永磁同步电机的负载扰动补偿装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种永磁同步电机的负载扰动补偿装置，包括负载力矩辨识滑模观测器等；永磁同步电机分别与PARK变换模块、PARK逆变换模块、速度计算模块以及CLARK变换模块；速度计算模块分别与第一加法器和负载力矩辨识滑模观测器连接；第一加法器、第二加法器均与与速度环PI调节器连接；CLARK变换模块与PARK逆变换模块连接；PARK逆变换模块与负载力矩辨识滑模观测器、第四加法器和第三加法器连接；负载力矩辨识滑模观测器与负载力矩辨识值前馈补偿系数单元连接；负载力矩辨识值前馈补偿系数单元与第二加法器连接；第二加法器与第四加法器连接；第四加法器与电流环PI调节器连接；第三加法器与电流环PI调节器连接；电流环PI调节器与PARK变换模块连接；PARK变换模块与空间矢量调制模块连接；空间矢量调制模块与整流/三相逆变器模块连接，整流/三相逆变器模块控制永磁同步电机运行。
【专利说明】永磁同步电机的负载扰动补偿装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种负载扰动补偿装置，尤其是一种永磁同步电机的负载扰动补偿装置及方法。
【背景技术】
[0002]在曲柄伺服压力机、注塑机、折弯机等场合应用的永磁同步电机工程伺服系统中，扰动是造成其性能下降的主要原因，其中负载扰动显得尤为突出。为了提高系统的伺服性能，必须对负载扰动加以抑制，只有对扰动实现全面补偿，才能使系统获得优越的伺服性能，如专利文献I (02142237.0)、专利文献2 (200810121108.0)所示，都基于一种扰动观测器设计了一种对负载扰动具有抑制作用的电动机控制器装置，但专利文献I采用的扰动观测器并不是该专利本身所保护的内容，专利文献2所述的扰动观测器实现起来较复杂。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的永磁同步电机的负载扰动补偿 装置。
[0004]为了解决上述技术问题，本发明提供一种永磁同步电机的负载扰动补偿装置，包括与永磁同步电机相连接的负载扰动补偿装置，该负载扰动补偿装置包括第一加法器、速度环PI调节器、第二加法器、负载力矩辨识值前馈补偿系数单元、第三加法器、第四加法器、电流环PI调节器、Park变换模块、空间矢量调制模块、Clark变换模块、Park逆变换模块、负载力矩辨识滑模观测器、速度计算模块和整流/三相逆变器模块；所述永磁同步电机通过内置的位置传感器和电流传感器分别输出转子位置Θ ^和定子两相电流iA、iB，该转子位置Θ r分别输入到PARK变换模块、PARK逆变换模块以及速度计算模块；该定子两相电流iA、iB输入CLARK变换模块；所述速度计算模块输出电机实际转速到第一加法器和负载力矩辨识滑模观测器中；第一加法器通过电机参考转速和电机实际转速0^输出误差
值I到速度环PI调节器；速度环PI调节器输出交轴电流给定第一阶段的值ζ到第二加法
器；CLARK变换模块输出静止坐标系下定子两相电流i α、i e到PARK逆变换模块；PARK逆变换模块输出实际交轴电流i,到负载力矩辨识滑模观测器和第四加法器中，并输出实际直轴电流id到负载力矩辨识滑模观测器和第三加法器中；负载力矩辨识滑模观测器输出负载力矩观测值?Υ到负载力矩辨识值前馈补偿系数单元；负载力矩辨识值前馈补偿系数单元输出
交轴电流给定第二阶段值t到第二加法器；第二加法器输出最终的交轴电流给定值ζ:到
第四加法器；第四加法器输出误差值II到电流环PI调节器；第三加法器通过直轴电流给定
值G和实际直轴电流id输出误差值III到电流环PI调节器；电流环PI调节器输出交轴电压
给定巧和直轴电压给定到PARK变换模块；PARK变换模块输出静止两相坐标系下电压分量Ua、υβ到空间矢量调制模块；空间矢量调制模块输出六路PWM波到整流/三相逆变器模块，整流/三相逆变器模块控制永磁同步电机运行。
