一种带负载状态观测器的永磁同步电机控制系统的制作方法

本发明涉及一种带负载状态观测器的永磁同步电机控制系统。

背景技术：

永磁同步电机最初出现在上个世纪50年代，在上个世纪80年代，由于新型的稀土永磁材料研制取得突破性地发展，使得永磁同步电机的功能出现了质的提升，因而得以在很多领域迅速地得到推广；永磁同步电机传统的控制方法为以矢量控制为基础的速度、电流双闭环控制技术，矢量控制技术通过坐标变换实现对电机磁链和转矩的解耦，可以在保持磁场定向的情况下模仿直流电机的转矩控制，因而使得交流电机的动态性能够与直流电机相媲美。

电机运行过程中，如果负载产生扰动或者发生突变，在典型的双闭环控制系统中该扰动会立即对电机的转速产生影响，影响系统的稳态性能；当负载经常发生变化或者扰动转矩持续存在而不对原来的控制系统进行任何调整时，整个系统的稳定性和鲁棒性都会受到很大影响。

技术实现要素：

本发明为弥补传统控制系统的不足提出一种带负载状态观测器的永磁同步电机控制系统。

上述目的通过以下的技术方案实现。

一种带负载状态观测器的永磁同步电机控制系统，以矢量控制为基础，结合速度、电流双闭环控制，加入负载状态观测器，系统结构如图1所示；所述负载状态观测器包括负载转矩观测器和转动惯量辨识模块；负载转矩的观测值用于电流控制的前馈补偿，提高控制器的响应速度和鲁棒性；转动惯量的辨识结果用于调整系统速度环比例和积分增益，从而得到优化的速度环响应性能，实现调节器参数的自整定。

所述矢量控制以磁场定向控制和坐标变换为核心，在d-q坐标下建立永磁同步电机描述方程，实现了转矩电流和励磁电流的解耦；所述速度、电流双闭环采用pi调节算法对给定值和实际值的差值进行调节；所述负载转矩观测器采用开环负载观测器，以电机转速和q轴电流作为输入，输出为负载转矩的观测值；所述转动惯量辨识模块采用模型参考自适应算法，以电机转速和q轴电流作为输入，输出为转动惯量的辨识值。

附图说明

附图1是本发明的系统结构图；

附图2是本发明负载转矩观测器；

附图3是本发明离散化的负载转矩观测器；

附图4是本发明模型参考自适应系统框图；

附图5是本发明离散化的转动惯量辨识算法；

附图6、7是本发明控制效果图；

图中，1、负载状态观测器。

具体实施方式

为能详细说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式并结合附图，对本发明进行详细阐述。

所述一种带负载状态观测器的永磁同步电机控制系统，以矢量控制技术为基础；所述矢量控制技术的核心是磁场定向控制和坐标变换，通过转子磁链定向，将电流矢量通过坐标变换解耦成互相垂直而彼此独立的交直轴电流分量，实现转矩和励磁的解耦。

对永磁同步电机的三相电流进行坐标变换，得到d轴和q轴下的电流id和iq；则永磁同步电机在d-q同步旋转坐标系中的定子电压方程为

式中：ud、uq分别为d、q轴定子电压；id、iq分别为d、q轴定子电流；ld、lq分别为d、q轴定子电感；rs为定子相电阻；为转子永磁体磁链；为电角速度。

电磁转矩方程为

运动方程为

式中：te为电磁转矩；tl为负载转矩；p为极对数；j为转动惯量；bm为摩擦系数；为转子机械角速度，ωe=p*。

从永磁同步电机在d-q坐标下数学模型了以看出，通过控制直、交轴电流id、iq可以实现对电机电磁转矩的控制，使用id=0的控制策略，则电磁转矩为

通过上式即可控制电机的转矩输出，结合速度、电流双闭环来控制电机的运行。

所述速度、电流双闭环，以速度环为外环，电流环为内环；所述速度环中，给定速度与永磁同步电机的实际速度做差之后送给速度控制器，速度控制器采用pi调节对上述差值进行调节；所述电流环，包含d轴电流的调节和q轴电流的调节；d轴电流给定为id=0，其控制器使用pi调节方法；q轴电流的给定值为转速控制器的输出与负载转矩观测器的输出之和，q轴电流控制器也采用pi调节方法；d轴和q轴的控制器输出先后经park逆变换和svpwm变换生成占空比变化的pwm波形，所述pwm波控制逆变器的开通与关断，从而控制逆变器的输出电压，进而控制电机的转矩输出及转速。

