一种永磁同步电机转速波动抑制方法与流程

本发明涉及电机控制领域，特别涉及一种永磁同步电机转速波动抑制方法。

背景技术：

永磁同步电机以其高功率密度、转矩大、体积小、效率高、控制简单、精度高等优点，被广泛应用于工业机器人、电动汽车以及航空航天等驱动控制系统中。由于永磁同步电机驱动负载的形式不同，导致负载信号的形式也不同，如周期性负载信号、非线性负载信号、阶跃负载信号、不规则负载信号等等，通过分析永磁同步电机的动态电磁转矩方程知道，当这些负载加入永磁同步电机控制系统中会引起转速的波动，进而引起电机控制系统的振动，影响永磁同步电机转速的高精度控制，严重时会导致整个驱动控制系统共振，影响电机的使用寿命。例如工业生产线上的机器人手臂是通过花键衔接，花键间的间隙会引起永磁同步电机所加负载信号的不同，进而导致机械臂的振动，影响机械手臂控制的精度。

目前针对于永磁同步电机负载扰动下带来的转速波动，常见抑制转速波动的方法有：(1)通过转矩补偿的方法来抑制负载扰动带来的转速波动、(2)通过设计重复复合控制器来抑制负载扰动下的转速波动，如专利cn201510660766.7-电动汽车、永磁同步电机转速波动的抑制方法及抑制系统。转矩补偿抑制转速波动是通过比较当前周期的转速与前一个周期的转速，通过预设的补偿数据库，确定补偿转矩抑制负载带来的转速波动。一方面会增加控制系统的计算任务量；另一方面需要通过比较、查表确定补偿的转矩，不能够实时响应。重复复合控制器抑制转速波动是通过快速傅里叶变换建立给定转速与扰动频率的对应数据表，利用重复控制器产生的周期内膜信号抑制扰动频率分量，进而抑制转速波动。重复控制器对于周期性负载下转速波动抑制效果更好，对于非线性负载抑制效果较差；此外，控制器计算量大，响应慢。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种永磁同步电机转速波动抑制方法，其能够有效抑制电机转速的波动，提高电机转速控制的精度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种电机转速波动抑制方法，通过设计的状态观测器观测负载扰动下电机转速的波动量，利用设计的观测器增益和滤波器得到等价的负载扰动，等价的负载扰动作用于电机系统，电机系统产生与负载扰动相反的转速波动，从而抵消电机负载扰动下的转速波动。

该方法具体包括如下步骤：

s1、建立电机旋转坐标系下数学模型，模型为：

其中，ud、uq分别为旋转坐标系下直轴电压和交轴电压；id、iq分别为旋转坐标系下直轴电流和交轴电流；r为电机的内阻；ld、lq分别为旋转坐标系下直轴电感和交轴电感；pm为电机的极对数；w为电机转速；为电机磁通量；te为电磁转矩；j为电机转动惯量；tl为电机负载扰动，b为阻尼系统；

s2、设计状态观测器，计算状态观测器的增益l，由状态观测器观测电机在负载扰动下的状态变量，计算状态变量与电机期望状态变量的差值，经状态观测器增益l使得扰动量快速收敛于稳定值，然后通过变换矩阵b⁺输出负载扰动引起的波动量，其中，b⁺＝(b^tb)^-1b^t，b为电机状态空间矩阵；其中状态观测器的设计包括：通过采用id＝0矢量控制策略优化电机系统的模型，得电机的状态空间表达式：

y＝cx

采用对偶原理得到电机系统的对偶系统，其状态空间表达式为：

y＝b^tx

a^t、b^t、c^t为电机状态空间矩阵a、b、c的转置矩阵，uq为电机交轴电压量即输入量，x为状态变量，y为输出量；

增益l的计算为：以线性二次最优控制的性能指标为对偶系统的约束条件，求得增益l；约束条件为：其中q1、r1为状态加权矩阵，ρ为调节参数，jlmin为性能指标的输出量；

s3、设计滤波器，计算滤波器的时间常数、滤波器的增益，矩阵b⁺输出负载扰动引起的波动量经滤波器调节、滤波得到等价的负载扰动，等价的负载扰动反作用于电机系统，其作用于电机系统的产生的转速波动与负载扰动产生的转速波动等价且效果相反，从而抑制电机负载扰动下的转速波动，

其中，滤波器为低通滤波器，滤波器的函数表达式为：

t1为滤波器时间常数，k为滤波器增益；其中，t1≤1/(5wr)，wr为负载扰动信号的最高频率；滤波器增益k的值满足等价负载扰动tl作用于电机系统时电机的稳定转速等效于负载作用于系统时电机的稳定转速。

