CN114421836A - 一种基于转矩观测的永磁同步电机控制方法 - Google Patents

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陶春荣
陈威
彭志文
朱瑞杰
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Abstract

本发明公开一种基于转矩观测的永磁同步电机控制方法，属于电机控制技术领域。本发明为了提高永磁同步电机的动态性能，通过对传统永磁同步电机转速电流双闭环的控制方式做了一定的改变，增加负载观测器实时观测电机的负载转矩并以负载转矩的观测值作为电流环控制算法的前馈，补偿电流环的控制量。本方法无需添加硬件设备，提高了永磁同步电机控制系统的动态性能。

Description

一种基于转矩观测的永磁同步电机控制方法
技术领域
本发明属于电机控制技术领域。
背景技术
永磁同步电机具有高效率、高功率密度等优点，因此永磁同步电机逐渐成为研究热点。矢量控制将永磁同步电机等效为直流电机的控制方式，解决了交流电机控制复杂的问题，是永磁同步电机最常用的控制方法之一。但矢量控制控制存在高负载、低转速下动态响应慢等问题，因此有学者提出通过观测负载转矩，提高永磁同步电机的动态性能。
卢子广等公开的“一种基于永磁同步电机转矩预测控制方法”(CN107104617A)专利中公开了一种永磁同步电机转矩预测控制方法，通过采样定子电流、直流侧电压和转速，估算出定转子的磁链分量，并通过滚动计优化等计算出下一时刻的驱动信号。但该方法适用于永磁同步电机直接转矩的控制方式，并不适用于矢量控制。
丁文等公开的“基于扩展卡尔曼滤波器的表贴式永磁同步电机负载转矩观测方法”
(CN111193448A)专利中公开了一种根据永磁同步电机用于负载观测的数学模型，并将该模型带入到扩展卡尔曼滤波算法中，实现对永磁同步电机负载转矩的观测。但扩展卡尔曼滤波算法较为复杂，不便于实际工程中的应用。同时，需要电压传感器，增加了系统的硬件复杂度及成本。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于转矩观测的永磁同步电机控制方法，采取以下技术方案来实现：
步骤1，在永磁同步电机传统转速电流双闭环的控制中，通过采样永磁同步电机的三相电流和转速送入负载转矩观测器，实时观测永磁同步电机的负载转矩；
步骤2，将负载观测器观测到的负载转矩、速度环PI控制器的输出值与电流环的反馈值进行运算，并将运算结果作为电流环的输入；
步骤3，经过电流环PI控制器的运算，输出控制信号控制永磁同步电机旋转。
进一步的，所述步骤1中通过永磁同步电机的运动方程推导其状态方程，通过其状态方程构建负载观测器；随着永磁同步电机转速和电流的稳定，负载观测器的观测值逐渐接近给定值：
步骤1-1：根据永磁同步电机的运动方程列出其状态方程：
已知电机的运动方程为：
Figure BDA0003486713320000021
由于负载转矩的变化率远小于系统的采样频率，在一个控制周期内可将dTL/dt看做为零。根据以上分析，可列出永磁同步电机的状态方程为：
Figure BDA0003486713320000022
式中：
Figure BDA0003486713320000023
C＝[1 0]，u＝Te，y＝ωm；
上式化简为：
Figure BDA0003486713320000024
步骤1-2：在此基础上根据永磁同步电机的转速和电流构建了负载观测器，通过负载观测器与状态方程作差得到转速和电流的误差值：
构建负载状态观测器，表达式为：
Figure BDA0003486713320000025
式中：
Figure BDA0003486713320000026
将永磁同步电机的状态方程与状态观测器做差，可得：
Figure BDA0003486713320000027
式中
Figure BDA0003486713320000028
为观测误差，其特征方程为：
Figure BDA0003486713320000029
可见选择合适的K值，该特征方程有解，因此负载观测器的方程可以写为：
Figure BDA00034867133200000210
步骤1-3：根据观测器的方程即可观测出负载转矩，并随着永磁同步电机转速和电流的稳定，负载观测器的观测值逐渐接近给定值。
通过以上步骤，系统能实时观测永磁同步电机的负载转矩，并将负载转矩的观测值作为电流环控制算法的前馈，有效提高了永磁同步电机的动态性能。
本发明在不添加硬件设备的基础上，提高了永磁同步电机的动态性能。
附图说明
图1是本发明提供的三相桥式功率变换器的拓扑图；
