矩常数，它们的计算公式分别为
（其 中P表示电机的极对数，L表示电机的转子永磁磁通），经计算K T= 23. 8K e、tm~0. 032、 ^~?.(^、、/^^^。为计算方便旧比例取为瓜因此丁^^三个参数之间的关系为8Ti=8(T3-T2) ο
[0059] 在本发明设计的跟踪微分器函数中，过渡过程快速因子函数k的参数选取为：?\ =0. 005、Τ2= 0. 045、Τ 3= 0. 05、a max= 330、h = 0. 4。
[0060] 图4为快速因子函数的波形图，从中可看出它和一般直流电机启动或突加负载时 电流波形很类似。利用此快速因子函数，可实现永磁电机动态过程中的小（无）误差运行。
[0061] 2)如图1所示，通过光电编码器获得容错永磁电机转子位置Θ，5s/2r坐标变换模 块将相电流转变为d-q电流，采用2r/2s坐标变换模块将d-q轴电压转变为α - β轴电压， 并计算出转速η。
[0062] 3)根据转速给定值和转速反馈值对图5所示的速度环线性自抗扰控制器进行计 算。图5中，线性扩张状态观测器是对容错永磁同步电机控制系统的转速输出和系统总扰 动进行观测获得转速观测值Zl和扰动估计值ζ 2，具体表达式为
[0063]
[0064] 其中，e为观测值与实际值的差值，^是转速观测值的微分信号Λ是系统总扰动的 微分信号，u为自抗扰控制器输出信号：
由系统模型确定，βρ 02为控制器参数。
[0065] 以上观测器进一步写成如下矩阵形式
[0068] 观测器特征多项式为
[0070] 将观测器看成一个二阶系统，要使系统性能（如稳定性，响应速度等）满足一定的 条件，需调节特征多项式参数βρ β2。由于系统性能与特征根（即系统传递函数的极点） 有很大关系，要使观测器能可靠观测系统状态，就要使系统特征根全在复平面左侧。系统特 征根绝对值越大观测器观测状态量的速度越快，但过大会引起震荡，所以将系统的两个增 益参数设为
使系统传递函数的两个极点配置在_ω。，以调整观测器带 宽。
[0071] 线性误差反馈控制律是将转速过渡信号Vl和转速输出观测值z i的误差e 2经比例 控制器获得原始控制信号u。，再经扰动补偿得自抗扰控制器的控制量u
[0073] 其中，kp为比例控制器增益，通常取kp= ω。，称控制器带宽。
[0074] 观测器带宽ω。和控制器带宽ω。需满足以下规则
[0075] ω0^ 5-1〇ω c (7)
[0076] 在本发明中，选取的容错永磁电机的参数为：相数为5相，极对数p = 11，交轴电 感 Lq= 0. 48mH，定子电阻1^= 0. 12Ω，转子磁链 φ f = 〇. 〇6Wb，转动惯量 J = 0. 03kg ·ηι2。 由于
?得 bcalculaticin= 57。制器参数选取为 ω c= 1〇〇、ω。= 500,取 k p= 100、 β1= 1000、β 2= 250000。可见控制器中只有一个需调节的参数ω。，其余参数都与它相 关。
[0077] 4)如图1将自抗扰控制器输出的控制信号u(即交轴电流给定值(6:)作为内环iq控制器的输入给定得交轴电压Uq，采用id= 0控制方式产生直轴电SUd。经旋转坐标系到 静止坐标系的变换得到静止坐标系α-β轴的电压u。、Ue，将其送入空间电压矢量SVPWM 调制模块产生电机各相的PWM波信号，实现电机的转速控制。
[0078] 5)为了说明采用此种新型过渡过程的线性自抗扰控制器的好处，将其与PI控制 器进行了仿真对比分析，仿真中PI控制器参数为Kp = 2、Ki = 100。
[0079] 图6是在不同时刻施加的负载转矩扰动量，从图中可以看出，在100ms时施加 30N .m的负载转矩，在200ms时再将负载转矩撤去，在此种情况下观察转速变化。图7是采 用PI控制器转速响应波形，可看出，在转矩上升时，转速最大脉动达到了 20r/min，恢复时 间为13ms ;而撤去负载后，转速波动量达到10r/min，并且恢复到给定转速的时间达到了 23ms ;图8是采用本专利的新型控制器的转速响应波形，可看出，转速并没有发生明显的变 化，负载转矩突加的瞬间转速波动只有6r/min，而恢复时间只有4ms ;负载转矩突卸时转速 波动只有4r/min，且转速恢复时间仅有2ms。基于以上所述，相对于传统PI控制器来说，本 发明设计的新型控制器具有很强的抗扰动能力，且缩短了系统响应扰动的时间。
[0080] 从图7和图8可以看出，采用PI控制器启动的时间为55ms，而采用本发明的新型 控制器后系统启动时间为50ms。在空载情况下将电机转速分别从800r/min调节到400r/ min，再从400r/min调节到800/min观察其到达稳态的时间。从图9和图10的转速响应波 形对比中可看出，图9采用传统PI控制器的转速从800r/min下降到400r/min所需时间 为35ms，超调量是40r/min ;从400r/min上升到800r/min所需时间为40ms，超调量是30r/ min ;而图10采用本发明的新型控制器转速从800r/min下降到400r/min所需时间为30ms ; 从400r/min上升到800r/min所需时间为30ms，均没有发生超调。说明采用本发明的新型 控制器的系统转速响应时间相对于传统PI控制器缩短了，更为关键的是超调没有发生。
[0081] 从以上所述可以得知，采用线性自抗扰控制方法，摒弃了传统自抗扰控制器中的 非线性环节，引入经典控制理论频域分析方法中带宽的概念，使自抗扰控制器的调节参数 大大减少，采用本发明新型控制器后，系统抗负载扰动的鲁棒性提高了，更重要的是系统响 应时间缩短了且无超调。
