CN114865968A - 一种永磁同步电机负载转矩观测器 - Google Patents

一种永磁同步电机负载转矩观测器 Download PDF

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刘颖慧
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黄云章
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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机负载转矩观测器，其输出用于对滑模速度控制器的输出进行负载转矩补偿，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，能在电机调速、系统参数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并将负载转矩观测值前馈补偿至电流调节器中，有效地削弱了系统的抖振，且动态响应速度快，鲁棒性高，提高了永磁同步电机的控制精度。

Description

一种永磁同步电机负载转矩观测器
本发明专利申请为分案申请，原案申请号为202010918598.8，申请日为2020年09月04日，发明名称为矿用牵引永磁同步电机驱动控制方法。
技术领域
本发明涉及永磁同步电机技术领域，更具体地，尤其是涉及一种永磁同步电机负载转矩观测器。
背景技术
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。矿用牵引电机应用场合工作环境复杂多变，负载转矩变化大，调速范围广，且要求能够大力矩启动，基于PI控制器的永磁同步电机矢量控制方法的鲁棒性不如滑模控制方法，但滑模控制方法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永磁同步电机负载转矩变化大和调速范围广的情况，提供一种提高负载转矩观测响应速度和快速降低负载转矩观测误差，从而减小电机速度抖振的永磁同步电机负载转矩滑模观测器，包括：
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，依据转子角速度ω和电流iq对负载转矩进行观测，得到新的负载转矩观测值；负载转矩观测器为
Figure BDA0003561847170000011
其中，J是转动惯量，p是电机极对数，ψf是永磁体磁链，
Figure BDA0003561847170000012
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；
Figure BDA0003561847170000013
kW是负载转矩观测器的比例增益且要求kW＜0。
所述永磁同步电机的速度由滑模速度控制器进行控制，负载转矩观测器的输出用于对滑模速度控制器的输出进行负载转矩补偿；负载转矩给定值
Figure BDA0003561847170000014
由滑模速度控制器输出。
反馈增益g依据负载转矩给定值
Figure BDA0003561847170000015
和负载转矩观测值
Figure BDA0003561847170000016
的变化进行调整的方法是：
步骤①、负载转矩观测器依据现有反馈增益g的值对负载转矩进行观测，得到负载转矩观测值
Figure BDA0003561847170000017
滑模速度控制器进行控制运算得到负载转矩给定值
Figure BDA0003561847170000018
步骤②、计算
Figure BDA0003561847170000019
Figure BDA0003561847170000021
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gmin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gmax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
Figure BDA0003561847170000022
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；gmax为反馈增益高值，gmin为反馈增益低值，且gmin＜gmax＜0。
选取gmin、gmax、ε1、ε2值的方法是：
步骤⑴，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态且保持给定转子角速度不变和负载转矩不变；
步骤⑵，令反馈增益g从一个较大值开始逐渐减小，当负载转矩观测的稳态误差达到负载转矩观测稳态误差限值时，确定此时的反馈增益g值为gmax；
步骤⑶，保持给定转子角速度不变和负载转矩不变且令反馈增益g等于gmax，连续进行n次ΔT值的测量，并将此时n次测量中最大m个ΔT值之和的平均值作为转矩变化低限比较阈值ε1；
步骤⑷，微调改变反馈增益g，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态时，保持给定转子角速度不变和令负载转矩突变，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，测量负载转矩观测器的跟踪调节时间；
步骤⑸，重复步骤⑷，选择跟踪调节时间最短的反馈增益g值为gmin值；
步骤⑹，再次保持给定转子角速度不变和负载转矩不变且令反馈增益g等于gmin，连续进行n次ΔT值的测量，并将此时n次测量中最大m个ΔT值之和的平均值作为转矩变化高限比较阈值ε2。
所述n为大于等于20的整数，m为大于等于5且小于等于0.5n的整数。
滑模速度控制器的状态变量为：
Figure BDA0003561847170000023
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
Figure BDA0003561847170000024
和转矩电流给定分量i′q为
Figure BDA0003561847170000031
其中，D＝1.5pψf/J，系数k1、k2、k3、k4为速度滑模控制的指数趋近率系数，且有k1＞0，k2＞0，1＜k3＜2，k4＞0。
q轴转矩电流给定值
Figure BDA0003561847170000032
为转矩电流给定分量i′q与转矩电流补偿分量i″q之和，为
Figure BDA0003561847170000033
其中负载转矩观测器输出的转矩电流补偿分量i″q为
Figure BDA0003561847170000034
比例增益kW按照
Figure BDA0003561847170000035
进行选择；其中，TN是电机的额定转矩，β＞0；进一步地，1≤β≤20。
所述永磁同步电机的速度由滑模速度控制器进行控制，其方法包括，检测永磁同步电机的转子位置θ、和三相电流ia、ib和ic；依据三相电流ia、ib和ic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iα、iβ，依据电流iα、iβ和转子位置θ进行Park变换，得到在d-q轴坐标系下的电流id、iq。进一步地，永磁同步电机的速度控制由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模块和三相逆变器的永磁同步电机速度控制系统实现。