[0005]作为本发明所述的永磁同步电机的负载扰动补偿装置的改进:所述负载力矩辨识滑模观测器包括基于PMSM数学模型的电流观测器、第五加法器、饱和函数模块、低通滤波器、反馈增益模块、第六加法器、乘法器和负载转矩观测值模块；PARK逆变换模块输出实际交轴电流和实际直轴电流id到基于PMSM数学模型的电流观测器；基于PMSM数学模型
的电流观测器输出转子估算速度到第五加法器；所述速度计算模块输出电机实际转速?6到第五加法器；第五加法器通过电机实际转速(^和转子估算速度丸输出转速差?到
饱和函数模块，饱和函数模块输出控制函数Zs到低通滤波器和第六加法器；低通滤波器输出等效控制函数Zes到乘法器；反馈增益模块输出反馈增益I到乘法器；乘法器输出的数值IX Zes到第六加法器；第六加法器输出负载转矩初始值到负载转矩观测值模块和基于PMSM数学模型的电流观测器；负载转矩观测值模块输出负载力矩观测值?Υ到负载力矩辨识值前馈补偿系数单元。
[0006]永磁同步电机的负载扰动补偿装置的使用方法；通过位置传感器获取永磁同步电机的转子位置Θ r,并分别输入PARK变换模块、PARK逆变换模块以及速度计算模块；通过电流传感器获取永磁同步电机的定子两相电流iA、iB，并输入到CLARK变换模块；转子位置Θ r由速度计算模块计算后得出电机实际转速，并将电机实际转速输入第一加法器和负载力矩辨识滑模观测器中；通过上位系统输入给定转速ω 到第一加法器，第一加法器通过电机实际转速和给定转速ωΜ?得出误差值I ;误差伉I输入到速度环PI调节器；由
速度环PI调节器计算得出交轴电流给定第一阶段的值M并输入第二加法器；定子两相电
流iA、iB由CLARK变换模块得出静止坐标系下定子两相电流i α、i e，并输入PARK逆变换模块；PARK逆变换模块得出实际交轴电流i,和实际直轴电流id，并将实际交轴电流i,输入到负载力矩辨识滑模观测器和第四加法器中，将实际直轴电流id输入到负载力矩辨识滑模观测器和第三加法器中；电机实际转速ωε、实际交轴电流和实际直轴电流、通过负载力矩辨识滑模观测器的计算后得出负载力矩观测值?Υ，并输入负载力矩辨识值前馈补偿系数
单元；由负载力矩辨识值前馈补偿系数单元得出交轴电流给定第二阶段值z并输入到第
二加法器；交轴电流给定第二阶段值和出交轴电流给定第一阶段的值&由第二加法器
得出最终的交轴电流给定值/并输入到第四加法器；第四加法器通过实际交轴电流i,和
交轴电流给定值O得出误差值II，并输入到电流环PI调节器；通过上位系统向第三加法器
输入直轴电流给定值G第三加法器通过直轴电流给定值ζ和实际直轴电流id得出误差值
III，并输入到电流环PI调节器；误差值II和误差值III通过电流环PI调节器计算后得出交轴
电压给定K和直轴电压给定U*d，并输入到PARK变换模块；PARK变换模块得出静止两相坐
标系下电压分量Ua、Ue，并输入到空间矢量调制模块；空间矢量调制模块得出六路PWM波，并输入整流/三相逆变器模块，整流/三相逆变器模块控制永磁同步电机运行。
[0007] 作为本发明所述的永磁同步电机的负载扰动补偿装置的使用方法的改进:所述直
轴电流给定值id* = O。[0008]作为本发明所述的永磁同步电机的负载扰动补偿装置的使用方法的进一步改进:所述负载力矩辨识滑模观测器的使用方法如下:基于PMSM数学模型的电流观测器输出转
子估算速度畎到第五加法器，所述速度计算模块输出电机实际转速ω e到第五加法器；第
五加法器通过转子估算速度九和电机实际转速得出转速差<，并输入到饱和函数模
块，由饱和函数模块计算后得出控制函数Zs，并分别输入到低通滤波器和第六加法器；低通滤波器得出等效控制函数Zes，并输入到乘法器；反馈增益模块输出反馈增益I到乘法器；乘法器得出的数值I XZes，并输入到第六加法器；第六加法器得出负载转矩初始值，并分别输入负载转矩观测值模块和基于PMSM数学模型的电流观测器。
[0009]作为本发明所述的永磁同步电机的负载扰动补偿装置的使用方法的改进:所述基于PMSM数学模型的电流观测器通过第六加法器得出负载转矩初始值以及PARK逆变换模块