[0082] 在本说明书的描述中，参考术语" 一个实施例"、"一些实施例"、"示意性实施例"、 "示例"、"具体示例"、或"一些示例"等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结 构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的 示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特 点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0083] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不 脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本 发明的范围由权利要求及其等同物限定。
【主权项】
1. 一种采用新型过渡过程的容错永磁电机速度控制方法，其特征在于，包括以下步 骤： S1，给定电机转速值η%设计一种新型过渡过程的跟踪微分器，获得电机转速实时给定 值Vl;所述跟踪微分器根据电机动态特性安排过渡过程，依据转速给定η$合理的安排实时 转速给定值Vl，将此过渡过程函数表示为：其中，f为转速给定值，Vl为转速过渡信号，v2为过渡信号的微分信号，k是根据电机 动态特性而设计的快速因子； 52, 通过光电编码器获得永磁同步电机的转子位置Θ，通过光电编码器获得容错永磁 电机转子位置Θ，然后经过5s/2r坐标变换模块将相电流转变为d-q电流，采用2r/2s坐标 变换模块将d-q轴电压转变为α-β轴电压，并计算出转速n ; 53, 根据转速给定值Vi和转速反馈值η对速度环线性自抗扰控制器进行设计，速度环 线性自抗扰控制器中的线性扩张状态观测器是对永磁同步电机控制系统的转速输出和系 统总扰动进行观测，得出转速观测值Zl和扰动估计值ζ2，最后给出线性自抗扰控制器的相 关控制参数； 54, 将由线性自抗扰控制器得到的控制信号u(即交轴电流给定值^ )作为内环q轴电 流控制器的给定，进而实现电机调速控制，经旋转坐标系到静止坐标系的变换得到静止坐 标系α-β轴的电压Ua、Ue，将其送入空间电压矢量SVPWM调制模块产生电机各相的PWM 波信号，实现电机的转速控制。2. 根据权利要求1所述的一种采用新型过渡过程的容错永磁电机速度控制方法，其特 征在于，所述步骤S1中，快速因子函数的表达式为：其中，t表示系统运行时间，?\、Τ2、Τ3分别表示系统运行的三个时间点，它们之间的关 系是由电机电气时间常数和机械时间常数决定，a_表示系统最大加速度，at表示系统实时 加速度，/表示线性自抗扰控制器实时估计转矩扰动，h是转矩反馈系数。3. 根据权利要求2所述的一种采用新型过渡过程的容错永磁电机速度控制方法，其特 征在于，所述?\、T2、T3三个参数之间的关系满足8T 8(T3-T2) =W4. 根据权利要求2所述的一种采用新型过渡过程的容错永磁电机速度控制方法，其特 征在于，所述快速因子函数k的参数选取为：?\= 0. 005，Τ2= 0. 045，Τ3= 0. 05，a_= 330， h= 0. 4〇5. 根据权利要求1所述的一种采用新型过渡过程的容错永磁电机速度控制方法，其特 征在于，所述步骤S3的具体过程为： S3. 1，建立永磁同步电机控制系统的线性扩张状态观测器，线性扩张状态观测器是对 容错永磁同步电机控制系统的转速输出和系统总扰动进行观测获得转速观测值Zi和扰动 估计值z2，具体表达式为：其中，ei为观测值与实际值的差值，馬是转速观测值的微分信号，4是系统总扰动的微 分信号，u为自抗扰控制器的输出信号，由系统模型确定，βρβ2为控制器参数； S3. 2,构建线性扩张状态观测器的特征多项式，并调节特征多项式中的参数βρβ2;S3. 3,根据线性误差反馈控制律将转速过渡信号Vl和转速输出观测值zi作差得到误差e2,e2经一比例控制器得原始控制信号u。，再经扰动补偿得自抗扰控制器的控制信号u:兵甲，例捏制益増ffi，通芾取kp=ω。，称控制器带宽； S3. 4,最后给出观测器带宽ω。和控制器带宽ω。需满足ω5-10ω。。6. 根据权利要求5所述的一种采用新型过渡过程的容错永磁电机速度控制方法，其特 征在于，所述控制器带宽为1〇〇,比例控制器增益kp= 100,观测器带宽ω。= 500,控 制器参数β 1〇〇〇,β2= 250000。
【专利摘要】本发明公开了一种采用新型过渡过程的容错永磁电机速度控制方法，属于永磁电机速度控制技术领域，根据电机矢量控制系统所允许的物理最大加速度安排一个快速且平稳的过渡过程，并且利用线性自抗扰控制器对加速度进行实时补偿，使电机在整个动态过程中实现无超调快速响应；此外，还设计了针对容错永磁电机的线性自抗扰控制器，除了跟踪微分器外，需调节的参数只有一个观测器带宽值ω0，简化了控制器设计难度。通过实验验证表明，相对于传统PI控制器来说，本发明设计的新型控制器具有很强的抗扰动能力，且缩短了系统响应扰动的时间。
【IPC分类】H02P25/022, H02P21/00
【公开号】CN105262393
【申请号】CN201510483771
【发明人】刘国海, 程燃, 周华伟, 吉敬华, 陈前, 张多, 赵文祥
【申请人】江苏大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年8月7日