CN114567219A - 一种永磁同步电机速度控制方法及装置 - Google Patents

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CN114567219A CN202210241777.1A CN202210241777A CN114567219A CN 114567219 A CN114567219 A CN 114567219A CN 202210241777 A CN202210241777 A CN 202210241777A CN 114567219 A CN114567219 A CN 114567219A
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邓永停
杨天
李洪文
王建立
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Abstract

本发明涉及永磁同步电机转速控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机速度控制方法及装置，方法包括：建立考虑周期和非周期扰动的永磁同步电机的数学模型；设计基于迭代学习策略的扰动观测器，实现对永磁同步电机所受包括转矩脉动在内的集总干扰的估计；设计基于扰动观测器的快速积分终端滑模速度控制器，以实现对永磁同步电机的脉动抑制。本发明通过设计新型的快速积分终端滑模和基于迭代学习的扰动观测器，有效抑制转矩脉动现象，从而保证控制系统具有良好的鲁棒性和动态响应性能，以能够实现电机速度的快速跟踪，对周期性转矩脉动影响较大的电机系统,可有效提高跟踪精度。

Description

一种永磁同步电机速度控制方法及装置
技术领域
本发明涉及永磁同步电机转速控制技术领域，具体而言，涉及一种永磁同步电机速度控制方法及装置。
背景技术
永磁同步电机以其高功率密度、高转矩惯量比和高效率被广泛应用于电动汽车、数控机床、光电转台、船舶推进等不同领域；然而，参数失配，被控模型的非线性以及由磁通谐波、齿槽转矩、逆变器非线性和电流检测误差引起的永磁同步电机转矩脉动，降低系统的跟踪性能和稳定性。
积分终端滑模以其响应速度快，超调量小和干扰抑制能力强等优点常应用于电机速度控制，能够提高永磁同步电机伺服控制系统的抗干扰能力；然而，传统的积分终端滑模控制器在跟踪误差远离平衡点时收敛速度慢，因此需要一种新型的快速积分终端滑模控制，该策略能够使跟踪误差较大时有较快的收敛速度，进而实现跟踪误差的快速收敛；但是在扰动未知时，滑模控制需要选择较大的切换增益来保证系统的鲁棒性，这会使电机系统产生剧烈的抖振现象。
使用扰动观测器对扰动进行估计并补偿是一种削弱滑模控制抖振现象的有效方法；然而，由于转矩脉动具有高带宽的特点，传统扰动观测器基于慢时变扰动，对周期性扰动的观测能力有限；因此，需要一种基于迭代学习的新型扰动观测器，对周期性扰动进行估计并补偿，实现转矩脉动的抑制和抖振的削弱。
发明内容
本发明实施例提供了一种永磁同步电机速度控制方法及装置，能够实现电机速度的快速跟踪，对周期性转矩脉动影响较大的电机系统,可有效提高跟踪精度。
根据本发明的一实施例，提供了一种永磁同步电机速度控制方法，包括以下步骤：
建立考虑周期和非周期扰动的永磁同步电机的数学模型；
设计基于迭代学习策略的扰动观测器，实现对永磁同步电机所受包括转矩脉动在内的集总扰动的估计；
设计基于扰动观测器的快速积分终端滑模速度控制器，以实现对永磁同步电机的脉动抑制。
进一步地，建立考虑周期和非周期扰动的永磁同步电机的数学模型具体为：
设永磁同步电机的输出电磁转矩为：
Figure BDA0003542481440000021
其中，Te及Tcog对应表示电机电磁转矩和齿槽转矩；θe，np对应表示为电机的电角度和极对数；ψf，ψ6i对应表示永磁同步电机永磁磁通和第6i阶磁通谐波幅值；iq，Δiinverter,Δioffset,Δiscaling分别对应表示q轴电流、由逆变器非线性、电流传感器偏移及缩放引起的电流误差；