电机系统包括双闭环控制系统，等价负载扰动作用于双闭环控制系统以控制电机转动速度，其中双闭环控制系统为电流闭环控制系统、转速闭环控制系统。

本发明的优点在于：永磁同步电机调速控制系统多采用双闭环的控制结构，电流环与转速环只能够保证系统的稳态输出，对于加入控制系统的负载只能够跟随响应，并不能够抑制转速的波动，而现有技术转矩补偿方法和重复控制方法存在计算量大、实时响应差、抑制信号类型受限等缺陷。为此本发明在id＝0矢量控制系统的基础上，设计状态观测器，利用等价输入干扰算法设计滤波器，通过搭建永磁同步电机调速控制系统的仿真模型，通过仿真实验表明：基于等价输入干扰算法的电机转速抑制方法能够快速响应转速波动，能够有效抑制周期负载信号、阶跃负载信号以及不规则负载信号带来的转动波动，实现调速系统的高精度控制。

附图说明

下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明永磁同步电机转速波动抑制系统控制框图；

图2为本发明等角输入干扰算法的原理框图；

图3为本发明为观测器增益输出信号与滤波器信号波特图曲线；

图4为本发明等价输入干扰算法简化原理框图；

图5为本发明负载扰动下转速波动波形图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明通过等价输入干扰算法设计控制器来抑制干扰，通过设计状态观测器观测负载扰动下电机的状态变量，计算状态变量与电机期望状态变量的差值，经状态观测器增益l保证扰动量快速收敛于稳定值，然后通过变换矩阵b⁺输出负载扰动引起的波动量，波动量经滤波器调节、滤波后输入到电机控制系统，其作用于电机系统的转速波动抑制效果与负载作用于电机系统的转速波动效果等价，即等价负载扰动引起的波动与负载扰动引起的转速波动等价相反，其通过电机转速控制系统实现，电机转速控制系统的控制信号减去等效负载扰动，从而实现电机负载扰动下转速波动的抑制，这里等价输入算法设计的控制器包括状态观测器和滤波器。

一种电机转速波动抑制方法，通过设计的状态观测器观测负载扰动下电机转速的波动量，利用设计的观测器增益和滤波器得到等价的负载扰动，等价的负载扰动作用于电机系统，电机系统产生与负载扰动相反的转速波动，从而抵消电机负载扰动下的转速波动。

如图1所示，为电机双闭环控制系统以及状态观测器、滤波器在电路中的结构示意图，电机双闭环控制系统包括电流闭环控制系统和转速闭环控制系统，主要由控制转速稳定的转速环asr、控制旋转坐标系下直轴电流id、交轴电流iq稳定的电流环acr；实现电机模型简化的坐标变换模块包括3相静止坐标系转换为2相静止坐标系(3/2变换)、2相静止坐标系转换为2相旋转坐标系(2s/2r)、2相旋转坐标系转换为2相静止坐标系(2r/2s)；通过svpwm算法确定电机转子空间所在位置，进而输出六相开关型脉冲信号；逆变器依据六相开关型脉冲信号开通与关断六个igbt晶闸管，在定子上形成理想的三相正弦电压，驱动电机转动；利用等价输入干扰算法设计的控制器对电机受到负载扰动瞬间存在的转速波动进行抑制，状态观测器依据转速的波动输出变化量，观测器l确保转速的波动输出变化量能够快速收敛于负载扰动，而滤波器(f(s))估计出等价的负载扰动，进而抑制负载扰动带来的转速波动。

具体包括如下步骤：

s1、建立电机旋转坐标系下数学模型，模型为：

其中，ud、uq分别为旋转坐标系下直轴电压和交轴电压；id、iq分别为旋转坐标系下直轴电流和交轴电流；r为电机的内阻；ld、lq分别为旋转坐标系下直轴电感和交轴电感；pm为电机的极对数；w为电机转速；为电机磁通量；te为电磁转矩；j为电机转动惯量；tl为电机负载扰动，b为阻尼系统；

s2、设计状态观测器，计算状态观测器的增益l，由状态观测器观测电机在负载扰动下的状态变量，计算状态变量与电机期望的状态变量的差值，经状态观测器增益l保证扰动量快速收敛于稳定值，然后通过变换矩阵b⁺输出负载扰动引起的波动量，其中，b⁺＝(b^tb)^-1b^t，b为电机状态空间矩阵；其中状态观测器的设计包括：通过采用id＝0矢量控制策略优化电机系统的模型，得电机的状态空间表达式：

y＝cx

采用对偶原理得到电机系统的对偶系统，其状态空间表达式为：

y＝b^tx

a^t、b^t、c^t为电机状态空间矩阵a、b、c的转置矩阵，uq为电机交轴电压量即输入量，x为状态变量，y为输出量；通过查阅技术手册可以得到电机相关参数。

增益l的计算为：以线性二次最优控制的性能指标为对偶系统的约束条件，即可求得增益l；约束条件为：其中q1、r1为状态加权矩阵，ρ为调节参数，jlmin为性能指标的输出量；

s3、设计滤波器，计算滤波器的时间常数、滤波器的增益，矩阵b⁺输出负载扰动引起的波动量经滤波器调节、滤波得到等价的负载扰动，其作用于电机系统的转速波动抑制效果与负载作用于电机系统的转速波动效果等价，从而抑制电机负载扰动下的转速波动。