输出实际交轴电流i,和实际直轴电流id计算后获得转子速度A
[0010]作为本发明所述的永磁同步电机的负载扰动补偿装置的使用方法的改进:所述负
载转矩观测值模块通过计算公式
【权利要求】
1.永磁同步电机的负载扰动补偿装置，包括与永磁同步电机(17)相连接的负载扰动补偿装置，该负载扰动补偿装置包括第一加法器(1)、速度环PI调节器(2)、第二加法器(3)、负载力矩辨识值前馈补偿系数单元(4)、第三加法器(5)、第四加法器(6)、电流环PI调节器(7)、Park变换模块(8)、空间矢量调制模块(9)、Clark变换模块(10)、Park逆变换模块(11)、负载力矩辨识滑模观测器(13)、速度计算模块(14)和整流/三相逆变器模块(16);其特征是:所述永磁同步电机(17)通过内置的位置传感器(12)和电流传感器(15)分别输出转子位置和定子两相电流iA、iB，该转子位置Θ ^分别输入到PARK变换模块(8)、PARK逆变换模块(11)以及速度计算模块(14);该定子两相电流iA、iB输入CLARK变换模块(10)； 所述速度计算模块(14)输出电机实际转速到第一加法器(1)和负载力矩辨识滑模观测器(13)中； 第一加法器(1)通过电机参考转速和电机实际转速输出误差值I到速度环PI调节器⑵； 速度环PI调节器(2)输出交轴电流给定第一阶段的值到第二加法器(3)； CLARK变换模块(10)输出静止坐标系下定子两相电流ia、ie到PARK逆变换模块(11)；PARK逆变换模块(11)输出实际交轴电流i,到负载力矩辨识滑模观测器(13)和第四加法器(6)中，并输出实际直轴电流id到负载力矩辨识滑模观测器(13)和第三加法器(5)中； 负载力矩辨识滑模观测器(13)输出负载力矩观测值IY到负载力矩辨识值前馈补偿系数单元⑷； 负载力矩辨识值前馈补偿系数单元(4)输出交轴电流给定第二阶段值到第二加法器⑶； 第二加法器(3)输出最终的交轴电流给定值< 到第四加法器(6)； 第四加法器(6)输出误差值II到电流环PI调节器(J)； 第三加法器(5)通过直轴电流给定值和实际直轴电流id输出误差值III到电流环PI调节器(J)； 电流环PI调节器(J)输出交轴电压给足％和直轴电压给定O,到PARK变换模块⑶； PARK变换模块⑶输出静止两相坐标系下电压分量Ua、Ue到空间矢量调制模块(9)； 空间矢量调制模块(9)输出六路PWM波到整流/三相逆变器模块(16)，整流/三相逆变器模块(16)控制永磁同步电机(17)运行。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的负载扰动补偿装置，其特征是:所述负载力矩辨识滑模观测器(13)包括基于PMSM数学模型的电流观测器(18)、第五加法器(19)、饱和函数模块(20)、低通滤波器(21)、反馈增益模块(23)、第六加法器(24)、乘法器(22)和负载转矩观测值模块(25)； PARK逆变换模块(11)输出实际交轴电流i,和实际直轴电流id到基于PMSM数学模型的电流观测器(18)； 所述速度计算模块(14)输出电机实际转速到第五加法器(19)；基于PMSM数学模型的电流观测器(18)输出转子估算速度:?β到第五加法器(19)；第五加法器(19)通过电机实际转速(^和转子估算速度?输出转速差ω到饱和函数模块(20)， 饱和函数模块(20)输出控制函数Zs到低通滤波器(21)和第六加法器(24)； 低通滤波器(21)输出等效控制函数Zes到乘法器(22)； 反馈增益模块(23)输出反馈增益I到乘法器(22)； 乘法器(22)输出的数值IXZes到第六加法器(24)； 第六加法器(24)输出负载转矩初始值到负载转矩观测值模块(25)和基于PMSM数学模型的电流观测器(18)； 负载转矩观测值模块(25)输出负载力矩观测值IY到负载力矩辨识值前馈补偿系数单元(4) ο