其中，Δiinverter,Δioffset,Δiscaling,Tcog可进一步表示为：
Figure BDA0003542481440000022
其中，Rs和Ls分别对应表示为电机的定子电感和电阻，A1,A2,θ5,θ7,Vdead分别是谐波的幅值、初始相角及死区效应引起的电压改变；Δia，Δib对应表示为相电流ia，ib的直流偏移，θ1是取决于Δia和ib的常值角度；is表示相电流的幅值；ka，kb分别对应表示为a相和b相电流的缩放因子；Tcogi表示第i次齿槽转矩谐波的幅值；Nc表示电机齿槽数和极对数之间的最小公倍数；
由式(1)及(2)有，磁通谐波及逆变器的非线性和齿槽转矩在电磁转矩中产生6倍的谐波分量，电流传感器偏移在电磁转矩中产生1倍的谐波分量，电流传感器缩放在电磁转矩中产生2倍的谐波分量；所以电磁转矩主要由一个直流分量和第1、2、6、12次谐波分量组成，则可简化为：
Figure BDA0003542481440000031
其中，k表示谐波阶数，Te0，Tek，φk分别对应表示为直流分量、谐波分量的幅值及相角；
永磁同步电机的运动方程表示为：
Figure BDA0003542481440000032
式中，J表示转动惯量，ωm表示机械角速度，B表示粘性阻尼系数，TL表示负载转矩；
考虑到系统参数不确定性、未知负载转矩以及电流环追踪误差，可将永磁同步电机的速度环数学模型改写为：
Figure BDA0003542481440000033
其中，kt0、J0、B0分别对应表示为电磁转矩系数、转动惯量及阻尼系数的标称值；d表示集总扰动项，表达式为：
Figure BDA0003542481440000034
式(5)与式(6)即为考虑周期和非周期扰动的永磁同步电机的数学模型，相比与传统的永磁同步电机数学模型，不仅仅考虑到系统参数不确定性、未知负载转矩以及电流环追踪误差等非周期性扰动，同时引入周期性的转矩脉动。进一步通过本发明提出的控制方法实现转矩脉动的抑制。
进一步地，设计基于迭代学习策略的扰动观测器，实现对永磁同步电机所受包括转矩脉动在内的集总干扰的估计具体为：
通过在扰动观测器方程中引入迭代学习控制律提高传统扰动观测器对周期性干扰的估计能力，通过迭代学习策略的扰动观测器表达式表示所述永磁同步电机所受集总扰动的估计，基于迭代学习策略的扰动观测器表达式为：
Figure BDA0003542481440000041
式中，ej及ej-1分别对应表示为第j个和第j-1个迭代周期转速的估计误差；ωmj、
Figure BDA0003542481440000042
及
Figure BDA0003542481440000043
分别对应表示为第j个迭代周期的转速、转速估计、期望q轴电流及扰动估计；K表示观测器增益系数；转速估计误差通过带遗忘因子的P型迭代学习律更新，γ表示学习增益；ξ表示遗忘因子，根据迭代误差收敛的充要条件，应满足0≤ξ＜1。
进一步地，基于迭代学习策略的扰动观测器，以测量转速值和q轴电流给定值作为输入信号，并输出集总干扰的估计。
进一步地，永磁同步电机速度环的快速积分终端滑模控制器以扰动观测器输出的集总扰动的估计,给定转速值及测量转速值作为输入信号，并输出q轴电流给定值。
进一步地，永磁同步电机的速度环采样频率为1-4kHz。
进一步地，永磁同步电机的转速观测误差数据存储间隔设置为1°。
一种永磁同步电机速度控制装置，包括：
模型建立模块，用于建立考虑周期和非周期扰动的永磁同步电机的数学模型；
扰动观测器设计模块，用于设计基于迭代学习策略的扰动观测器，实现对永磁同步电机所受包括转矩脉动在内的集总干扰的估计；
控制器设计模块，设计基于扰动观测器的快速积分终端滑模速度控制器，以实现对永磁同步电机的脉动抑制。
一种计算机可读介质，计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上述任意一项的永磁同步电机速度控制方法中的步骤。