本发明的有益效果是，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，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。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。
附图说明
图1为永磁同步电机速度控制系统实施例1框图；
图2为反馈增益自动调整方法实施例1流程图。
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。
实现矿用牵引永磁同步电机驱动控制方法的永磁同步电机速度控制系统包括包括永磁同步电机负载转矩观测器，图1为永磁同步电机速度控制系统实施例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ia、ib和ic，输出两相静止α-β轴坐标系下的电流iα、iβ；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iα、iβ和转子位置θ，输出旋转d-q轴坐标系下的电流id、iq；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TL *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TL *、转子角速度ω和电流iq，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id，输出q轴坐标系下的控制电压Uq；d轴电流PI控制器输入q轴转矩电流给定值i* d和电流id，输出d轴坐标系下的控制电压Ud，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Ud、Uq，输出α-β轴坐标系下的控制电压Uα、Uβ；SVPWM模块(即空间矢量脉宽调制模块)输入控制电压Uα、Uβ，输出脉冲信号至三相逆变器，三相逆变器将直流电压Udc转换为三相交流电源Ua、Ub、Uc，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id＝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：
Figure BDA0003561847170000041
对于采用id＝0控制方式的凸极式PMSM矢量控制系统，电磁转矩方程为：
Figure BDA0003561847170000042
PMSM运动方程为：
Figure BDA0003561847170000051
式(1)(2)(3)中，ud、uq分别是d-q轴的电压；id、iq分别是d-q轴的电流；Ld、Lq分别是d-q轴的电感；Te是电磁转矩；TL是负载转矩；R是定子的电阻；p是电机极对数；ωe是转子电角速度，即角频率；ω是转子角速度，即电机转子机械角速度；ψf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。定义永磁同步电机速度控制系统实施例1的状态变量为：
Figure BDA0003561847170000052
由式(2)、(3)、(4)得：
Figure BDA0003561847170000053
对式(5)进行化简，令D＝1.5pψf/J，
Figure BDA0003561847170000054
可得实施例1系统状态空间方程为：
Figure BDA0003561847170000055
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：
Figure BDA0003561847170000056
传统指数趋近律的表达式为：
Figure BDA0003561847170000057
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：
Figure BDA0003561847170000061
其中k1＞0，k2＞0，1＜k3＜2，k4＞0。当|s|较大时，
Figure BDA0003561847170000067
变速趋近项趋近速度较大，可加快滑模趋近运动速度；当|s|较小时，
Figure BDA0003561847170000068
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额定负载启动时的转子角速度变化率，在该转子角速度变化率附近选取，进一步地，在该转子角速度变化率的80％至120％范围内取值；例如，设某永磁同步电机额定负载启动至额定转速1500r/min所用时间为0.21s，平均的转子角速度变化率是750rad/s2，建议此时k4在600～900范围内取值。k3越大，则变速越大，k3一般在1.05～1.3范围内取值。一般地，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
Figure BDA0003561847170000069
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为变速系数，其大小改变变速快慢；k4是迁移系数，其大小改变变速临界点。
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TL *和转矩电流给定分量i′q为：
Figure BDA0003561847170000062
永磁同步电机速度控制系统实施例1滑模速度控制器输出中含有积分项，对控制量进行了滤波，可削弱系统抖振、减少系统的稳态误差。定义Lyapunov函数为：
Figure BDA0003561847170000063
由式(10)和式(12)可得：
Figure BDA0003561847170000064
式(13)中，
Figure BDA0003561847170000066
故
Figure BDA0003561847170000065
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
Figure BDA0003561847170000071
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：
Figure BDA0003561847170000072
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：
Figure BDA0003561847170000073
式(15)中，
Figure BDA0003561847170000074
是负载转矩的观测值，
Figure BDA0003561847170000075
是转子角速度估计值，g是负载转矩观测器的反馈增益，
Figure BDA0003561847170000076
kg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：
Figure BDA0003561847170000077
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：
Figure BDA0003561847170000078
式(17)中，
Figure BDA0003561847170000079
为转子角速度估算误差，
Figure BDA00035618471700000710
