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基于负载观测器的永磁同步电机控制方法

申请号 CN202011577528.7 申请日 2020-12-28 公开(公告)号 CN114696699A 公开(公告)日 2022-07-01
申请人 核工业理化工程研究院; 发明人 魏振; 姚广; 彭树文; 高亚男; 岳金磊;
摘要 本 发明 公开了一种基于负载观测器的永磁同步 电机 控制方法,方法包括:(Ⅰ)电机启动切换;(Ⅱ)速度调节;(Ⅲ)负载转矩观测;(Ⅳ)前馈补偿控制;(Ⅴ)空间矢量 算法 。本发明以表贴式永磁同步电机为研究对象,在转速 电流 双环矢量控制的 基础 上,提出了一种基于负载观测器的永磁同步电机控制方法,将观测的负载转矩进行前馈补偿,实现了同样的控制参数下具有更好的抗扰 动能 力 ,有效地提高了控制系统的鲁棒性。
权利要求

1.一种基于负载观测器的永磁同步电机控制方法,其特征在于:包括以下步骤:
(Ⅰ)电机启动切换
进入电机启动切换程序后,先进行电机预定位,再采用I‑F(电流频率)矢量控制方式启动将电机带到设定转速,然后采用切换方法将电机切换至转速电流双闭环的控制方式运行;
(Ⅱ)速度调节
进入速度调节后,计算电机实际转速,将其与设定转速比较,得到的偏差值经速度调节器输出;
(Ⅲ)负载转矩观测
按照极点设置要求,计算观测矩阵,并将电机转动惯量、机械速度、电流等状态量代入负载转矩观测器,计算得到电机的实时负载转矩;
(Ⅳ)前馈补偿控制
将观测器得到的观测转矩值进行处理后反馈到电流调节器输入端;
(Ⅴ)空间矢量算法
根据转速电流调节输出的电压参考值,执行空间矢量算法,计算占空比并输出PWM信号,控制三相逆变桥驱动电机运行。
2.根据权利要求1所述的基于负载观测器的永磁同步电机控制方法,其特征在于:所述控制方法应用于表贴式永磁同步电机。
3.根据权利要求1所述的基于负载观测器的永磁同步电机控制方法,其特征在于:所述极点设置要求具体为:将期望极点α、β设计在s域的左半轴:
2
s‑(α+β)s+αβ=0。
4.根据权利要求1所述的基于负载观测器的永磁同步电机控制方法,其特征在于:所述观测器的观测矩阵
式中:α、β为期望极点,Bm为摩擦系数,J为转动惯量。
5.根据权利要求1所述的基于负载观测器的永磁同步电机控制方法,其特征在于:所述负载转矩观测器为:
6.根据权利要求5所述的基于负载观测器的永磁同步电机控制方法,其特征在于:所述负载转矩观测器方程中:
C=[1 0];
U=Te。
7.根据权利要求6所述的基于负载观测器的永磁同步电机控制方法,其特征在于:所述负载转矩观测器的特征根方程为:
8.根据权利要求1所述的基于负载观测器的永磁同步电机控制方法,其特征在于:所述观测转矩值的处理方法为:采用负载转矩的趋势值代替瞬时值,并对电流补偿值进行限值保护。
9.根据权利要求8所述的基于负载观测器的永磁同步电机控制方法,其特征在于:所述采用负载转矩的趋势值代替瞬时值具体为:将观测器得到的实时负载转矩值与前九次累加后求取平均值,再乘以前馈比例系数得到负载转矩电流补偿值。

说明书全文

基于负载观测器的永磁同步电机控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于交流永磁同步电机控制领域,具体涉及一种基于负载观测器的永磁同步电机控制方法。

背景技术

[0002] 交流永磁同步电机具有功率密度大、调节性能优良、可维护性好等优点,广泛应用于工业领域。为保证电机稳定运行,电机的控制系统必须具有抗负载扰动能,不过在很多应用领域中,负载多变且不可预测,传统的PID控制算法很难满足负载的抗扰动需求,导致负载变化时,电机转速震荡、调节周期长甚至无法运行的状况出现。