一种终端设备，包括：处理器、存储器及通信总线；存储器上存储有可被处理器执行的计算机可读程序；
通信总线实现处理器和存储器之间的连接通信；
处理器执行计算机可读程序时实现如上述任意一项的永磁同步电机速度控制方法中的步骤。
本发明实施例中的永磁同步电机速度控制方法及装置，方法包括：建立考虑周期和非周期扰动的永磁同步电机的数学模型；设计基于迭代学习策略的扰动观测器，实现对永磁同步电机所受包括转矩脉动在内的集总干扰的估计；设计基于扰动观测器的快速积分终端滑模速度控制器，以实现对永磁同步电机的脉动抑制。本发明通过设计新型的快速积分终端滑模和基于迭代学习的扰动观测器，有效抑制转矩脉动现象，从而保证控制系统具有良好的鲁棒性和动态响应性能，以能够实现电机速度的快速跟踪，对周期性转矩脉动影响较大的电机系统,可有效提高跟踪精度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明永磁同步电机速度控制方法的流程图；
图2为本发明基于迭代学习策略的扰动观测器框图；
图3为本发明基于迭代学习策略的扰动观测器传递函数框图；
图4为本发明基于快速积分终端滑模速度控制器框图；
图5为本发明基于快速积分终端滑模及周期扰动补偿的永磁同步电机转速控制系统结构框图；
图6为本发明的速度测试曲线图；
图7及图8为本发明电机转速为100r/min和20r/min的速度响应曲线以及稳态时的傅立叶的幅值频谱；
图9为本发明电机转速为100r/min和20r/min时，对稳态进行傅立叶分析的1、2、6和12次谐波百分比的对比；
图10为本发明引入转矩脉动时基于迭代学习策略的扰动观测器的扰动估计结果；
图11为本发明集总扰动的估计结果图；
图12为本发明未引入和引入所提出扰动观测器的速度环测试结果和傅立叶分析的对比图；
图13为本发明种永磁同步电机速度控制装置；
图14为本发明一种终端设备原理图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
参见图1，根据本发明一实施例，提供了一种永磁同步电机速度控制方法，包括以下步骤：
S101：建立考虑周期和非周期扰动的永磁同步电机的数学模型；
S102：设计基于迭代学习策略的扰动观测器，实现对永磁同步电机所受干扰和转矩脉动的估计；
S103：设计基于扰动观测器的快速积分终端滑模速度控制器，以实现对永磁同步电机的脉动抑制。
本发明通过设计新型的快速积分终端滑模和基于迭代学习的扰动观测器，有效抑制转矩脉动现象，从而保证控制系统具有良好的鲁棒性和动态响应性能，以能够实现电机速度的快速跟踪，对周期性转矩脉动影响较大的电机系统,可有效提高跟踪精度。
实施例中，步骤S101具体包括：
磁通谐波、齿槽转矩、逆变器非线性和电流检测误差是主要的转矩脉动因素，考虑上述因素，则永磁同步电机输出电磁转矩为：
Figure BDA0003542481440000081
其中，Te及Tcog对应表示电机电磁转矩和齿槽转矩；θe，np对应表示为电机的电角度和极对数；ψf，ψ6i对应表示永磁同步电机永磁磁通和第6i阶磁通谐波幅值；iq，Δiinverter,Δioffset,Δiscaling分别对应表示q轴电流、由逆变器非线性、电流传感器偏移及缩放引起的电流误差；
其中，Δiinverter,Δioffset,Δiscaling,Tcog可进一步表示为：
Figure BDA0003542481440000082
其中，Rs和Ls分别对应表示为电机的定子电感和电阻，A1,A2,θ5,θ7,Vdead分别是谐波的幅值、初始相角及死区效应引起的电压改变；Δia，ib对应表示为相电流ia，ib的直流偏移，θ1是取决于Δia和ib的常值角度；is表示相电流的幅值；ka，kb分别对应表示为a相和b相电流的缩放因子；Tcogi表示第i次齿槽转矩谐波的幅值；Nc表示电机齿槽数和极对数之间的最小公倍数。