为负载转矩观测误差，并定义观测器滑模面为
Figure BDA00035618471700000711
根据滑模可达性条件，式(16)观测器系统稳定条件为kg≤-|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：
Figure BDA00035618471700000712
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：
Figure BDA0003561847170000081
式(18)、(19)中，
Figure BDA0003561847170000082
是负载转矩的观测值，
Figure BDA0003561847170000083
是转子角速度估计值，g是负载转矩观测器的反馈增益，
Figure BDA0003561847170000084
kW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：
Figure BDA0003561847170000085
式(20)中，
Figure BDA0003561847170000086
为转子角速度估算误差，
Figure BDA0003561847170000087
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kW＜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，会给系统响应的快速性带来不利影响，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kg的整定方法是，按照
Figure BDA0003561847170000088
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，kg的绝对值选择过小，当|e2|较大时观测器不能进入滑模状态；kg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；kg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kW的整定方法是，按照
Figure BDA0003561847170000089
进行选择。式(22)中，TN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永磁同步电机速度控制系统实施例1中时，负载转矩观测器根据负载转矩给定值
Figure BDA0003561847170000091
和负载转矩观测值
Figure BDA0003561847170000092
的变化对反馈增益g进行调整，依据转子角速度ω和电流iq对负载转矩进行观测，得到新的负载转矩观测值
Figure BDA0003561847170000093
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永磁同步电机速度控制系统实施例1中时，进行反馈增益自动调整。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，有：
步骤①、负载转矩观测器依据现有反馈增益g的值对负载转矩TL进行观测，得到负载转矩观测值
Figure BDA0003561847170000094
滑模速度控制器进行控制运算得到负载转矩给定值
Figure BDA0003561847170000095
此时的
Figure BDA0003561847170000096
为
Figure BDA0003561847170000097
为
Figure BDA0003561847170000098
至下一次进行反馈增益g调整时，该次
Figure BDA0003561847170000099
变为
Figure BDA00035618471700000910
变为
Figure BDA00035618471700000911
步骤②、计算
Figure BDA00035618471700000912
Figure BDA00035618471700000913
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gmin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gmax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
Figure BDA00035618471700000914
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；gmax为反馈增益高值，gmin为反馈增益低值，且gmin＜gmax＜0。
在一次电机速度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，其反馈增益g调整方法将上述步骤①变为步骤⑤，步骤②-⑤变为步骤①-④，各步骤中的退出改为进入步骤⑤，且
Figure BDA0003561847170000101
Figure BDA0003561847170000102
图2中，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
Figure BDA0003561847170000103
Figure BDA0003561847170000104
ΔTL *为最近2次负载转矩给定值之间的差值，
Figure BDA0003561847170000105
为最近2次负载转矩观测值之间的差值。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gmin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gmax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，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gmin＜gmax＜0，一般情况下，gmin≥-5000。gmin取值应在负载转矩突变时，负载转矩观测器的转矩观测跟踪超调量处于转矩观测跟踪超调限值之内；gmax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gmax＝-0.5，gmin＝-10。选取gmin、gmax、ε1、ε2值的具体方法是：
步骤⑴，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态且保持给定转子角速度不变和负载转矩不变；
步骤⑵，令反馈增益g从一个较大值开始逐渐减小，例如，令反馈增益g从-0.01开始逐渐减小，当负载转矩观测的稳态误差达到负载转矩观测稳态误差限值时，确定此时的反馈增益g值为gmax；
步骤⑶，保持给定转子角速度不变和负载转矩不变且令反馈增益g等于gmax，连续进行n次ΔT值的测量，并将此时n次测量中最大m个ΔT值之和的平均值作为转矩变化低限比较阈值ε1；
步骤⑷，微调改变反馈增益g，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态时，保持给定转子角速度不变和令负载转矩突变，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，测量负载转矩观测器的跟踪调节时间；
