一种永磁同步电机系数自整定速度补偿控制方法与流程

1.本发明涉及永磁同步电机技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机系数自整定速度补偿控制方法。


背景技术：

2.永磁同步电机(pmsm)以其体积小、效率高、电磁转矩大、容易维护、控制方便等诸多优点，已广泛应用于数控机床、航空航天、工业机器人等领域。特别是在航空航天领域，pmsm伺服系统的性能直接决定着飞行器控制的品质。高性能的伺服应用要求永磁同步电机有快速的动态响应，较宽的调速范围，起动时无超调，稳态时无静差等。同时，对于不确定的参数变化和外界扰动，pmsm伺服系统还应具备良好的适应性和抗扰性。
3.在pmsm实际运行过程中，电机所带负载转矩的变化会对系统期望的伺服性能造成不良的影响。尤其是在超声速、高超声速飞行器伺服系统中，由于受到复杂气动力和气动热的影响，加之系统本身的机械间隙、机械刚度及摩擦力等非线性因素，较小的负载扰动也会造成较大的速度波动，从而影响伺服系统的稳定性。当负载转矩频繁变化或扰动转矩持续存在时，pmsm的转速会发生明显的变化，严重时甚至会出现振荡，降低电机的控制性能。
4.目前，常用的方法是在pmsm运行中及时准确的获取负载转矩，并对其加以适当的控制或补偿，来及时削弱负载转矩扰动对速度控制的影响，以减小转矩变化引起的速度波动，提高电机速度控制的平稳性和伺服系统的抗扰动性能。为了获取pmsm负载转矩，实际应用中通常采用转矩观测的方法对电机的负载转矩进行估计和辨识。
5.在pmsm速度伺服系统中，控制策略通常采用技术成熟度比较高的比例-积分(pi)控制。然而当系统受到诸如负载转矩的外部扰动时，pi控制的快速性和抗扰性等高性能要求却不够理想。因此，在传统pi控制的基础上引入负载转矩辨识，通过前馈补偿来及时削弱转矩扰动对电机转速的影响，具有重要的实际工程意义。然而，目前已有的技术方法提高了pmsm控制系统的抗转矩扰动性能，但并未考虑系统中转动惯量对转矩辨识结果的影响，更没有对此提出行之有效的控制策略。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
7.本发明提供了一种永磁同步电机系数自整定速度补偿控制方法，其特征在于，永磁同步电机系数自整定速度补偿控制方法包括：根据永磁同步电机的机械角速度和电磁转矩，建立降维状态观测器，通过降维观测器对负载转矩t
l
进行实时辨识与估计，以获取负载转矩辨识值根据pmsm的电磁转矩te和负载转矩辨识值利用自整定sigmoid函数在线实时调节自整定补偿系数β
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以实现自适应速度补偿的参数自调整；将负载转矩辨识值通过自整定补偿系数β
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补偿到pmsm电流调节器的输入端，以完成永磁同步电机系数自整定速度补偿。
8.进一步地，降维状态观测器中电机转速和负载转矩的辨识值的递推公式为其中，为k+1时刻的转子机械角速度辨识值，为k+1时刻的负载转矩辨识值，为k时刻的转子机械角速度辨识值，为k时刻的负载转矩辨识值，te(k)为k时刻的电机的电磁转矩，ωm(k)为k时刻的转子机械角速度，k为状态反馈矩阵，α为期望极点，j为电机的转动惯量，点，j为电机的转动惯量，c＝[10]，bm为粘滞摩擦系数，t为辨识算法的控制周期。
[0009]
进一步地，自整定补偿系数β
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根据获取，其中，β
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为自整定补偿系数，a》0，用于调节sigmoid函数的斜率；m》0，n》0，m和n用于设置sigmoid函数的幅值和偏置。
[0010]
进一步地，永磁同步电机系数自整定速度补偿控制方法根据进行自适应速度补偿，其中，为补偿后的电流给定值，为速度调节器输出的电流给定值，k
t
为电机转矩常数。
[0011]
应用本发明的技术方案，提供了一种永磁同步电机系数自整定速度补偿控制方法，该永磁同步电机系数自整定速度补偿控制方法根据pmsm的电磁转矩te和降维状态观测器的负载转矩辨识值利用自整定sigmoid函数在线实时调节自整定补偿系数β
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，实现自适应速度补偿的参数自调整，将负载转矩辨识值通过自整定补偿系数β
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补偿到pmsm电流调节器的输入端进行自适应速度补偿。与现有技术相比，本发明增强了自适应速度补偿对负载转矩辨识结果的鲁棒性，减小了因惯量偏离真实值而导致负载转矩辨识出现超调或偏差时，通过前馈补偿对速度控制造成的冲击和振荡，即减小了负载转矩辨识结果对前馈补偿的影响，提高了pmsm伺服系统的控制性能。
附图说明
[0012]
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0013]
图1示出了根据本发明的具体实施例提供的系数自整定速度补偿的系统控制框
图；
[0014]
图2示出了根据本发明的具体实施例提供的负载转矩降维状态观测器原理框图；
[0015]
图3示出了根据本发明的具体实施例提供的补偿系数sigmoid函数曲线图；
[0016]
图4示出了根据本发明的具体实施例提供的自适应速度补偿控制原理框图。
具体实施方式