3.永磁同步电机的负载扰动补偿装置的使用方法；其特征是:通过位置传感器(12)获取永磁同步电机(17)的转子位置Θ r,并分别输入PARK变换模块(8)、PARK逆变换模块(11)以及速度计算模块(14);通过电流传感器(15)获取永磁同步电机(17)的定子两相电流iA、iB，并输入到 CLARK变换模块(10)； 转子位置Θ ^由速度计算模块(14)计算后得出电机实际转速，并将电机实际转速?6输入第一加法器⑴和负载力矩辨识滑模观测器(13)中； 通过上位系统输入给定转速到第一加法器(I)，第一加法器(I)通过电机实际转速和给定转速ω%得出误差值I ; 误差值I输入到速度环PI调节器(2);由速度环PI调节器(2)计算得出交轴电流给定第一阶段的值，并输入第二加法器(3)； 定子两相电流iA、iB由CLARK变换模块(10)得出静止坐标系下定子两相电流ia、ie，并输入PARK逆变换模块(11) ;PARK逆变换模块(11)得出实际交轴电流i,和实际直轴电流id，并将实际交轴电流i,输入到负载力矩辨识滑模观测器(13)和第四加法器(6)中，将实际直轴电流id输入到负载力矩辨识滑模观测器(13)和第三加法器(5)中； 电机实际转速ωε、实际交轴电流i,和实际直轴电流id通过负载力矩辨识滑模观测器(13)的计算后得出负载力矩观测值IV，并输入负载力矩辨识值前馈补偿系数单元(4);由负载力矩辨识值前馈补偿系数单元(4)得出交轴电流给定第二阶段值￡并输入到第二加法器⑶； 交轴电流给定第二阶段值ζ2和出交轴电流给定第一阶段的值ζ由第二加法器(3)得出最终的交轴电流给定值<，并输入到第四加法器(6)； 第四加法器(6)通过实际交轴电流i,和交轴电流给定值得出误差值II，并输入到电流环PI调节器(J)； 通过上位系统向第三加法器(5)输入直轴电流给定值^第三加法器(5)通过直轴电流给定值^和实际直轴电流id得出误差值III，并输入到电流环PI调节器(J)；误差值II和误差值III通过电流环PI调节器(7)计算后得出交轴电压给定t和直轴电压给定[，牛输入到PARK变换模块⑶；PARK变换模块⑶得出静止两相坐标系下电压分量Ua、Ue，并输入到空间矢量调制模块(9);空间矢量调制模块(9)得出六路PWM波，并输入整流/三相逆变器模块(16)，整流/三相逆变器模块(16)控制永磁同步电机(17)运行。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机的负载扰动补偿装置的使用方法，其特征是:所述直轴电流给定值(=O。
5.根据权利要求4所述的永磁同步电机的负载扰动补偿装置的使用方法，其特征是:所述负载力矩辨识滑模观测器(13)的使用方法如下: 基于PMSM数学模型的电流观测器(18)输出转子估算3 Uu到第五加法器(19)，所述速度计算模块(14)输出电机实际转速到第五加法器(19);第五加法器(19)通过转子估算速度呔和电机实际转速《J导出转速差屯，并输入到饱和函数模块(20)，由饱和函数模块(20)计算后得出控制函数Zs，并分别输入到低通滤波器(21)和第六加法器(24)；低通滤波器(21)得出等效控制函数Zes，并输入到乘法器(22)； 反馈增益模块(23)输出反馈增益I到乘法器(22);乘法器(22)得出的数值1ΧΖ&并输入到第六加法器(24)； 第六加法器(24)得出负载转矩初始值，并分别输入负载转矩观测值模块(25)和基于PMSM数学模型的电流观测器(18)。
6.根据权利要求5所述的永磁同步电机的负载扰动补偿装置的使用方法，其特征是:所述基于PMSM数学模型的电流观测器(18)通过第六加法器(24)得出负载转矩初始值以及PARK逆变换模块(11)输出实际交轴电流i,和实际直轴电流id计算后获得转子速度^。
7.根据权利要求6所述的永磁同步电机的负载扰动补偿装置的使用方法，其特征是:所述负载转矩观测值模块(25)通过计算公式
【文档编号】H02P21/05GK103997272SQ201410253352
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】鲁文其, 刘虎, 袁嫣红 申请人:浙江理工大学