由式(1)及(2)有，磁通谐波及逆变器的非线性和齿槽转矩在电磁转矩中产生6倍的谐波分量，电流传感器偏移在电磁转矩中产生1倍的谐波分量，电流传感器缩放在电磁转矩中产生2倍的谐波分量；所以电磁转矩主要由一个直流分量和第1、2、6、12次谐波分量组成，则可简化为：
Figure BDA0003542481440000083
其中，k表示谐波阶数，Te0，Tek，φk分别对应表示为直流分量、谐波分量的幅值及相角；
永磁同步电机的运动方程表示为：
Figure BDA0003542481440000091
式中，J表示转动惯量，ωm表示机械角速度，B表示粘性阻尼系数，TL表示负载转矩；
进一步考虑系统参数不确定性、未知负载转矩以及电流环追踪误差，可将永磁同步电机速度环数学模型改写为：
Figure BDA0003542481440000092
其中，kt0、J0、B0分别对应表示为电磁转矩系数、转动惯量及阻尼系数的标称值；d表示集总扰动项，表达式为：
Figure BDA0003542481440000093
式(6)最后一项即为转矩脉动，所以，永磁同步电机所受集总干扰是由周期性干扰和非周期性干扰构成的。
式(5)与式(6)即为考虑周期和非周期扰动的永磁同步电机的数学模型，相比与传统的永磁同步电机数学模型，不仅仅考虑到系统参数不确定性、未知负载转矩以及电流环追踪误差等非周期性扰动，同时引入周期性的转矩脉动。进一步通过本发明提出的控制方法实现转矩脉动的抑制。
实施例中，步骤S102具体包括：
通过在扰动观测器方程中引入迭代学习控制律提高传统扰动观测器对周期性干扰的估计能力，通过迭代学习策略的扰动观测器表达式表示所述永磁同步电机所受集总扰动的估计，基于迭代学习策略的扰动观测器表达式为：
Figure BDA0003542481440000101
式中，ej及ej-1分别对应表示为第j个和第j-1个迭代周期转速的估计误差；ωmj、
Figure BDA0003542481440000102
及
Figure BDA0003542481440000103
分别对应表示为第j个迭代周期的转速、转速估计、期望q轴电流及扰动估计；K表示观测器增益系数；转速估计误差通过带遗忘因子的P型迭代学习律更新，γ表示学习增益；ξ表示遗忘因子，根据迭代误差收敛的充要条件，应满足0≤ξ＜1；根据式(7)，参考图2的观测器框图。
在图2中，用于存储估计误差的存储单元在s域表示为e-τs，所以基于迭代学习策略的扰动观测器传递函数框图如图3所示。
从扰动到扰动估计的传递函数可表示为：
Figure BDA0003542481440000104
为了抑制转矩谐波，ej-1和ej之间的时间延迟，即迭代的周期τ，应满足
Figure BDA0003542481440000105
其中ωe为转矩谐波的基频；考虑扰动的信号频率为6ωe时，因此，j＝6ωe则
Figure BDA0003542481440000106
当ξ＝0时，上式等于1，表明转矩谐波能被完全估计，同样，可以完全观察到12次或更高次的转矩谐波；同时当扰动集中在低频时，1-(1-ξ)e-τs＜s＜1，系统可看作性能提升的低通滤波器；此外，从上式中可以看出，ξ的值越小，控制信号中包含的突变负载扰动的累积效应越显著，甚至可能导致迭代学习算法的发散；因此，ξ的值不能太小；综合考虑包括迭代误差收敛的条件，通常选择0.1附近的值；γ和K的选取需要综合考虑观测误差和噪声。
实施例中，步骤S103具体为：
因积分终端滑模控制具有：1)提高了系统趋近阶段的鲁棒性；2)跟踪误差将在有限时间内趋于零；3)在控制律上不会发生奇异性问题；4)增益的选择仅取决于未知扰动的上界等优点，其在伺服控制领域得到了广泛的应用；然而，传统积分终端滑模控制在跟踪误差远离平衡点时，收敛速度降低，低于传统的积分滑模面；定义速度跟踪误差：
Figure BDA0003542481440000111
其中，
Figure BDA0003542481440000112
