一种基于滑模观测的风机电动变桨距电机驱动控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于滑模观测的风机电动变桨距电机驱动控制方法，永磁同步电机速度由滑模速度控制器控制，负载转矩观测器依据转子角速度和q轴电流对负载转矩进行观测，用于对滑模速度控制器的输出进行负载转矩补偿。负载转矩观测器根据负载转矩给定值的变化和负载转矩观测值的变化对反馈增益进行调整，能在系统速度改变，或者是参数发生变化，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并将负载转矩观测值前馈补偿至电流调节器的给定值中，有效的削弱了系统的抖振，且动态响应速度快，鲁棒性高，提高了电机速度的控制精度。控制精度。控制精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于滑模观测的风机电动变桨距电机驱动控制方法
[0001]本专利技术专利申请为分案申请，原案申请号为202010918643.X，申请日为2020年09月04日，专利技术名称为风机电动变桨距电机驱动控制系统。


[0002]本专利技术涉及永磁同步电机
，更具体地，尤其是涉及一种基于滑模观测的风机电动变桨距电机驱动控制方法。

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。由于风速的随机性及气动效应的影响，风机变桨距的电机驱动控制系统为多变量强非线性不确定系统，负载惯性大，转矩变化快，且在不同风速和风向下要求的桨距角调速性能不同；传统风力发电机桨距角PI控制器的参数固定，鲁棒性不如滑模控制方法，但滑模控制方法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风机变桨距系统为多变量强非线性不确定系统，负载惯性大，转矩变化快，且在不同风速和风向下要求的桨距角调速性能不同的特点，提供一种将观测的负载转矩前馈补偿至电流调节器中，提高负载转矩观测响应速度并减少转矩观测波动性的基于滑模观测的风机电动变桨距电机驱动控制方法。永磁同步电机速度由滑模速度控制器控制，负载转矩观测器对负载转矩进行观测，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。负载转矩观测器根据负载转矩给定值的变化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<br/>对负载转矩进行观测，得到新的负载转矩观测值；q轴转矩电流给定值为转矩电流给定分量与转矩电流补偿分量之和。
[0005]滑模速度控制器的状态变量为
[0006][0007]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，c为滑模面参数，且c＞0；滑模速度控制器输出负载转矩给定值和转矩电流给定分量i
′
q
为
[0008][0009]其中，J是转动惯量，p是电机极对数，ψ
f
是永磁体磁链；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＞0，1＜k3＜2，k4＞0。
[0010]负载转矩观测器为
[0011][0012]其中，为负载转矩观测值，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，T
L
为负载转矩。
[0013]负载转矩观测器根据负载转矩给定值的变化和负载转矩观测值的变化对反馈增益进行调整的方法是：
[0014]步骤1、负载转矩观测器依据现有反馈增益g值对负载转矩T
L
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
[0015]步骤2、计算
[0016]步骤3、判断是否大于ε1；当大于ε1时，取反馈增益g等于g
min
并退出；当小于等于ε1时，进入步骤4；
[0017]步骤4、判断是否大于ε2；当大于ε2时，取反馈增益g等于g
min
并退出；当小于等于ε2时，取反馈增益g等于g
max
并退出。
[0018]其中，ε1为给定转矩变化比较阈值，且ε1＞0；ε2为观测转矩变化比较阈值，且ε2＞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。
[0019]转矩电流补偿分量i
″
q
为
[0020][0021]q轴转矩电流给定值为
[0022][0023]负载转矩观测器参数采用粒子群算法进行优化整定，方法是：
[0024]步骤201，初始化粒子群；粒子初始位置为其中M为粒子数量；待优化的参数向量为θ1＝[G
max
，G
min
，ε1，ε2，α]；
[0025]步骤202，粒子速度和粒子群最优解初始化；将各粒子的初始位置作为各粒子的初始最优值，计算每个粒子的适应度值并作为各粒子的最优粒子适应度值保存；对各粒子适应度值进行比较得到初始粒子群最优解和粒子群最优适应度值并保存；