发明内容

[0003] 本发明是为了克服现有技术中存在的缺点而提出的,其目的是提供一种基于负载观测器的永磁同步电机控制方法。
[0004] 本发明是通过以下技术方案实现的:
[0005] 一种基于负载观测器的永磁同步电机控制方法,包括以下步骤:
[0006] (Ⅰ)电机启动切换
[0007] 进入电机启动切换程序后,先进行电机预定位,再采用I‑F(电流频率)矢量控制方式启动将电机带到设定转速,然后采用切换方法将电机切换至转速电流双闭环的控制方式运行;
[0008] (Ⅱ)速度调节
[0009] 进入速度调节后,计算电机实际转速,将其与设定转速比较,得到的偏差值经速度调节器输出;
[0010] (Ⅲ)负载转矩观测
[0011] 按照极点设置要求,计算观测矩阵,并将电机转动惯量、机械速度、电流等状态量代入负载转矩观测器,计算得到电机的实时负载转矩;
[0012] (Ⅳ)前馈补偿控制
[0013] 将观测器得到的观测转矩值进行处理后反馈到电流调节器输入端;
[0014] (Ⅴ)空间矢量算法
[0015] 根据转速电流调节输出的电压参考值,执行空间矢量算法,计算占空比并输出PWM信号,控制三相逆变桥驱动电机运行。
[0016] 在上述技术方案中,所述控制方法应用于表贴式永磁同步电机。
[0017] 在上述技术方案中,所述极点设置要求具体为:将期望极点α、β设计在s域的左半轴:
[0018] s2‑(α+β)s+αβ=0。
[0019] 在上述技术方案中,所述观测器的观测矩阵
[0020] 式中:α、β为期望极点,Bm为摩擦系数,J为转动惯量。
[0021] 在上述技术方案中,所述负载转矩观测器为:
[0022]
[0023] 在上述技术方案中,所述负载转矩观测器方程中:
[0024]
[0025] U=Te。
[0026] 在上述技术方案中,所述负载转矩观测器的特征根方程为:
[0027]
[0028] 在上述技术方案中,所述观测转矩值的处理方法为:采用负载转矩的趋势值代替瞬时值,并对电流补偿值进行限值保护。
[0029] 在上述技术方案中,所述采用负载转矩的趋势值代替瞬时值具体为:将观测器得到的实时负载转矩值与前九次累加后求取平均值,再乘以前馈比例系数得到负载转矩电流补偿值。
[0030] 本发明的有益效果是:
[0031] 本发明以表贴式永磁同步电机为研究对象,在转速电流双环矢量控制的基础上,提出了一种基于负载观测器的永磁同步电机控制方法,将观测的负载转矩进行前馈补偿,实现了同样的控制参数下具有更好的抗扰动能力,有效地提高了控制系统的鲁棒性。附图说明
[0032] 图1是常规直接转矩控制系统结构图;
[0033] 图2是本发明基于负载观测器的永磁同步电机控制方法的控制系统结构图;
[0034] 图3是本发明基于负载观测器的永磁同步电机控制方法的主流程图
[0035] 图4是本发明基于负载观测器的永磁同步电机控制方法的子流程图。
[0036] 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,可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