滤波器为低通滤波器，滤波器的函数表达式为：

其中，t1为滤波器时间常数，k为滤波器增益；t1满足t1≤1/(5wr)，wr为负载扰动信号的最高频率；

滤波器增益k的值满足等价负载扰动tl作用于电机系统时电机的稳定转速等效于负载作用于系统时电机的稳定转速。

如图2所示，为等价输入干扰算法的原理框图，用电机系统模型代替实际的永磁同步电机，依据电机数学模型、id＝0矢量控制策略、对偶原理以及提供的电机参数设计永磁同步电机的状态观测器，用于观测电机的内部状态变量，其状态空间表达式为：

y＝b^tx

以线性二次最优控制的性能指标为约束条件，设计观测器的增益l，即满足以下关系式，通过调节q1、r1矩阵以及ρ参数，确保输出量快速收敛于负载信号量，调节q1、r1、ρ参数，同时满足状态观测器与观测器增益l组成系统的幅频曲线位于滤波器幅频曲线之上，如图3所示，得到观测器增益l，其中约束条件为：

滤波器的函数关系式为：

为了确保设计的低通滤波器能够对估计的负载扰动信号进行滤波，通过比对观测器增益信号与滤波器信号的相频曲线，如果观测器增益信号的相频曲线在位于最低点之前一直处于滤波器相频曲线下，那么设计的滤波器时间常数t1即为合理值，此时能够准确对负载扰动信息进行滤波，否则需要重新调试时间常数，相频曲线如图3所示，实际负载扰动下，观测器增益信号相频曲线受负载信号频率的影响，通过仿真实验调试，当t1≤1/(5wr)都能够满足相频曲线的要求，其中wr为负载扰动信号的最高频率，此时也即满足观测器增益信号的相频曲线在位于最低点之前一直处于滤波器相频曲线下，状态观测器与观测器增益l组成系统的幅频曲线位于滤波器幅频曲线之上。

滤波器为低通滤波器，滤波器的增益k的取值满足等价负载扰动tl作用于电机系统时电机的稳定转速等效于负载作用于系统时电机的稳定转速。具体计算方法，采用等价输入算法，其原理框图如图4所示，图4为电机转速波动抑制系统的传递函数的原理图，其中gf(s)为滤波器传递函数，gtl(s)为负载传递函，gc(s)为观测器传递函，g(s)为电机系统传递函，求取这四个传递函数。为了求取滤波器的增益k，其方法为：令uq、等价负载tl为输入为零，以负载tl1为输入量，转速w为输出量，求取负载tl1下的稳态转速；再令uq、负载tl1为零，以等价负载tl为输入量，转速w为输出量，求取等价负载tl下的稳态转速，此转速内包含k为未知量的稳态转速表达式，依据等价输入干扰算法的理论，等价的负载扰动作用于系统等效于负载作用于系统，即稳态转速和为零，这样即可得到关于k为未知数的等式，即可求得滤波器的增益k。

为了验证本发明转速抑制方法的有效性，这里与现有技术的pi控制做对比，如图5所示，通过转速波动抑制仿真实验系统模型可以看出，本发明设计的状态观测器、滤波器形成的电机转速波动抑制系统对于负载扰动带来的转速波动具有明显的抑制作用，输出高精度稳态转速，仿真的结果表明：基于等价输入干扰算法设计的转速波动抑制控制器能够对周期性、阶跃性、不规则性负载扰动带来的转速波动都能够进行有效的抑制，并且能够快速响应于电机的转速，有效提高了驱动系统的抗扰动性能，提高电机的高精度转速控制。

将电机系统设计成易于调速控制的双闭环控制系统。同时针对负载扰动带来的转速波动，设计等价输入干扰算法控制器抑制转速的波动，控制器包括状态观测器和滤波器。电机系统负载扰动下，产生的转速波动量经过等价输入干扰控制器输出等价的负载扰动，等价的负载扰动作用于电机系统，输出相反的转速波动量，从而抑制实际负载扰动带来的转速波动。

本发明电机转速波动抑制系统通过设计状态观测器、滤波器应用于现有技术中的双闭环调速系统，通过设计的状态观测器观测负载扰动下电机转速的波动量，利用设计的观测器增益和滤波器得到等价的负载扰动，其作用于电机系统的转速波动抑制效果与负载作用于电机系统的转速波动效果等价，从而抑制电机负载扰动下的转速波动。

显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。