一种基于负载转矩观测的永磁同步电机控制及参数优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于负载转矩观测的永磁同步电机控制及参数优化方法，滑模速度控制器的输出项中包括补偿分项负载转矩观测值，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。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，能在负载转矩给定值发生变化或系统速度改变、参数发生变化、负载发生扰动等导致负载转矩观测值发生变化时，提前调整反馈增益，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。的快速性与精确性。的快速性与精确性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于负载转矩观测的永磁同步电机控制及参数优化方法
[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，尤其是涉及一种基于负载转矩观测的永磁同步电机控制及参数优化方法。

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针对高压断路器分合闸操作动态响应要求高的特点，提供一种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负载转矩观测的永磁同步电机控制及参数优化方法，永磁同步电机速度采用滑模速度控制器进行控制，滑模速度控制器采用积分滑模控制方式，负载转矩观测器的观测值被送至速度滑模控制器，滑模速度控制器输出的q轴给定电流包括有负载转矩观测值的计算项。滑模速度控制器参数和负载转矩观测器参数采用粒子群算法统一进行优化整定，目标函数为
[0005]Q3＝ω
z
+γ
z
τ；
[0006]其中，ω
z
为转子角速度跟踪抖差，τ为跟踪延迟时间，γ
z
为适应度平衡调整系数且γ
z
＞0。
[0007]滑模速度控制器参数和负载转矩观测器参数采用粒子群算法统一进行优化整定时，给定转子角速度ω
*
为正弦波信号；转子角速度跟踪抖差ω
z
为转子角速度ω的抖振幅度，跟踪延迟时间τ为转子角速度ω与给定转子角速度ω
*
之间的延迟时间。
[0008]获取转子角速度跟踪抖差ω
z
的方法是：转子角速度跟踪抖差ω
z
为多个周期转子角速度峰顶跟踪抖差ω
z1
和转子角速度谷底跟踪抖差ω
z2
的平均值。获取转子角速度峰顶跟踪抖差ω
z1
的方法是，将转子角速度在峰顶区2次最大采样值的平均值作为峰顶最大值，该2次最大采样值采样时刻之间的最小采样值作为峰顶最小值；转子角速度峰顶跟踪抖差ω
z1
为该峰顶最大值与峰顶最小值之差的绝对值。获取转子角速度谷底跟踪抖差ω
z2
的方法是：将转子角速度在谷底区2次最小采样值的平均值作为谷底最小值，该2次最小采样值采样时刻之间的最大采样值作为谷底最大值；转子角速度谷底跟踪抖差ω
z2
为该谷底最小值与谷底最大值之差的绝对值。
[0009]获取跟踪延迟时间τ的方法是：跟踪延迟时间τ为多个周期峰顶跟踪延迟时间τ1和谷底跟踪延迟时间τ2的平均值。峰顶跟踪延迟时间τ1为转子角速度最大值时刻与给定转子角速度最大值时刻之间时间差的绝对值；谷底跟踪延迟时间τ2为转子角速度最小值时刻与给定转子角速度最小值时刻之间时间差的绝对值。获取转子角速度最大值时刻和转子角速度最小值时刻的方法是，将转子角速度在峰顶区2次最大采样值采样时刻之间的中心点时刻作为转子角速度最大值时刻，将转子角速度在谷底区2次最小采样值采样时刻之间的中心点时刻作为转子角速度最小值时刻。
[0010]滑模速度控制器的状态变量为
[0011][0012]其中，ω是转子角速度，ω
*
是给定转子角速度。
[0013]滑模速度控制器的滑模面为s
y
＝c
y
y1+y2，c
y
为滑模面参数，且c
y
＞0；滑模速度控制器输出负载转矩给定值和q轴转矩电流给定值为
[0014][0015]其中，J是转动惯量，p是电机极对数，ψ
f
是永磁体磁链，B是摩擦系数，是负载转矩观测值；系数μ1、μ2、μ3和μ4为速度滑模控制的指数趋近率系数，且μ1＞0，μ2＞0，1＜μ3＜2，μ4＞0。
[0016]负载转矩观测器依据转子角速度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
[0017][0018]其中，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；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