[0017]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0018]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0019]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0020]
如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种永磁同步电机系数自整定速度补偿控制方法，该永磁同步电机系数自整定速度补偿控制方法包括：根据永磁同步电机的机械角速度和电磁转矩，建立降维状态观测器，通过降维观测器对负载转矩t
l进行
实时辨识与估计，以获取负载转矩辨识值根据pmsm的电磁转矩te和负载转矩辨识值利用自整定sigmoid函数在线实时调节自整定补偿系数β
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以实现自适应速度补偿的参数自调整；将负载转矩辨识值通过自整定补偿系数β
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补偿到pmsm电流调节器的输入端，以完成永磁同步电机系数自整定速度补偿。
[0021]
应用此种配置方式，提供了一种永磁同步电机系数自整定速度补偿控制方法，该永磁同步电机系数自整定速度补偿控制方法根据pmsm的电磁转矩te和降维状态观测器的负载转矩辨识值利用自整定sigmoid函数在线实时调节自整定补偿系数β
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，实现自适应速度补偿的参数自调整，将负载转矩辨识值通过自整定补偿系数β
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补偿到pmsm电流调节器的输入端进行自适应速度补偿。与现有技术相比，本发明的技术方案减小了因惯量偏离真实值而导致负载转矩辨识出现超调或偏差时，通过前馈补偿对速度控制造成的
冲击和振荡，有效提高了pmsm伺服系统的控制性能。
[0022]
为了实现永磁同步电机系数自整定速度补偿控制，首先根据永磁同步电机的机械角速度和电磁转矩，建立降维状态观测器，通过降维观测器对负载转矩t
l
进行实时辨识与估计，以获取负载转矩辨识值
[0023]
作为本发明的一个具体实施例，根据pmsm的工作原理，建立其降维动力学状态方程：
[0024][0025]
其中，u＝te，y＝ωm；bm为粘滞摩擦系数；j为电机的转动惯量；ωm为转子的机械角速度；t
l
为电机的负载转矩；te为电机的电磁转矩。
[0026]
针对式(1)的降维动力学状态方程，构建一个降维状态观测器对负载转矩进行观测：
[0027][0028]
其中，为被估计的状态变量，为负载转矩辨识值；为降维状态观测器的状态反馈增益矩阵。
[0029]
由式(1)减去式(2)，可得降维状态观测器的误差状态方程为：
[0030][0031]
式中，为状态观测误差，其特征方程为：
[0032][0033]
其中，s为复变量，i为单位矩阵。
[0034]
通过选择合适的状态反馈增益矩阵使得具有稳定和合理收敛速度的特征值，以保证状态变量的观测值向其真实值x逐渐逼近。根据指定的期望极点α和β，可得降维状态观测器的期望特征多项式为：
[0035]s2-(α+β)s+αβ＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0036]
由待定系数法，联立式(4)和式(5)，可得：
[0037][0038]
由pmsm机械运动方程可知，粘滞摩擦系数bm其值一般很小，可忽略不计，假设bm＝0，且令α＝β，则式(6)可以改写为：
[0039][0040]
根据系统期望的特性，选择极点所在的位置，按照式(2)构造降维状态观测器，即可观测出pmsm伺服系统的负载转矩的值。负载转矩降维观测器的原理框图如图2所示，其中k
t
为电机转矩常数。
[0041]
在pmsm伺服系统中，降维状态观测器通过离散递推的方式来实现数字化控制，假设观测器辨识算法的控制周期为t，对式(1)进行离散化可得：
[0042][0043]
其中，t为辨识算法的控制周期，k表示时刻，ωm(k+1)为k+1时刻的转子的机械角速度，ωm(k)为k时刻的转子的机械角速度。
[0044]
结合式(8)将式(2)进行离散化可以得到电机转速和负载转矩的辨识值的递推公式为：
[0045][0046]
其中，a、b和c均为系数矩阵，c＝[1 0]；k为状态反馈矩阵，
[0047]
进一步地，在本发明中，在建立降维状态观测器获取降维状态观测器的负载转矩辨识值后，根据pmsm的电磁转矩te和负载转矩辨识值利用自整定sigmoid函数在线实时调节自整定补偿系数β
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以实现自适应速度补偿的参数自调整。
[0048]
当负载转矩降维状态观测器的系数矩阵a和b中的转动惯量偏离其真实值时，负载转矩的辨识结果将会出现较大超调或偏差，通过前馈补偿至电流环输入端时，容易造成速度的冲击和振荡。为了提高自适应速度补偿对转矩辨识结果的鲁棒性，减小转矩辨识结果对前馈补偿的影响，本发明提出一种采用sigmoid函数的补偿系数自整定控制方法，该方法具体是根据pmsm的电磁转矩te和降维状态观测器的负载转矩辨识值采用sigmoid函数在线调节补偿系数。
[0049]
作为本发明的一个具体实施例，自整定公式为：
[0050][0051]
其中，β
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为自整定补偿系数，a》0，用于调节sigmoid函数的斜率；m》0，n》0，m和n用于设置sigmoid函数的幅值和偏置。
[0052]