表示电机目标转速，传统积分终端滑模面的表达式如下：
s(t)＝e(t)+β∫0 t|e(τ)|p/qsgn(e(τ))dτ (10)
其中，β＞0；0＜p/q＜1，且p和q为正奇数,sgn(·)表示符号函数；当滑模运动处于滑模阶段时，即s＝0时，此时下式成立。
Figure BDA0003542481440000113
由于0＜p/q＜1，当|e|＞＞1，即速度跟踪误差远离平衡点时,速度跟踪误差的收敛速度降低。
本申请基于扰动观测器设计一种快速积分终端滑模速度控制器，以实现对永磁同步电机的脉动抑制，相比较于传统积分终端滑模面，确保了速度跟踪误差远离平衡点时,速度跟踪误差的收敛速度提高，同时基于迭代学习策略的扰动观测器估计的干扰前馈补偿到滑模控制律中，可降低滑模控制项切换增益，进而削弱抖振现象，快速积分终端滑模面表达式如下：
s(t)＝e(t)+∫0 t[αsgn(e(τ))+β|e(τ)|p/qsgn(e(τ))]dτ (11)
式中，s(t)表示滑模面，e(t)表示给定转速值和测量转速值的偏差，项定义速度跟踪误差，α，β为正系数,0＜p/q＜1，且p和q为正奇数,sgn()表示符号函数；当s＝0时，
Figure BDA0003542481440000114
当|e|＞＞1时，由于αsgn(e)项
Figure BDA0003542481440000115
增大，确保了速度跟踪误差远离平衡点时，速度跟踪误差的收敛速度提高；令积分项初值为-e(0)并选择趋近律
Figure BDA0003542481440000116
满足
Figure BDA0003542481440000117
则系统将保持在滑模面s(t)＝0上；
然后通过求解方程(11)，可计算得出电机速度跟踪误差收敛至零的时间为
Figure BDA0003542481440000121
积分终端滑模跟踪误差有限时间趋于零的性质不受影响；在实际实验中可使用反正切函数或饱和函数替换符号函数进一步削弱“抖振”。
设计滑模趋近律公式：
Figure BDA0003542481440000122
式中，f为终端项系数，g为指数项系数，0＜m/n＜1，且m和n为正奇数。
对式(11)求导，结合式(12)、(7)和(5)可得基于所述快速积分终端滑模和所述基于迭代学习策略的扰动观测器的滑模控制律：
Figure BDA0003542481440000123
参考图4，为基于快速积分终端滑模速度控制器框图。
下面基于李亚普诺夫稳定性理论对的快速积分终端滑模控制器的稳定性进行证明：
构造如下形式的李雅普诺夫函数：
Figure BDA0003542481440000124
对李雅普诺夫函数求导，结合式(11)、(9)、(5)，并代入控制律式(13)可得：
Figure BDA0003542481440000131
上式表明，在
Figure BDA0003542481440000132
的情况下，系统的速度误差(9)在控制律(13)下收敛到零。
参考图5至图11，下面通过进行仿真实验对本发明进行详细说明：
图5为基于快速积分终端滑模及周期扰动补偿的永磁同步电机转速控制系统结构框图，本实施方式中基于迭代学习策略的扰动观测器以测量转速值和q轴电流给定值作为输入信号，输出集总干扰的估计；位于速度环的快速积分终端滑模控制器以集总干扰的估计,给定转速值及测量转速值作为输入信号，输出q轴电流给定值。
转速观测误差数据存储可通过DSP和FPGA的存储器实现，通常永磁同步电机速度环采样频率为1-4kHz，由于处理器的内存有限，转速观测误差数据存储间隔可设置为1°；齿槽转矩随电机电角度重复，当电机电角度从360°跳到0°时，迭代次数增加1；对于任意电角度，当电机转动时，每个速度环采样周期都向存储器存储对应当前电角度的向上取整的电角度的转速观测误差，同时通过线性插值得到前一次迭代过程当前电角度对应的转速观测误差，即：
ej-1(θe)＝(ej-1(θe+1)-ej-1(θe))·(θe-θe)+ej-1(θe) (14)