W
是负载转矩观测器的比例增益且k
W
＜0。
[0019]负载转矩观测器根据滑模速度控制器输出的负载转矩给定值的变化对负载转矩观测器的反馈增益g进行调整，方法是：
[0020]步骤A、负载转矩观测器对负载转矩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
[0021]步骤B、计算
[0022]步骤C、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ΔT小于等于ε2时，进入步骤D；
[0023]步骤D、判断是否小于ε1；当小于ε1时，取反馈增益g等于g
max
并退出；当大于等于ε1时，进入步骤E；
[0024]步骤E、反馈增益g按照式
[0025][0026]进行计算后退出。
[0027]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。
[0028]滑模速度控制器参数和负载转矩观测器参数采用粒子群算法统一进行优化整定，待优化的参数向量为θ
z2
＝[c
y
，μ1，μ2，μ3，μ4，G
max
，G
min
，ε1，ε2，β]；g
max
与G
max
的关系为g
min
与G
min
的关系为k
W
与β的关系为
[0029][0030]T
N
是电机的额定转矩；β＞0。进一步地，1≤β≤20。
[0031]所述粒子群算法是：
[0032]步骤301，初始化粒子群；粒子初始位置为其中M为粒子数量；
[0033]步骤302，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，根据目标函数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；
[0034]步骤303本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于负载转矩观测的永磁同步电机控制及参数优化方法，永磁同步电机速度采用滑模速度控制器进行控制，滑模速度控制器采用积分滑模控制方式，其特征在于，负载转矩观测器的观测值被送至速度滑模控制器，滑模速度控制器输出的q轴给定电流包括有负载转矩观测值的计算项；滑模速度控制器参数和负载转矩观测器参数采用粒子群算法统一进行优化整定，目标函数为Q3＝ω
z
+γ
z
τ；其中，ω
z
为转子角速度跟踪抖差，τ为跟踪延迟时间，γ
z
为适应度平衡调整系数且γ
z
＞0；滑模速度控制器参数和负载转矩观测器参数采用粒子群算法统一进行优化整定时，给定转子角速度ω
*
为正弦波信号；转子角速度跟踪抖差ω
z
为转子角速度ω的抖振幅度，跟踪延迟时间τ为转子角速度ω与给定转子角速度ω
*
之间的延迟时间。2.如权利要求1所述的基于负载转矩观测的永磁同步电机控制及参数优化方法，其特征在于，获取转子角速度跟踪抖差ω
z
的方法是：转子角速度跟踪抖差ω
z
为多个周期转子角速度峰顶跟踪抖差ω
z1
和转子角速度谷底跟踪抖差ω
z2
的平均值；获取转子角速度峰顶跟踪抖差ω
z1
的方法是，将转子角速度在峰顶区2次最大采样值的平均值作为峰顶最大值，该2次最大采样值采样时刻之间的最小采样值作为峰顶最小值；转子角速度峰顶跟踪抖差ω
z1
为该峰顶最大值与峰顶最小值之差的绝对值；获取转子角速度谷底跟踪抖差ω
z2
的方法是：将转子角速度在谷底区2次最小采样值的平均值作为谷底最小值，该2次最小采样值采样时刻之间的最大采样值作为谷底最大值；转子角速度谷底跟踪抖差ω
z2
为该谷底最小值与谷底最大值之差的绝对值；获取跟踪延迟时间τ的方法是：跟踪延迟时间τ为多个周期峰顶跟踪延迟时间τ1和谷底跟踪延迟时间τ2的平均值；峰顶跟踪延迟时间τ1为转子角速度最大值时刻与给定转子角速度最大值时刻之间时间差的绝对值；谷底跟踪延迟时间τ2为转子角速度最小值时刻与给定转子角速度最小值时刻之间时间差的绝对值；获取转子角速度最大值时刻和转子角速度最小值时刻的方法是，将转子角速度在峰顶区2次最大采样值采样时刻之间的中心点时刻作为转子角速度最大值时刻，将转子角速度在谷底区2次最小采样值采样时刻之间的中心点时刻作为转子角速度最小值时刻。3.如权利要求2所述的基于负载转矩观测的永磁同步电机控制及参数优化方法，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
y
＝c
y
y1+y2，c
y
为滑模面参数，且c
y
＞0；滑模速度控制器输出负载转矩给定值和q轴转矩电流给定值为
其中，J是转动惯量，p是电机极对数，ψ
f
是永磁体磁链，B是摩擦系数，是负载转...

【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：