[0026]步骤203，按照式
[0027][0028]p
n+1
＝p
n
+u
n+1
[0029]更新各粒子的速度和位置；n为当前的迭代次数，u
n
和p
n
是粒子的速度向量和位置；c0为惯性权重，取值范围在0～1.4之间；c1、c2为学习因子，在1～2之间取值；
为取值范围在0～1内的随机数；为粒子本身至目前为止找到的最优解，表示整个种群到目前为止的粒子群最优解；
[0030]步骤204，计算每个粒子的适应度值；
[0031]步骤205，对和相应的最优粒子适应度值进行更新，对和相应的粒子群最优适应度值进行更新；
[0032]步骤206，判断是否满足循环终止条件，如果是，则结束粒子群算法，最终的粒子群最优解为滑模速度控制器的最优参数；否则，返回步骤203。
[0033]步骤202和步骤204中计算每个粒子的适应度值的目标函数为
[0034][0035]Q2为粒子的适应度值；为负载转矩观测误差，e2(t)为负载转矩观测误差瞬时值，t
p
为电机负载转矩观测阶跃响应的跟踪调节时间，t＝0为负载转矩观测阶跃响应的负载突变时刻；Q
21
中的第二项γ
p1
(1
‑
sgn(e2(t)+T
δ
))为转矩观测跟踪超调罚函数，T
δ
为转矩观测跟踪超调限值，γ
p1
取一个足够大的正数；max(|e2(t)|)为最大转矩观测稳态抖差绝对值，γ
p2
为适应度平衡侧重系数，取大于0的常数；Q
22
中第二项γ
p1
(1
‑
sgn(e2(t)+T
Δ
)为转矩观测稳态抖差罚函数，T
Δ
为负载转矩观测稳态抖差限值；γ
p3
≥2。
[0036]步骤201中，g
max
与G
max
的关系为g
min
与G
min
的关系为k
g
与α的关系为
[0037][0038]其中，α≥1；进一步地，α值在1～5的范围内选择。
[0039]滑模速度控制器参数采用粒子群算法进行优化整定，方法是：
[0040]步骤101，初始化粒子群；粒子初始位置为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于滑模观测的风机电动变桨距电机驱动控制方法，永磁同步电机速度由滑模速度控制器控制，负载转矩观测器对负载转矩进行观测，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；其特征在于，负载转矩观测器根据负载转矩给定值的变化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，得到新的负载转矩观测值；q轴转矩电流给定值为转矩电流给定分量与转矩电流补偿分量之和；滑模速度控制器的状态变量为其中，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，c为滑模面参数，且c＞0；滑模速度控制器输出负载转矩给定值和转矩电流给定分量i
′
q
为其中，J是转动惯量，p是电机极对数，ψ
f
是永磁体磁链；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＞0，1＜k3＜2，k4＞0；负载转矩观测器为其中，为负载转矩观测值，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，T
L
为负载转矩。2.如权利要求1所述的基于滑模观测的风机电动变桨距电机驱动控制方法，其特征在于，负载转矩观测器根据负载转矩给定值的变化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1、负载转矩观测器依据现有反馈增益g值对负载转矩T
L
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步骤2、计算步骤3、判断是否大于ε1；当大于ε1时，取反馈增益g等于g
min
并退出；当小于等于ε1时，进入步骤4；步骤4、判断是否大于ε2；当大于ε2时，取反馈增益g等于g
min
并退出；当小于等于ε2时，取反馈增益g等于g
max
并退出；ε1为给定转矩变化比较阈值，且ε1＞0；ε2为观测转矩变化比较阈值，且ε2＞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所述的基于滑模观测的风机电动变桨距电机驱动控制方法，其特征在于，转矩电流补偿分量i
″
q
为q轴转矩电流给定值为4.如权利要求3所述的基于滑模观测的风机电动变桨距电机驱动控制方法，其特征在于，负载转矩观测器参数采用粒子群算法进行优化整定，方法是，待优化的参数向量为θ1＝[G
max
，G
min
，ε1，ε2，α]；g
max
与G
max
的关系为g
min
与G
...

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