其中，θe表示电角度值的向下取整，ej-1(θe)表示第j-1次迭代的电角度θe向下取整处对应的转速观测误差。
为了证明本发明的控制方法的有效性及先进性，仿真对比实验被开展；首先在不考虑转矩脉动同时未引入扰动观测器的条件下，通过仿真对比本发明和传统的积分滑模和积分终端滑模速度控制器的调速性能和抗干扰能力，为突出比较的公平性，电流环采用相同参数的解耦电流控制器。
进一步考虑转矩脉动，为验证基于迭代学习策略的扰动观测器的扰动估计能力，本发明所提方法与扩展状态观测器、滑模扰动观测器和广义比例积分观测器进行了对比；最后，对本发明的控制方法对转矩脉动抑制能力进行了评估。
图6为电机转速为100r/min，电流环均为解耦电流控制，转速环分别为传统积分滑模、积分终端滑模和快速积分终端滑模控制器时的速度测试曲线，三种控制算法使用相同的趋近律及系数；从图中可以看出，积分滑模、积分终端滑模、快速积分终端滑模算法分别用了大约1.53、0.96和0.56s将电机调整至目标转速，传统的积分终端滑模在转速误差较小时接近目标转速更快，在转速误差较大时接近速度小于积分滑模，而积分滑模的接近速度随跟踪误差减小而减小不能达到有限时间接近目标转速，所提算法具有更快的响应速度。同时为验证所提方法的抗干扰能力，仿真在t＝2s突加5N·m的负载扰动并在t＝4s时突卸负载扰动，从图中可以看出，所提出方法在面对负载扰动时，电机的转速波动幅度和恢复时间均小于另外两种方法。
图7，图8和图9分别为电机转速为100r/min和20r/min的速度响应曲线以及稳态时的傅立叶分析的1、2、6和12次谐波幅值百分比，从图中可以看出电机转速信号中存在较明显的谐波；同时可以看出相比于电机高速时，在电机低速运行条件下，转矩脉动现象更严重，这是因为公式(2),在电机低速运行时，逆变器非线性的影响更加明显，这也表明了步骤一所建立模型的准确性。
图10为引入转矩脉动时基于迭代学习策略的扰动观测器的扰动估计结果，从图中可以看出，经过四个迭代周期的迭代，所提出方法可以完全估计出集总扰动；图11为电机运行稳态时线性扩展状态观测器、基于滑模的扰动观测器、广义比例积分扰动观测器和所提出观测器对集总扰动的估计结果，可以看出相较于所提方法，其它方法的观测结果难以观测到高频谐波，且对于低频成分的观测均有不同程度的幅值改变和相位滞后，在局部地区观测误差的大小甚至接近于集总干扰项的峰值，这表明转矩脉动现象严重影响扰动观测器的性能；而本发明方法可以有效的观测出由转矩脉动项组成的集总扰动。
为进一步验证所提技术的为了对转矩脉动抑制的能力，速度环采用快速积分终端滑模控制器，图12给出了未引入和引入所提出扰动观测器的速度环测试结果和傅立叶分析的对比；从图中可以看出，在未引入扰动观测器时转速波动为0.46r/min，傅立叶分析的基波幅值为4.986e-2，引入所提出扰动观测器后转矩脉动被完全抑制，转速中的谐波成分可以忽略。
以上实验结果表明本发明的基于快速积分终端滑模及周期扰动补偿的永磁同步电机速度控制方法不仅具有良好的快速响应能力，同时具有对参数变化的鲁棒性以及对转矩脉动的抑制能力。
参见图13，根据本发明一实施例，提供了一种永磁同步电机速度控制装置，包括：
模型建立模块100，用于建立考虑周期和非周期扰动的永磁同步电机的数学模型；
扰动观测器设计模块200，用于设计基于迭代学习策略的扰动观测器，实现对永磁同步电机所受干扰和转矩脉动的估计；
控制器设计模块300，设计基于扰动观测器的快速积分终端滑模速度控制器，以实现对永磁同步电机的脉动抑制。
本发明通过设计新型的快速积分终端滑模和基于迭代学习的扰动观测器，有效抑制转矩脉动现象，从而保证控制系统具有良好的鲁棒性和动态响应性能，以能够实现电机速度的快速跟踪，对周期性转矩脉动影响较大的电机系统,可有效提高跟踪精度。
基于上述永磁同步电机速度控制方法，本实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上述实施例的永磁同步电机速度控制方法中的步骤。
