一种永磁同步电机负载转矩滑模观测方法技术

本发明专利技术公开了一种永磁同步电机负载转矩滑模观测方法，在负载转矩给定值变化小且负载转矩观测值变化小时，给予反馈增益较大值，使观测结果波动性小，稳定性更强；在负载转矩给定值变化大或者负载转矩观测值变化大时，给予反馈增益较小值，使观测速度加快，最终通过对反馈增益的调整，得到观测速度快和波动小、稳定性更强的综合结果，能够快速降低负载转矩的观测误差。将负载转矩观测值前馈补偿至电流调节器中，有效地削弱了系统的抖振，且动态响应速度快，鲁棒性高，提高了永磁同步电机的控制精度。精度。精度。

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机负载转矩滑模观测方法
[0001]本专利技术专利申请为分案申请，原案申请号为202010918597.3，申请日为2020年09月04日，专利技术名称为工业机器人用永磁同步电机控制方法。


[0002]本专利技术涉及永磁同步电机
，更具体地，尤其是涉及一种永磁同步电机负载转矩滑模观测方法。

技术介绍

[0003]永磁同步电机具有效率高、扭矩大、转速性能好等优点，被广泛应用在制造、电动汽车、工业生产等领域中。工业机器人应用场合工作环境复杂多变，负载转动惯量变化大，调速范围广，且要求电机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间短。基于PI控制器的矢量控制方法不能满足工业机器人用电机驱动的快速性要求，滑模控制方法提高了系统响应的快速性，但在发生负载扰动或内部参数摄动时，会使电机速度产生明显的抖振。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对永磁同步电机负载转矩变化大和调速范围广的情况，提供一种提高负载转矩观测响应速度和快速降低负载转矩观测误差，从而减小电机速度抖振的永磁同步电机负载转矩滑模观测方法，包括：
[0005]负载转矩观测器根据负载转矩给定值和负载转矩观测值的变化对反馈增益进行调整，依据转子角速度ω和电流i
q
对负载转矩进行观测，得到负载转矩观测值负载转矩观测器为
[0006][0007]其中，J是转动惯量，p是电机极对数，ψ
f
是永磁体磁链，是转子角速度估计值，g是负载转矩观测器的反馈增益且g＜0；k/>g
是负载转矩观测器的滑模增益且k
g
≤
‑
|e2/J|，为负载转矩观测误差。
[0008]所述永磁同步电机的速度由滑模速度控制器进行控制，负载转矩观测器的输出用于对滑模速度控制器的输出进行负载转矩补偿；负载转矩给定值由滑模速度控制器输出。
[0009]负载转矩观测器根据负载转矩给定值和负载转矩观测值的变化对反馈增益进行调整的方法是：
[0010]步骤I、计算
[0011]步骤II、判断是否大于转矩变化比较阈值ε；当大于转矩变化比较阈值ε时，取反馈增益g等于g
min
；当小于等于转矩变化比较阈值ε时，取反馈增益g等于g
max
；
[0012]步骤III、负载转矩观测器对负载转矩进行观测，得到负载转矩观测值滑模速度控制器进行控制运算得到负载转矩给定值
[0013]其中，ε＞0；g
max
为反馈增益高值，g
min
为反馈增益低值，且g
min
＜g
max
＜0。
[0014]选取g
min
、g
max
、ε值的方法是：
[0015]步骤
⑴
，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态且保持给定转子角速度不变和负载转矩不变；
[0016]步骤
⑵
，令反馈增益g从一个较大值开始逐渐减小，当负载转矩观测的稳态误差达到负载转矩观测稳态误差限值时，确定此时的反馈增益g值为g
max
；
[0017]步骤
⑶
，保持给定转子角速度不变和负载转矩不变且令反馈增益g等于g
max
，连续进行n次值和值的测量，并将n次测量中最大m个之和的平均值作为转矩变化比较阈值ε；n为大于等于20的整数，m为大于等于5且小于等于0.5n的整数；
[0018]步骤
⑷
，微调改变反馈增益g，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态时，保持给定转子角速度不变和令负载转矩突变，在保证负载转矩观测器输出观测值的转矩观测跟踪超调量处于转矩观测跟踪超调限值之内的前提下，测量负载转矩观测器的跟踪调节时间；
[0019]步骤
⑸
，重复步骤
⑷
，选择跟踪调节时间最短的反馈增益g值为g
min
值。
[0020]滑模速度控制器的状态变量为
[0021][0022]其中，ω是转子角速度，ω*是给定转子角速度；滑模速度控制器的滑模面为s＝cx1+x2，其中c为滑模面参数，且c＞0；滑模速度控制器输出的负载转矩给定值和转矩电流给定分量i