[0037] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明技术方案,下面结合说明书附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明基于负载观测器的永磁同步电机控制方法的技术方案。
[0038] 实施例1
[0039] 一种基于负载观测器的永磁同步电机控制方法,包括以下步骤:
[0040] (Ⅰ)电机启动切换
[0041] 进入电机启动切换程序后,先进行电机预定位,再采用I‑F(电流‑频率)矢量控制方式启动将电机带到设定转速,然后采用切换方法将电机切换至转速电流双闭环的控制方式运行;
[0042] (Ⅱ)速度调节
[0043] 进入速度调节后,计算电机实际转速,将其与设定转速比较,得到的偏差值经速度调节器输出;
[0044] (Ⅲ)负载转矩观测
[0045] 按照极点设置要求,计算观测矩阵,并将电机转动惯量、机械角速度、电流等状态量代入负载转矩观测器,计算得到电机的实时负载转矩;
[0046] (Ⅳ)前馈补偿控制
[0047] 将观测器得到的观测转矩值进行处理后反馈到电流调节器输入端;
[0048] (Ⅴ)空间矢量算法
[0049] 根据转速电流调节输出的电压参考值,执行空间矢量算法,计算占空比并输出PWM信号,控制三相逆变桥驱动电机运行。
[0050] 图3、4为永磁同步电机负载转矩前馈控制方法流程图,控制算法采用C语言编写在DSP控制板中运行,图3为主程序流程图,图4为定时器中断子程序流程图,定时器中断子程序在主程序中执行,主要完成负载转矩前馈补偿、转速电流双环矢量控制等算法,具体程序流程如下:
[0051] 主程序具体流程如下:
[0052] (Ⅰ)开始
[0053] 程序开始,从主程序入口,S1;
[0054] (Ⅱ)初始化
[0055] 进行DSP的初始化,完成DSP外设时钟、看狗、IO口(输入输出)以及中断向量表的初始化工作,S2;
[0056] (Ⅲ)配置寄存器
[0057] 配置定时器、PWM寄存器、SCI寄存器以及中断寄存器,并使能相关中断功能,S3;
[0058] (Ⅳ)初始化软件参数
[0059] 初始化定时器、PWM占空比、延时时间、RS232通讯软件等相关参数,S4;
[0060] (Ⅴ)循环等待
[0061] 进入主循环,等待定时器中断发生,S5;
[0062] (Ⅵ)执行中断程序并返回
[0063] 执行定时器中断子程序,完成后返回主程序,循环等待,S6。
[0064] 定时器中断子程序具体流程如下:
[0065] (Ⅰ)中断开始
[0066] 发生定时中断,进入定时器中断程序,S7;
[0067] (Ⅱ)是否启动切换
[0068] 判断电机是否完成启动切换,若已经完成,直接进入转速电流双闭环的矢量控制,否则进入电机启动切换程序,S8;
[0069] (Ⅲ)电机启动切换
[0070] 进入电机启动切换程序后,先进行电机预定位,再采用I‑F(电流‑频率)矢量控制方式启动将电机带到设定转速,然后采用切换方法将电机切换至转速电流双闭环的控制方式运行,S9;
[0071] (Ⅳ)速度调节
[0072] 进入速度调节后,计算电机实际转速,将其与设定转速比较,得到的偏差值经速度调节器输出,S10;
[0073] (Ⅴ)负载转矩观测
[0074] 按照极点设置要求,计算观测矩阵,并将电机转动惯量、机械角速度、电流等状态量代入负载转矩观测器,计算得到电机的实时负载转矩,S11;
[0075] (Ⅵ)前馈补偿控制
[0076] 将观测器得到的实时负载转矩值与前九次累加后求取平均值,再乘以前馈比例系数得到负载转矩电流补偿值,并对电流补偿值进行限值保护后反馈到电流调节器输入端,S12;
[0077] (Ⅶ)空间矢量算法
[0078] 根据转速电流调节输出的电压参考值,执行空间矢量算法,计算占空比并输出PWM信号,控制三相逆变桥驱动电机运行,S13;
[0079] (Ⅷ)中断完成返回主程序
[0080] 完成电机的负载转矩前馈补偿及转速电流双环运行,中断完成返回主程序,S14。
[0081] 下面通过与常规转速电流双环矢量控制方法的对比详述本发明的改进点与其所产生的有益效果。
[0082] 本发明设计了一种负载转矩观测器,以可直接测量的角速度和电流作为已知状态变量,并以负载转矩和机械角速度作为需要估测的状态变量,最后将观测到的负载转矩作为扰动补偿反馈给电流调节器,从而提高控制系统的动态响应性能。
[0083] (1)负载转矩观测器设计
[0084] d‑q旋转坐标系下的电机的电磁转矩方程和运动方程为:
[0085]
[0086]
[0087] 式中id,iq‑‑‑‑定子直轴、交轴电流;
[0088] Ld,Lq‑‑‑‑定子直轴、交轴电感;
[0089] ψf‑‑‑‑转子磁链;
[0090] ωm‑‑‑‑机械角速度;
[0091] J‑‑‑‑转动惯量;
[0092] Bm‑‑‑‑摩擦系数;
[0093] Pn‑‑‑‑电机极对数;
[0094] Tl‑‑‑‑负载转矩。
[0095] 由于研究对象是表贴式永磁同步电机,其直轴、交轴电感相等,因此式(1)可简化为:
[0096]
[0097] 根据电机数学模型,降阶处理后构建的负载观测器方程如下:
[0098]
[0099] 其中: C=[1 0];
[0100] U=Te;
[0101] 上式中K为观测矩阵, 为观测状态矩阵,带入式(4)可得:
[0102]
[0103] 观测器的特征根方程可表示为:
[0104]
[0105] 为了保证系统稳定,通常将期望极点α、β设计在s域的左半轴:
[0106] s2‑(α+β)s+αβ=0                   (7)
[0107] 则观测器的观测矩阵K的值可由下式确定:
[0108]
[0109] 确定观测矩阵K后,将式(5)离散化后便可得到电机的负载观测转矩Tl和机械角速度ωm。
[0110] (2)负载转矩前馈补偿环节
[0111] 表贴式永磁同步电机通常采用id=0的矢量控制方法,其基本原理如图1所示:
[0112] 速度偏差值经速度PI调节器得到转矩电流的参考值 由clarke、park变换得出的电流iq、id分别与参考值做比较,产生的偏差值再经电流PI调节器得到电压的给定值 和两者再经park逆变换产生电压给定值 和 和 为三相逆变器SVPWM(空间矢量脉冲宽度调制)的控制信号,通过控制逆变器的输出,从而达到调节电机转速的目的。
[0113] 通常采用负载观测器得到的负载转矩Tl比例前馈到转矩电流iq调节器的输入端,作为电流环的扰动控制输入,不过由于采样误差等因素,每次观测的转矩值存在一定的波动,为提高观测转矩补偿的精度,对得到的观测转矩值进行以下处理:
[0114] (1)采用负载转矩的趋势值代替瞬时值:电机转速度每十个电流周期调节一次,因此观测器每次得到的Tl值与前九次累加后再求平均值,然后再乘以前馈比例系数反馈到电流调节器输入端;
[0115] (2)为防止电流调节器输出饱和,对负载转矩电流补偿值以及转矩电流参考值 进行了限值保护。采用负载转矩前馈补偿技术的电机控制系统框图如图2所示,[0116] 本发明利用DSP28335控制板进行软件编程,在原有矢量控制技术的基础上增加了负载转矩前馈补偿环节,采用新的控制算法后,永磁同步电机控制系统能够更好的抑制负载突然变化引起的转速波动,转速超调量更小、调整时间更快,表明负载转矩前馈补偿具有较好的抗扰动能力,提高了电机控制系统性能。
[0117] 申请声明,以上所述仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,所属技术领域的技术人员应该明了,任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。