电磁转矩由式te＝k
tiq
获得，iq为pmsm的q轴电流值，通过电流采样后经clark变换和park变换得到，k
t
为电机转矩常数。考虑到“欠补偿”和“过补偿”现象的存在，可根据实际工程经验对补偿系数的值作出限制，使得β
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∈[n,n+m]。提出的补偿系数自整定的sigmoid函数曲线如图3所示。
[0053]
当负载转矩的辨识结果大于电磁转矩te时，补偿系数β
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取值相对较小，避免了自适应速度补偿带来的速度冲击；当负载转矩的辨识结果小于电磁转矩te时，补偿系数β
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取值相对较大，克服了补偿效果不明显的缺点，有利于减小速度振荡。
[0054]
进一步地，在本发明中，在利用自整定sigmoid函数在线实时调节自整定补偿系数β
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后，将负载转矩辨识值通过自整定补偿系数β
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补偿到pmsm电流调节器的输入端，以完成永磁同步电机系数自整定速度补偿。
[0055]
本发明采用降维状态观测器对pmsm的实际负载转矩t
l
进行实时辨识，并将辨识得到的负载转矩估计值引入到电流调节器的输入端，作为负载扰动补偿的控制输入量，并与速度调节器的输出一起作为电流调节器的给定量，实现自适应速度补偿。控制原理框图如图4所示，可得pmsm系数自整定速度补偿控制方法的补偿公式为：
[0056][0057]
其中：为补偿后的电流给定值；为速度调节器输出的电流给定值。
[0058]
本发明提供的一种永磁同步电机系数自整定速度补偿控制方法，采用基于sigmoid函数的补偿系数自整定公式，电磁转矩te可以精确的获得，自整定补偿系数β
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可以根据降维状态观测器的负载转矩辨识值动态调整。当辨识值大于电磁转矩te时，自整定补偿系数β
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取值相对较小，避免了自适应速度补偿带来的速度冲击；当负载转矩辨识值小于电磁转矩te时，自整定补偿系数β
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取值相对较大，克服了补偿效果不明显的缺点，有利于减小速度振荡。与现有技术中自适应速度补偿控制方法相比，本发明增强了自适应速度补偿对负载转矩辨识结果的鲁棒性，减小了因惯量偏离真实值而导致负载转矩辨识出现超调或偏差时，通过前馈补偿对速度控制造成的冲击和振荡，即减小了负载转矩辨识结果对前馈补偿的影响，有效提高了pmsm伺服系统的控制性能。
[0059]
为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图4对本发明的永磁同步电机系数自整定速度补偿控制方法进行详细说明。
[0060]
如图1至图4所示，根据本发明的具体实施例提供了一种永磁同步电机系数自整定速度补偿控制方法，具体包括以下步骤。
[0061]
步骤一，根据永磁同步电机的机械角速度和电磁转矩，建立降维状态观测器，通过
降维状态观测器对负载转矩t
l
进行实时辨识与估计，以获取负载转矩的辨识值具体地，降维状态观测器中电机转速和负载转矩的辨识值的递推公
[0062]
步骤二，根据pmsm的电磁转矩te和负载转矩辨识值利用自整定sigmoid函数在线实时调节自整定补偿系数β
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以实现自适应速度补偿的参数自调整，具体地，自整定补偿系数β
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根据获取。
[0063]
步骤三，将负载转矩辨识值通过自整定补偿系数β
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补偿到pmsm电流调节器的输入端，以完成永磁同步电机系数自整定速度补偿，具体地，根据进行自整定速度补偿。
[0064]
综上所述，本发明提供了一种永磁同步电机系数自整定速度补偿控制方法，该永磁同步电机系数自整定速度补偿控制方法根据pmsm的电磁转矩te和降维状态观测器的负载转矩辨识值利用自整定sigmoid函数在线实时调节自整定补偿系数，实现自适应速度补偿的参数自调整，将负载转矩辨识值通过自整定补偿系数β
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补偿到pmsm电流调节器的输入端进行自适应速度补偿。与现有技术相比，本发明的技术方案增强了自适应速度补偿对负载转矩辨识结果的鲁棒性，减小了因惯量偏离真实值而导致负载转矩辨识出现超调或偏差时，通过前馈补偿对速度控制造成的冲击和振荡，即减小了负载转矩辨识结果对前馈补偿的影响，提高了pmsm伺服系统的控制性能。
[0065]
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0066]
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0067]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。