′
q
为
[0023][0024]其中，系数k1、k2、k3、k4为速度滑模控制的指数趋近率系数，且k1＞0，k2＞0，0＜k3＜1，k4＞0。
[0025]负载转矩观测器输出转矩电流补偿分量i
″
q
，转矩电流补偿分量i
″
q
为
[0026][0027]q轴转矩电流给定值为
[0028][0029]滑模增益k
g
按照
[0030][0031]进行选择；其中α≥1；进一步地，1≤α≤5。
[0032]所述的永磁同步电机负载转矩滑模观测方法检测永磁同步电机的转子位置θ、和三相电流i
a
、i
b
和i
c
；依据三相电流i
a
、i
b
和i
c
对永磁同步电机进行Clark变换得到在α
‑
β轴坐标系下的电流i
α
、i
β
，依据电流i
α
、i
β
和转子位置θ进行Park变换，得到在d
‑
q轴坐标系下的电流i
d
、i
q
。
[0033]本专利技术的有益效果是，负载转矩观测采用反馈增益依据负载转矩给定值的变化量和负载转矩观测值的变化量进行自动调整的算法，避免了负载转矩观测器选择固定小反馈增益导致转矩观测波动大，选择固定大反馈增益导致收敛时间长的问题，能在系统的控制参数、模型参数等发生变化或者是负载发生扰动，导致负载转矩给定值发生变化或/和负载转矩观测值发生变化时，快速降低负载转矩的观测误差，改善了观测效果和电机速度控制的快速性与精确性。反馈增益g在负载转矩给定值变化时即进行自动调整，能够在负载转矩观测值还没有发生较大变化，但因转子角速度给定值改变或/和转子角速度实际值改变使负载转矩给定值改变，或者是系统模型参数发生变化使负载转矩给定值发生改变，将引起负载转矩观测值有较大波动时，提前调整反馈增益g，当负载转矩观测值真正产生观测误差时，加快观测器的响应速度，快速降低负载转矩观测值的观测误差，并进一步改善电机速度控制的快速性与精确性。将负载转矩观测值前馈补偿至电流调节器的给定值中，在不需要滑模速度控制器输出的给定电流部分产生较大调整的情况下，就能抵消负载发生扰动或者是系统参数发生变化所造成的相关影响，有效地削弱了系统的抖振。
附图说明
[0034]图1为永磁同步电机速度控制系统实施例1框图；
[0035]图2为反馈增益自动调整方法实施例1流程图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机负载转矩滑模观测方法，其特征在于，负载转矩观测器根据负载转矩给定值和负载转矩观测值的变化对反馈增益进行调整，依据转子角速度ω和电流i
q
对负载转矩进行观测，得到负载转矩观测值负载转矩观测器为其中，J是转动惯量，p是电机极对数，ψ
f
是永磁体磁链，是转子角速度估计值，g是负载转矩观测器的反馈增益且g＜0；k
g
是负载转矩观测器的滑模增益且k
g
≤
‑
|e2/J|，为负载转矩观测误差；所述永磁同步电机的速度由滑模速度控制器进行控制，负载转矩观测器的输出用于对滑模速度控制器的输出进行负载转矩补偿；负载转矩给定值由滑模速度控制器输出。2.如权利要求1所述的永磁同步电机负载转矩滑模观测方法，其特征在于，负载转矩观测器根据负载转矩给定值和负载转矩观测值的变化对反馈增益进行调整的方法是：步骤I、计算步骤II、判断是否大于转矩变化比较阈值ε；当大于转矩变化比较阈值ε时，取反馈增益g等于g
min
；当小于等于转矩变化比较阈值ε时，取反馈增益g等于g
max
；步骤III、负载转矩观测器对负载转矩进行观测，得到负载转矩观测值滑模速度控制器进行控制运算得到负载转矩给定值其中，ε＞0；g
max
为反馈增益高值，g
min
为反馈增益低值，且g
min
＜g
max
＜0。3.如权利要求2所述的永磁同步电机负载转矩滑模观测方法，其特征在于，选取g
min
、g
max
、ε值的方法是：步骤
⑴
，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态且保持给定转子角速度不变和负载转矩不变；步骤
⑵
，令反馈增益g从一个较大值开始逐渐减小，当负载转矩观测的稳态误差达到负载转矩观测稳态误差限值时，确定此时的反馈增益g值为g
max
；步骤
⑶
，保持给定转子角速度不变和负载转矩不变且令反馈增益g等于g
max
，连续进行n次值和值的测量，并将n次测量中最大m个之和的平均值作为转矩变化比较阈值ε；n为大于等于20的整数，m为大于等于5且小于等于0.5...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌云，何军，张晓虎，刘颖慧，黄云章，周建华，汤彩珍，
申请(专利权)人：湖南工业大学，
类型：发明
国别省市：