一种终端设备，包括：处理器、存储器及通信总线；存储器上存储有可被处理器执行的计算机可读程序；通信总线实现处理器和存储器之间的连接通信；处理器执行计算机可读程序时实现上述的永磁同步电机速度控制方法中的步骤。
基于上述永磁同步电机速度控制方法，本申请提供了一种终端设备，如图14所示，其包括至少一个处理器(processor)20；显示屏21；以及存储器(memory)22，还可以包括通信接口(Communications Interface)23和总线24。其中，处理器20、显示屏21、存储器22和通信接口23可以通过总线24完成相互间的通信。显示屏21设置为显示初始设置模式中预设的用户引导界面。通信接口23可以传输信息。处理器20可以调用存储器22中的逻辑指令，以执行上述实施例中的方法。
此外，上述的存储器22中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
存储器22作为一种计算机可读存储介质，可设置为存储软件程序、计算机可执行程序，如本公开实施例中的方法对应的程序指令或模块。处理器20通过运行存储在存储器22中的软件程序、指令或模块，从而执行功能应用以及数据处理，即实现上述实施例中的方法。
存储器22可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储器22可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器。例如，U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等多种可以存储程序代码的介质，也可以是暂态存储介质。
此外，上述存储介质以及终端设备中的多条指令处理器加载并执行的具体过程在上述方法中已经详细说明，在这里就不再一一陈述。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机速度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立考虑周期和非周期扰动的永磁同步电机的数学模型；
设计基于迭代学习策略的扰动观测器，实现对所述永磁同步电机所受包括转矩脉动在内的集总干扰的估计；
设计基于扰动观测器的快速积分终端滑模速度控制器，以实现对所述永磁同步电机的脉动抑制。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机速度控制方法，其特征在于，所述建立考虑周期和非周期扰动的永磁同步电机的数学模型具体为：
设所述永磁同步电机的输出电磁转矩为：
Figure FDA0003542481430000011
其中，Te及Tcog对应表示电机电磁转矩和齿槽转矩；θe，np对应表示为电机的电角度和极对数；ψf，ψ6i对应表示永磁同步电机永磁磁通和第6i阶磁通谐波幅值；iq，Δiinverter,Δioffset,Δiscaling分别对应表示q轴电流、由逆变器非线性、电流传感器偏移及缩放引起的电流误差；
其中，Δiinverter,Δioffset,Δiscaling,Tcog可进一步表示为：
Figure FDA0003542481430000012
其中，Rs和Ls分别对应表示为电机的定子电感和电阻，A1,A2,θ5,θ7,Vdead分别是谐波的幅值、初始相角及死区效应引起的电压改变；Δia，Δib对应表示为相电流ia，ib的直流偏移，θ1是取决于Δia和Δib的常值角度；is表示相电流的幅值；ka，kb分别对应表示为a相和b相电流的缩放因子；Tcogi表示第i次齿槽转矩谐波的幅值；Nc表示电机齿槽数和极对数之间的最小公倍数；
由式(1)及(2)有，磁通谐波及逆变器的非线性和齿槽转矩在电磁转矩中产生6倍的谐波分量，电流传感器偏移在电磁转矩中产生1倍的谐波分量，电流传感器缩放在电磁转矩中产生2倍的谐波分量；所以电磁转矩主要由一个直流分量和第1、2、6、12次谐波分量组成，则可简化为：
