抑制方法，其特征在于，所述步骤三中的式中，
Figure FDA0002975171530000022
为状态变量的估计值，K1＝[k1 k2]T,K2＝[k3 k4]T为反馈矩阵。
5.根据权利要求4所述的一种基于观测器的负载扰动快速抑制方法，其特征在于，所述(3)和(4)可以得到：
Figure FDA0002975171530000023
式中，
Figure FDA0002975171530000024
为观测误差。观测器的特征方程可以表示为：
Figure FDA0002975171530000025
根据期望极点α、β可得：
Figure FDA0002975171530000026
假设bm＝0，设计k1＝k3＝0，则可得：
Figure FDA0002975171530000031
根据式(4)，可得：
Figure FDA0002975171530000032
6.根据权利要求1所述的一种基于观测器的负载扰动快速抑制方法，其特征在于，所述负载的识别的方法包括以下步骤：
S1：可间歇地对并联有检测基准电容的负载端施加为恒流的检测电流，并对经所述检测电流充电后的所述检测基准电容进行放电；
S2：获取所述负载端的电压在施加所述检测电流的过程中的变化表征指标；
S3：若当前检测电流施加周期内的电压变化表征指标与参照指标间的差异满足预设基准，则在所述负载端上有负载接入。
7.根据权利要求6所述的一种基于观测器的负载扰动快速抑制方法，其特征在于，所述负载输出为恒流的检测电流的恒流模块，及用于获取所述负载的电压的电压检测模块；所述负载上并联有检测基准电容；控制模块用于控制所述恒流模块间歇地向所述负载端施加所述检测电流，控制所述放电模块对经所述检测电流充电后的所述检测基准电容进行放电，及在所述负载的电压在当前检测电流施加周期内的变化表征指标与参照指标间的差异满足预设基准时，输出表征在所述负载端上有负载接入的识别结果信号。
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