一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法技术

本发明专利技术提供了一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：计算给定转矩Te

A direct torque control method for permanent magnet synchronous motor based on torque loop auto disturbance rejection

The invention provides a direct torque control method for permanent magnet synchronous motor based on torque loop auto disturbance rejection technology, including the following steps: calculating a given torque Te

【技术实现步骤摘要】
一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法
本专利技术涉及一种工业自动化领域，特别涉及一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法。
技术介绍
永磁同步电机因其所具有的高转矩惯量比、高功率因数以及高效率等优秀特性，在机器人、高精度数控机床、电动汽车等高科技领域中得到了越来越多的关注和应用。先进的控制方法是获取永磁同步电机优良运行性能的必要条件，在20世纪80年代所提出来的直接转矩控制方法就是一种用于控制电机的高性能控制方法。传统直接转矩控制方法的主要结构为滞环控制器和开关矢量表，其中两个滞环控制器用来分别实现对转矩和定子磁链的控制。依据滞环控制器的输出，并结合定子磁链所在的扇区，从开关矢量表中选取所需的电压矢量来驱动逆变器对电机进行控制。由于在每一个控制周期中，逆变器只能输出一个电压矢量，因此转矩和定子磁链的控制精度有限，造成转矩和定子磁链的波动变大，以及电流谐波增加。此外，逆变器不固定的开关频率也会使得开关管的损耗增加。应用空间矢量调制技术代替开关矢量表，可以有效的改善传统直接转矩控制方法中存在的转矩和磁链波动大的缺点，从而提升对转矩和磁链的控制精度。此外，在空间矢量调制中合理地安排开关管的导通顺序，也可以使得逆变器获得恒定的开关频率，减小逆变器的损耗。通常，在基于空间矢量调制的直接转矩控制方法中，应用传统的PI控制器来对转矩控制环进行调节。但是，PI控制器会受到积分环节饱和作用和系统噪声的影响，且存在对系统参数不确定性以及外部干扰信号适应性差的缺点，从而影响电机的运行性能。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，利用自抗扰控制(ADRC)这种新型非线性控制算法代替传统PI控制算法，设定鲁棒性强的转矩环控制器，实现对具有高阶、非线性特性的永磁同步电机的快速控制，提升电机响应性能；从而克服现有技术的缺陷，解决上述技术问题。本专利技术提供了一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：步骤A、计算给定转矩和反馈转矩Te；步骤B、以给定转矩和反馈转矩Te信号之差为输入，定子磁链角度变化量Δθs为输出，设定转矩环自抗扰控制器；步骤C、由定子磁链角度变化量，计算输出电压矢量，并由空间矢量调制模块输出PWM控制信号。进一步，本专利技术提供了一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，还具有以下特征：步骤A中、由转速环计算获得给定转矩利用光电编码器采样永磁同步电机的位置信号并求得电机转速反馈信号ωr；根据转速给定信号与转速反馈信号ωr之差，通过转速环控制器产生转矩给定信号进一步，本专利技术提供了一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，还具有以下特征：步骤A中、采样逆变器直流电压和电机三相定子电流，计算获得电机的反馈转矩Te；利用电压传感器采样直流电压信号，并通过开关状态重构得到三相静止坐标系上的电压量ua、ub、uc，利用电流传感器采样三相静止坐标系上的电流信号ia、ib、ic并滤波，通过CLARKE坐标变换得到在两相静止坐标系上的电压分量usα、usβ和电流分量isα、isβ，由永磁同步电机的电压方程求取在两相静止α-β坐标系上定子磁链分量ψsα、ψsβ，进一步由两相静止坐标系上的电流分量isα、isβ和磁链分量ψsα、ψsβ求得永磁同步电机的反馈转矩Te。进一步，本专利技术提供了一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，还具有以下特征：步骤B包括，步骤B-1、以实际转矩为变量的一阶系统方程；步骤B-2、设定转矩环自抗扰控制器的一阶非线性微分器(ND)，二阶扩张状态观测器(ESO)和一阶非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)。进一步，本专利技术提供了一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，还具有以下特征：以实际转矩为变量的一阶系统方程为，其中，ω为转子电角速度，δ为负载角，Ts为控制周期，Δθs为定子磁链角度的变化，kT为比例系数。进一步，本专利技术提供了一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，还具有以下特征：以转矩参考信号作为ND的输入信号，ND的输出为转矩信号的跟踪值，设定一阶非线性微分器ND，其中，为非线性函数：进一步，本专利技术提供了一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，还具有以下特征：二阶扩张状态观测器ESO用来对系统的状态变量以及未知干扰项进行观测，设定二阶扩张状态观测器ESO，其中，为非线性函数：进一步，本专利技术提供了一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，还具有以下特征：NLSEF的输出为最终控制量Δθs，设定一阶NLSEF为：其中，为非线性函数：进一步，本专利技术提供了一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，还具有以下特征：转矩环自抗扰控制器输出定子磁链的变化量Δθs，定子磁链给定幅值保持不变，可以求取定子磁链在两相静止坐标系上的变化量，由定子磁链的变化量可以求出所需的电压矢量分量为：本专利技术提供了一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，避免了积分饱和的影响，并通过ESO对参数的不确定性和未建模动态进行观测，在NLSEF中对观测的总扰动量进行补偿，以增强电机控制系统的鲁棒性，提升动静态响应性能。附图说明图1为基于转矩环自抗扰控制技术的永磁同步电机直接转矩控制系统结构框图。图2是基于转矩环自抗扰控制技术的永磁同步电机直接转矩控制方法的流程图。图3为永磁同步电机在运行过程中转子磁链和定子磁链的关系图。图4为本专利技术转矩环自抗扰控制器的原理框图。图5为本专利技术永磁同步电机1000r/min运行的转速响应波形。图6为本专利技术永磁同步电机1000r/min运行的转矩响应波形。图7为本专利技术永磁同步电机200r/min突加为2000r/min的转速响应波形。图8为本专利技术永磁同步电机200r/min突加为2000r/min的转矩响应波形。具体实施方式：下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进一步详细描述。图1为基于转矩环自抗扰控制技术的永磁同步电机直接转矩控制系统结构框图。如图1所示，基于转矩环自抗扰控制技术的永磁同步电机直接转矩控制系统主要包括：转速控制环节1、转矩自抗扰控制环节2、磁链矢量计算模块3、电压矢量计算模块4、空间电压矢量调制模块5、三相全桥逆变器6、永磁同步电机7、电压电流采样和坐标变换环节8以及反馈转矩和定子磁链观测环节9。图2是基于转矩环自抗扰控制技术的永磁同步电机直接转矩控制方法的流程示意图。如图2所示，基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法,包括以下步骤：步骤A、计算给定转矩和反馈转矩Te。步骤A-1、由转速环计算获得给定转矩利用光电编码器采样永磁同步电机的位置信号并求得电机转速反馈信号ωr。根据转速给定信号与转速反馈信号ωr之差，通过转速环控制器产生转矩给定信号步骤A-2、采样逆变器直流电压和电机三相定子电流，计算获得电机的反馈转矩Te。利用电压传感器采样直流电压信号，并通过开关状态重构得到三相静止坐标系上的电压量ua、ub、uc，利用电流传感器采样三相静止坐标系上的电流信号ia、ib、ic并滤波，通过CLARKE坐标变换得到在两相静止坐标系上的电压分量usα、usβ和电流分量isα、isβ，由永磁同步电机的电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤A、计算给定转矩