步骤⑸，重复步骤⑷，选择跟踪调节时间最短的反馈增益g值为gmin值；通常情况下，转矩观测跟踪超调量接近转矩观测跟踪超调限值时，负载转矩观测器的跟踪调节时间较短；
步骤⑹，再次保持给定转子角速度不变和负载转矩不变且令反馈增益g等于gmin，连续进行n次ΔT值的测量，并将此时n次测量中最大m个ΔT值之和的平均值作为转矩变化高限比较阈值ε2。
观测得到负载转矩观测值
Figure BDA0003561847170000111
后，将负载转矩的观测值
Figure BDA0003561847170000112
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：
Figure BDA0003561847170000113
式(24)中，kq＝1/(1.5pψf)为转矩观测补偿系数。比较式(11)与式(24)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(24)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TL *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Te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
Figure BDA0003561847170000121
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
Figure BDA0003561847170000122
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ΔTL *和负载转矩观测值的变化量
Figure BDA0003561847170000123
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TL *改变，负载转矩观测值
Figure BDA0003561847170000124
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
Figure BDA0003561847170000125
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
Figure BDA0003561847170000126
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TL *先于负载转矩观测值
Figure BDA0003561847170000127
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ΔTL *和负载转矩观测值的变化量
Figure BDA0003561847170000128
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
Figure BDA0003561847170000129
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
Figure BDA00035618471700001210
发生改变时，
Figure BDA00035618471700001211
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
Figure BDA00035618471700001212
的观测误差，使负载转矩观测值
Figure BDA00035618471700001213
尽快跟上负载转矩TL的变化。
在永磁同步电机速度控制系统实施例1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TL *记为TL *(k)，负载转矩观测值
Figure BDA00035618471700001214
记为
Figure BDA00035618471700001215
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TL *记为TL *(k-1)，负载转矩观测值
Figure BDA00035618471700001216
记为
Figure BDA00035618471700001217
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TL *记为TL *(k-2)，负载转矩观测值
Figure BDA00035618471700001218
记为
Figure BDA00035618471700001219
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，此时电机速度的周期性控制过程如下：
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ia、ib和ic；
步骤二、依据三相电流ia、ib和ic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iα、iβ，依据电流iα、iβ和转子位置θ进行Park变换，得到在d-q轴坐标系下的电流id、iq；
步骤三、负载转矩观测器依据转子角速度ω和电流iq对负载转矩进行观测，得到负载转矩观测值
Figure BDA00035618471700001220
和转矩电流补偿分量i″q；
步骤四、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
Figure BDA00035618471700001221
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TL *和负载转矩观测值
Figure BDA00035618471700001222
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iq *；d轴电流控制器依据d轴转矩电流给定值id *与d轴坐标系下的电流id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Ud；q轴电流控制器依据q轴转矩电流给定值iq *与q轴坐标系下的电流iq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Uq；依据d-q轴坐标系下的控制电压Ud、Uq进行Park逆变换，得到α-β轴坐标系下的控制电压Uα、Uβ；d轴转矩电流给定值id *等于0；
步骤七、将α-β轴坐标系下的控制电压Uα、Uβ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Ua、Ub、Uc，从而驱动永磁同步电机运转。
图2中的(a)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，上述步骤中，应该将步骤五与步骤三、四的先后顺序互换，即先进行步骤五，后进行步骤三、四。
在以上各选取gmin、gmax值和比较阈值ε1、ε2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；建议n为大于等于20的整数，m为大于等于5且小于等于0.5n的整数。