所述一种带负载状态观测器的永磁同步电机控制系统加入了负载转矩观测器；所述负载转矩观测器为开环负载观测器，将负载转矩tl作为外部扰动，构建负载扰动观测器，负载转矩观测器的系统框图如图2所示。

负载转矩观测器的数学模型如下式所示。

式中：iq为q轴电流的反馈值；kt为力矩系数；te为电机输出电磁转矩；为电机机械角速度；为负载转矩观测值；j为转动惯量；bm为摩擦系数；为观测器的时间常数，负载转矩观测器的收敛速度主要取决于时间常数的取值，其经验值一般在0.1-0.001左右，因此收敛时间较短。

如忽略摩擦系数bm，则负载转矩观测器的数学模型可以简化为

离散化的负载转矩观测器的结构框图如图3所示；由图3可以推导得出

则负载转矩观测器的离散化数学模型可以表示为

式中：为速度采样周期。

这样，由上式结合附图3即可构建负载转矩观测器，并在线实时观测负载转矩；将负载转矩观测值l前馈补偿至q轴电流环输入端，可以有效减小突加负载时转速降落，改善突加负载时电流跟踪响应特性。

所述一种带负载状态观测器的永磁同步电机控制系统引入转动惯量的在线辨识；所述转动惯量辨识采用模型参考自适应方法，模型参考自适应系统的结构如图4所示；模型参考自适应辨识算法模块根据参考模型和可调模型的输出量偏差，按照设计的自适应辨识算法来不断调节可调模型中的待辨识参数值，使可调模型的输出值跟踪参考模型的输出值，直至两个模型的输出量偏差值收敛于零，此时可调模型的辨识结果收敛于实际参考模型的真实参数值；具体辨识过程如下。

系统运动方程表示为

式中：te为电磁转矩；tl为负载转矩；j为转动惯量；bm为摩擦系数。

在本设计中，将电磁转矩te定义为所述模型参考自适应系统的输入u，将角速度定义为所述系统的输出y，待辨识参数为转动惯量j；忽略摩擦系数bm，离散化的运动方程可以表示为

其中：b=ts/j；ts为电流采样周期。

在一个电流采样周期内，可以认为负载转矩不变，将上述两式相减，可得参考模型为

根据参考模型，可调模型可以构造为

根据landau提出的离散时间迭代参数辨识机制，将关于参数b的自适应辨识算法设计为

其中：为自适应增益系数；自适应增益系数越大，收敛速度越快，但辨识结果波动大；自适应增益系数越小，精度高但收敛速度慢；在实际应用中要根据系统性能的要求对进行优化。

根据参考模型、可调模型和参数b的自适应辨识算法，得到关于转动惯量的离散化自适应辨识算法模型如图5所示；通过图5所示的系统即可实时获得参数b的观测值，由于b=ts/j，则进一步可以得到转动惯量的实时变化；根据转动惯量的辨识值适时调整速度环pi参数，可以有效提高转速环在转动惯量变化时的动态响应。

本发明的应用效果如附图6和7所示；实验中，电机空载启动，给定转速为1000rad/min，在电机启动0.02秒达到稳态后突加负载；图6为在传统转速、电流双闭环控制系统中突加负载后的转速变化，由图可见，突加负载后转速有明显降落，最大转速降落高达30rad/min，且电机在较长时间内未回到给定转速；图7为在本发明所述控制系统中突加负载后的转速变化，由图可见，突加负载后转速无明显降落，最大转速降落为5rad/min，同时电机能够较快上升到给定转速；由上述分析可知，本发明所述电机控制系统能够有效减小由负载突变造成的转速变化，并提高电机动态性能。

本发明所述的永磁同步电机控制系统，其原理清晰易懂，采用的负载状态观测方法简单易用；由于观测算法简单且收敛速度快，因此不会给处理器带来过大负担；本系统具有极高的有效性，能够在较大程度上减小负载变化造成的电机转速波动，同时能提高负载惯量变化时电机的动态性能；本发明所没有进行叙述之处，都是本领域中实验人员都知道的内容；通过以上叙述，本领域的使用者知道了此发明的较佳之处；应该进行声明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何形式的比较容易的变形和修改都在本发明的保护范围之内。