一种永磁同步电机速度的负载扰动补偿控制方法技术

本发明专利技术公开了一种永磁同步电机速度的负载扰动补偿控制方法，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，负载转矩观测器的反馈增益依据负载转矩给定值和负载转矩观测值的变化量进行自动调整，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。提高了电机速度的控制精度。提高了电机速度的控制精度。

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机速度的负载扰动补偿控制方法
[0001]本专利技术专利申请为分案申请，原案申请号为202010918602.0，申请日为2020年09月04日，专利技术名称为高压断路器电机驱动控制系统。


[0002]本专利技术涉及永磁同步电机
，更具体地，尤其是涉及一种永磁同步电机速度的负载扰动补偿控制方法。

技术介绍

[0003]高压断路器目前比较常用的操动机构主要有电磁操动机构、弹簧操动机构、气动操动机构和液压操动机构等。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，采用永磁同步电动机直接驱动断路器进行操作，为用不同速度特性操作断路器的分合闸操作提供了条件。永磁同步电机采用PI控制器不能满足高动态响应的要求，采用滑模控制方法则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永磁同步电机速度的负载扰动补偿控制方法。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。滑模速度控制器的状态变量为
[0005][0006]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。
[0007]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＞0，0＜k3＜1，k4＞θ。
[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满足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；i
q
为Park变换模块输出的旋转d
‑
q轴坐标系下的q轴电流。
[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，方法是：
[0014]步骤
①
、计算、计算
[0015]步骤
②
、判断ΔT是否大于ε2；当ΔT大于ε2时，取反馈增益g等于g
min
并进入步骤
⑤
；当ΔT小于等于ε2时，进入步骤
③
；
[0016]步骤
③
、判断ΔT是否小于ε1；当ΔT小于ε1时，取反馈增益g等于g
max
并进入步骤
⑤
；当ΔT大于等于ε1时，进入步骤
④
；
[0017]步骤
④
、反馈增益g按照
[0018][0019]进行计算；
[0020]步骤
⑤
、负载转矩观测器依据反馈增益g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
[0021]其中，ε1为转矩变化低限比较阈值，ε2为转矩变化高限比较阈值，且0＜ε1＜ε2；g
max
为反馈增益高值，g
min
为反馈增益低值，且g
min
＜g
max
＜0。
[0022]负载转矩观测器观测得到负载转矩观测值后，将负载转矩的观测值转换成转矩电流补偿分量i
″
q
前馈补偿至q轴电流控制器的输入，对滑模速度控制器输出的转矩电流给定分量i
′
q
进行补偿。q轴电流控制器的q轴转矩电流给定值i
*q
为：
[0023][0024]其中，k
q
＝2/(3pψ
f
)为转矩观测补偿系数。
[0025]滑模速度控制器参数和负载转矩观测器参数均采用狼群算法进行优化整定。滑模速度控制器参数采用狼群算法进行优化整定时，待优化的参数向量为θ＝[c，k1，k2，k3，k4]，搜索空间维度N等于5；参数c的取值区间为[0 1000]，参数k1的取值区间为[02000]，参数k2的取值区间为[0 2000]，参数k3的取值区间为[0.4 0.6]，参数k4的取值区间为[0.5/ω
Δ 1/ω
Δ
]；ω
Δ
为转子角速度稳态抖差限值。滑模速度控制器参数采用狼群算法进行优化整定时，计算适应值的目标函数Q1为
[0026][0027]其中，e(t)为转子角速度误差瞬时值，t
m
为电机转子角速度阶跃响应的过渡过程时间，t＝0为电机阶跃响应的启动时刻；Q
11
中的第二项γ
m1
(1
‑
sgn(e(t)+ω
δ
))为角速度超调罚函数，其中γ
m1
取一个足够大的正数，ω
δ
为转子角速度超调量限值；Q
12
为稳态抖差罚函数；γ
m2
≥2。
[0028]负载转矩观测器参数采用狼群算法进行优化整定时，待优化的参数向量为θ1＝[G
max
，G
min
，ε1，ε2，α]，搜索空间维度N等于5；参数G
max
的取值区间为[
‑
4 4]；参数G
min
的取值区间为[
‑
4 4]；参数ε1的取值区间和参数ε2的取值区间均为[0 0.05T
N
]，T
N
为电机的额定转矩；参数α的取值区间为[15]。g
max
、g
min
与G
max
、G
min
的关系为k
g
与α的关系为
[0029][0030]负载转矩观测器参数采用狼群算法进行优化整定时，计算适应值的目标函数Q2为
[0031][0032]其中，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
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机速度的负载扰动补偿控制方法，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，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＞0，0＜k3＜1，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；i
q
为q轴电流；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，方法是：步骤
①
、计算计算步骤
②
、判断ΔT是否大于ε2；当ΔT大于ε2时，取反馈增益g等于g
min
并进入步骤
⑤
；当ΔT小于等于ε2时，进入步骤
③
；步骤
③
、判断ΔT是否小于ε1；当ΔT小于ε1时，取反馈增益g等于g
max
并进入步骤
⑤
；当ΔT大于等于ε1时，进入步骤
④
；步骤
④
、反馈增益g按照进行计算；步骤
⑤
、负载转矩观测器依据反馈增益g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其中，ε1为转矩变化低限比较阈值，ε2为转矩变化高限比较阈值，且0＜ε1＜ε2；g
max
为反馈增益高值，g
min
为反馈增益低值，且g
min
＜g
max
＜0；
滑模速度控制器参数和负载转矩观测器参数均采用狼群算法进行优化整定。2.如权利要求1所述的永磁同步电机速度的负载扰动补偿控制方法，其特征在于，负载转矩观测器观测得到负载转矩观测值后，将负载转矩的观测值转换成转矩电流补偿分量i
″
q
前馈补偿至q轴电流控制器的输入，对滑模速度控制器输出的转矩电流给定分量i
′
q
进行补偿。q轴电流控制器的q轴转矩电流给定值i
*q
为其中，k
q
＝2/(3pψ
f
)为转矩观测补偿系数。3.如权利要求2所述的永磁同步电机速度的负载扰动补偿控制方法，其特征在于，滑模速度控制器参数采用狼群算法进行优化整定时，待优化的参数向量为θ＝[c，k1，k2，k3，k4]，搜索空间维度N等于5；参数c的取值区间为[0 1000]，参数k1的取值区间为[0 2000]，参数k2的取值区间为[0 2000]，参数k3的取值区间为[0.4 0.6]，参数k4的取值区间为[0.5/ω
Δ 1/ω
Δ
...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒中宾，凌云，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：