【技术特征摘要】
1.一种基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤A、计算给定转矩和反馈转矩Te；步骤B、以给定转矩和反馈转矩Te信号之差为输入，定子磁链角度变化量Δθs为输出，设定转矩环自抗扰控制器；步骤C、由定子磁链角度变化量，计算输出电压矢量，并由空间矢量调制模块输出PWM控制信号。2.如权利要求1所述的基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：步骤A中、由转速环计算获得给定转矩利用光电编码器采样永磁同步电机的位置信号并求得电机转速反馈信号ωr；根据转速给定信号与转速反馈信号ωr之差，通过转速环控制器产生转矩给定信号3.如权利要求1所述的基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：步骤A中、采样逆变器直流电压和电机三相定子电流，计算获得电机的反馈转矩Te；利用电压传感器采样直流电压信号，并通过开关状态重构得到三相静止坐标系上的电压量ua、ub、uc，利用电流传感器采样三相静止坐标系上的电流信号ia、ib、ic并滤波，通过CLARKE坐标变换得到在两相静止坐标系上的电压分量usα、usβ和电流分量isα、isβ，由永磁同步电机的电压方程求取在两相静止α-β坐标系上定子磁链分量ψsα、ψsβ，进一步由两相静止坐标系上的电流分量isα、isβ和磁链分量ψsα、ψsβ求得永磁同步电机的反馈转矩Te。4.如权利要求1所述的基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：步骤B包括，步骤B-1、获得以实际转矩为变量的一阶系统方程；步骤B-2、设定转矩环自抗扰控制器的一阶非线性微分器(ND)，二阶扩张状态观测器(ESO)和一阶非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)。5.如权利要求4所述的基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：以实际转矩为变量的一阶系统方程为，其中，ω为转子电角速度，δ为负载角，Ts为控制周期，Δθs为定子磁链角度的变化，kT为比例系数。6.如权利要求4所述的基于转矩环自抗扰技术永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于：以转矩参考信号作为ND的输入信号，ND的输出为转矩信号的跟踪值，设定一阶非线性微分器ND，其中，为非线性函数：7.如权利要求4所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁博文，周凤星，卢少武，严保康，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42