图2是本发明提供的永磁同步电机转矩预测控制方法的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
本发明针对永磁同步电机，功率变换器采用传统的三相逆变器如图1所示。在永磁同步电机常用转速外环、电流内环控制方式的基础上，构建负载观测器，将负载转矩的观测值作为电流环控制算法的前馈，补偿电流环的控制量，结构框图如图2所示。
本发明优选实施过程如下：
步骤1，在永磁同步电机传统转速电流双闭环的控制中，通过采样永磁同步电机的三相电流和转速送入负载转矩观测器，实时观测永磁同步电机的负载转矩。
步骤2，将负载观测器观测到的负载转矩、速度环PI控制器的输出值与电流环的反馈值进行运算，并将运算结果作为电流环的输入。
步骤3，经过电流环PI控制器的运算，输出控制信号控制永磁同步电机旋转。
步骤1中所述负载观测器。步骤1-1，根据永磁同步电机的运动方程列出其状态方程。
已知电机的运动方程为：
Figure BDA0003486713320000031
由于负载转矩的变化率远小于系统的采样频率，在一个控制周期内可将dTL/dt看做为零。根据以上分析，可列出永磁同步电机的状态方程为：
Figure BDA0003486713320000032
式中：
Figure BDA0003486713320000033
C＝[1 0]，u＝Te，y＝ωm；
上式化简为：
Figure BDA0003486713320000034
步骤1-2，在此基础上根据永磁同步电机的转速和电流构建了负载观测器，通过负载观测器与状态方程作差得到转速和电流的误差值：
构建负载状态观测器，表达式为：
Figure BDA0003486713320000041
式中：
Figure BDA0003486713320000042
将永磁同步电机的状态方程与状态观测器做差，可得：
Figure BDA0003486713320000043
式中
Figure BDA0003486713320000044
为观测误差，其特征方程为：
Figure BDA0003486713320000045
可见选择合适的K值，该特征方程有解，因此负载观测器的方程可以写为：
Figure BDA0003486713320000046
步骤1-3，根据观测器的方程即可观测出负载转矩，并随着永磁同步电机转速和电流的稳定，负载转矩的观测值逐渐接近给定值。
通过上述步骤即可实永磁同步电机的转矩预测控制，在不增加系统硬件成本的基础上，提高了永磁同步电机控制系统的动态性能。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于转矩观测的永磁同步电机控制方法，其特征在于：
步骤1，在永磁同步电机传统转速电流双闭环的控制中，通过采样永磁同步电机的三相电流和转速送入负载转矩观测器，实时观测永磁同步电机的负载转矩；
步骤2，将负载转矩观测器观测到的负载转矩、速度环PI控制器的输出值与电流环的反馈值进行运算，并将运算结果作为电流环的输入；
步骤3，经过电流环PI控制器的运算，输出控制信号控制永磁同步电机旋转。
2.根据权利要求1所述的一种基于转矩观测的永磁同步电机控制方法，其特征在于：所述步骤1还包括：
步骤1-1：根据永磁同步电机的运动方程列出其状态方程：
已知电机的运动方程为：
Figure FDA0003486713310000011
列出永磁同步电机的状态方程为：
Figure FDA0003486713310000012
式中：
Figure FDA0003486713310000013
C＝[1 0]，u＝Te，y＝ωm；
上式化简为：
Figure FDA0003486713310000014
步骤1-2：在此基础上根据永磁同步电机的转速和电流构建负载观测器，通过负载观测器与状态方程作差得到转速和电流的误差值：
构建负载状态观测器，表达式为：
Figure FDA0003486713310000015
式中：
Figure FDA0003486713310000016
将永磁同步电机的状态方程与状态观测器做差，可得：
Figure FDA0003486713310000017
式中
Figure FDA0003486713310000021
为观测误差，其特征方程为：
Figure FDA0003486713310000022
负载观测器的方程为：
Figure FDA0003486713310000023
步骤1-3：根据观测器的方程即观测出负载转矩，并随着永磁同步电机转速和电流的稳定，负载观测器的观测值逐渐接近给定值。
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