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误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；负载转矩观测稳态误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；负载转矩观测稳态误差限值是负载转矩观测器允许的负载转矩观测稳态误差最大绝对值；负载转矩观测稳态误差限值通常为电机额定转矩的1％～5％，具体来说，负载转矩观测稳态误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误差在负载转矩观测稳态误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误差增大到负载转矩观测稳态误差限值。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；转子角速度稳态误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，转子角速度稳态误差限值为系统允许的转子角速度稳态误差最大绝对值。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处于转矩观测过渡过程之后的工作状态。转子角速度稳态误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，转子角速度稳态误差限值为系统允许的转子角速度稳态误差最大绝对值。
包括本发明永磁同步电机负载转矩观测器的永磁同步电机速度控制系统及永磁同步电机驱动控制方法，除用于矿用牵引电机的控制之外，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 (8)

1.一种永磁同步电机负载转矩观测器，其特征在于，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，依据转子角速度ω和电流iq对负载转矩进行观测，得到新的负载转矩观测值；负载转矩观测器为
Figure FDA0003561847160000011
其中，J是转动惯量，p是电机极对数，ψf是永磁体磁链，
Figure FDA0003561847160000012
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；
Figure FDA0003561847160000013
kW是负载转矩观测器的比例增益且要求kW＜0；
所述永磁同步电机的速度由滑模速度控制器进行控制，负载转矩观测器的输出用于对滑模速度控制器的输出进行负载转矩补偿；负载转矩给定值
Figure FDA0003561847160000014
由滑模速度控制器输出。
2.如权利要求1所述的永磁同步电机负载转矩观测器，其特征在于，反馈增益g依据负载转矩给定值
Figure FDA0003561847160000015
和负载转矩观测值
Figure FDA0003561847160000016
的变化进行调整的方法是：
步骤①、负载转矩观测器依据现有反馈增益g的值对负载转矩进行观测，得到负载转矩观测值
Figure FDA0003561847160000017
滑模速度控制器进行控制运算得到负载转矩给定值
Figure FDA0003561847160000018
步骤②、计算
Figure FDA0003561847160000019
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gmin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gmax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
Figure FDA00035618471600000110
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；gmax为反馈增益高值，gmin为反馈增益低值，且gmin＜gmax＜0。
3.如权利要求2所述的永磁同步电机负载转矩观测器，其特征在于，选取gmin、gmax、ε1、ε2值的方法是：
步骤⑴，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态且保持给定转子角速度不变和负载转矩不变；
步骤⑵，令反馈增益g从一个较大值开始逐渐减小，当负载转矩观测的稳态误差达到负载转矩观测稳态误差限值时，确定此时的反馈增益g值为gmax；
步骤⑶，保持给定转子角速度不变和负载转矩不变且令反馈增益g等于gmax，连续进行n次ΔT值的测量，并将此时n次测量中最大m个ΔT值之和的平均值作为转矩变化低限比较阈值ε1；
步骤⑷，微调改变反馈增益g，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态时，保持给定转子角速度不变和令负载转矩突变，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，测量负载转矩观测器的跟踪调节时间；
步骤⑸，重复步骤⑷，选择跟踪调节时间最短的反馈增益g值为gmin值；
步骤⑹，再次保持给定转子角速度不变和负载转矩不变且令反馈增益g等于gmin，连续进行n次ΔT值的测量，并将此时n次测量中最大m个ΔT值之和的平均值作为转矩变化高限比较阈值ε2；
所述n为大于等于20的整数，m为大于等于5且小于等于0.5n的整数。
4.如权利要求1-3中任一项所述的永磁同步电机负载转矩观测器，其特征在于，滑模速度控制器的状态变量为
Figure FDA0003561847160000021
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
Figure FDA0003561847160000022
和转矩电流给定分量i′q为
Figure FDA0003561847160000023
其中，D＝1.5pψf/J，系数k1、k2、k3、k4为速度滑模控制的指数趋近率系数，且有k1＞0，k2＞0，1＜k3＜2，k4＞0。
5.如权利要求4所述的永磁同步电机负载转矩观测器，其特征在于，q轴转矩电流给定值
Figure FDA0003561847160000024
为转矩电流给定分量i′q与转矩电流补偿分量i″q之和，为
Figure FDA0003561847160000025
其中，kq＝1/(1.5pψf)。
6.如权利要求1所述的永磁同步电机负载转矩观测器，其特征在于，比例增益kW按照
Figure FDA0003561847160000031
进行选择；其中，TN是电机的额定转矩，β＞0。
7.如权利要求6所述的永磁同步电机负载转矩观测器，其特征在于，1≤β≤20。
8.如权利要求1所述的永磁同步电机负载转矩观测器，其特征在于，所述永磁同步电机的速度由滑模速度控制器进行控制包括，检测永磁同步电机的转子位置θ、和三相电流ia、ib和ic；依据三相电流ia、ib和ic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iα、iβ，依据电流iα、iβ和转子位置θ进行Park变换，得到在d-q轴坐标系下的电流id、iq。
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