Figure FDA0003542481430000021
其中，k表示谐波阶数，Te0，Tek，φk分别对应表示为直流分量、谐波分量的幅值及相角；
所述永磁同步电机的运动方程表示为：
Figure FDA0003542481430000022
式中，J表示转动惯量，ωm表示机械角速度，B表示粘性阻尼系数，TL表示负载转矩；
考虑到系统参数不确定性、未知负载转矩以及电流环追踪误差，可将所述永磁同步电机的速度环数学模型改写为：
Figure FDA0003542481430000023
其中，kt0、J0、B0分别对应表示为电磁转矩系数、转动惯量及阻尼系数的标称值；d表示集总扰动项，表达式为：
Figure FDA0003542481430000024
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机速度控制方法，其特征在于，所述设计基于迭代学习策略的扰动观测器，实现对所述永磁同步电机所受包括转矩脉动在内集总干扰的估计具体为：
通过在扰动观测器方程中引入迭代学习控制律提高传统扰动观测器对周期性干扰的估计能力，通过迭代学习策略的扰动观测器表达式表示所述永磁同步电机所受集总扰动的估计，基于迭代学习策略的扰动观测器表达式为：
Figure FDA0003542481430000031
式中，ej及ej-1分别对应表示为第j个和第j-1个迭代周期转速的估计误差；ωmj、
Figure FDA0003542481430000032
及
Figure FDA0003542481430000033
分别对应表示为第j个迭代周期的转速、转速估计、期望q轴电流及扰动估计；K表示观测器增益系数；转速估计误差通过带遗忘因子的P型迭代学习律更新，γ表示学习增益；ξ表示遗忘因子，根据迭代误差收敛的充要条件，应满足0≤ξ＜1。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机速度控制方法，其特征在于，基于迭代学习策略的所述扰动观测器，以测量转速值和q轴电流给定值作为输入信号，并输出集总干扰的估计。
5.根据权利要求4所述的永磁同步电机速度控制方法，其特征在于，所述永磁同步电机速度环的所述快速积分终端滑模控制器以所述扰动观测器输出的所述集总扰动的估计,给定转速值及测量转速值作为输入信号，并输出q轴电流给定值。
6.根据权利要求5所述的永磁同步电机速度控制方法，其特征在于，所述永磁同步电机的速度环采样频率为1-4kHz。
7.根据权利要求5所述的永磁同步电机速度控制方法，其特征在于，所述永磁同步电机的转速观测误差数据存储间隔设置为1°。
8.一种永磁同步电机速度控制装置，其特征在于，包括：
模型建立模块，用于建立考虑周期和非周期扰动的永磁同步电机的数学模型；
扰动观测器设计模块，用于设计基于迭代学习策略的扰动观测器，实现对所述永磁同步电机所受包括转矩脉动在内的集总干扰的估计；
控制器设计模块，设计基于扰动观测器的快速积分终端滑模速度控制器，以实现对所述永磁同步电机的脉动抑制。
9.一种计算机可读介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如权利要求1-7任意一项所述的永磁同步电机速度控制方法中的步骤。
10.一种终端设备，其特征在于，包括：处理器、存储器及通信总线；所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；
所述通信总线实现处理器和存储器之间的连接通信；
所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如权利要求1-7任意一项所述的永磁同步电机速度控制方法中的步骤。
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