一种永磁同步电机驱动系统共振频率估计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种永磁同步电机驱动系统共振频率估计方法，具体为：建立永磁同步电机矢量控制模型，将三相定子电流变换到d

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机驱动系统共振频率估计方法


[0001]本专利技术属于电力牵引交流驱动
，尤其涉及一种永磁同步电机驱动系统共振频率估计方法。

技术介绍

[0002]在永磁同步电机驱动系统中，机械共振降低系统性能的同时，还会导致机械结构疲劳并产生噪声。这个问题可以通过改变系统的机械结构来解决，但这会大大增加成本。另一种解决方案是改变控制手段，如转矩脉动的前馈补偿，使用陷波滤波器等。需要注意的是，这种方案通常需要共振频率的参与。共振信息可以通过添加额外的传感器来获取，例如加速度传感器。然而，在实际中，由于永磁同步电机驱动系统紧凑的结构，加速度传感器的安装难以实现。
[0003]有学者研究一些无加速度传感器的方法，其中基于快速傅里叶变换(fastfouriertransform，FFT)的共振频率估计方法最为引人关注，但这中方法时间周期长，计算负担沉重，并且大多用于稳态条件下，这限制了这类方法的应用。

技术实现思路

[0004]鉴于现有共振频率估计方法的不足，本专利技术的目的是提供一种适用离线仿真、在线实时仿真及硬件在环仿真系统的永磁同步电机驱动系统的共振频率估计方法，计算量小且适用于多种工况的永磁同步电机驱动系统的共振频率估计。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供一种永磁同步电机驱动系统共振频率估计方法。
[0006]本专利技术的一种永磁同步电机驱动系统共振频率估计方法，利用二阶拓展状态观测器实现共振谐波分量的估计，并通过单相增强型锁相环完成永磁同步电机驱动系统共振频率的估计，具体包括以下步骤：
[0007]步骤1：建立永磁同步电机矢量控制模型，计算共振谐波分量。
[0008]建立永磁同步电机矢量控制模型，将三相定子电流变换到d
‑
q坐标系内，对d
‑
q轴下的电流和测量得到的包含共振分量的实际速度，依据永磁同步电机的动力学方程搭建二阶拓展状态观测器，得到观测误差即共振谐波分量。
[0009]步骤2：搭建单相增强型锁相环，将共振谐波分量输入到单相增强型锁相环中，得到估计的共振角频率。
[0010]步骤3：将所估计的共振角频率除以2π，即实现永磁同步电机驱动系统共振频率的估计。
[0011]步骤1具体为：
[0012]永磁同步电机在dq轴同步旋转参考系中的电磁转矩表示为：
[0013][0014]式中：T
e
为电磁转矩，n
p
为极对数，ψ
f
为磁链，L
d
、L
q
分别是d轴电感、q轴电感，i
d
，i
q
分别是d轴电流分量以及q轴电流分量。
[0015]随后，永磁同步电机的机械动力学表示为：
[0016][0017]式中：a＝3n
p
ψ
f
/2J，b＝3n
p
(L
d
‑
L
q
)/2J，c＝B/J，d＝n
p
/J；其中，ω
r
为电角速度，J为转动惯量，T
L
为负载转矩，B为摩擦系数；
[0018]考虑参数变化的扰动后，式(2)改写为
[0019][0020]式中，Δa，Δb，Δc和Δd为由于参数变化带来的干扰；
[0021]进一步，可得：
[0022][0023]式中：z为系统的整体扰动，进一步得到：
[0024]z＝Δai
q
+Δbi
d
i
q
‑
(c+Δc)ω
r
‑
(d+Δd)T
L
ꢀꢀ
(5)
[0025]基于式(4)，基于阶拓展状态观测器的永磁同步电机驱动系统扰动观测方案设计为：
[0026][0027]式中：β1，β2是二阶拓展观测器的增益，e
f
是观测误差，且二阶拓展观测器的增益被配置为：
[0028][0029]式中：ω
o
为二阶拓展观测器的带宽。
[0030]根据式(6)和式(7)，得到二阶拓展观测器的传递函数为：
[0031][0032]式中：上标“^”表示估计值。
[0033]如此，共振谐波分量就由二阶拓展观测器的观测误差提供：
[0034][0035]式中：ε
h
表示共振谐波分量。
[0036]步骤2具体为：
[0037]设：
[0038][0039]式中，U，ω，分别为共振谐波分量的幅值，角频率和初相位。
[0040]随后，
[0041][0042]式中：θ为相位，ε
h
‑
est
表示单相增强型锁相环估计值；
[0043]进一步，可得到：
[0044][0045]步骤3具体为：
[0046]将步骤2所估计的共振角频率作如式(13)计算得到永磁同步电机驱动系统的共振频率：
[0047][0048]式中：为估计的永磁同步电机驱动系统共振频率。
[0049]本专利技术的有益技术效果为：
[0050]1、本专利技术利用二阶拓展状态观测器实现永磁同步电机驱动系统共振谐波分量的估计，结构简单，计算量小。
[0051]2、本专利技术采用基于二阶拓展状态观测器实现共振谐波分量的估计可以维持在电机动态下的估计性能。此外，该方法具有很好的通用性，还可以移植到其它交流电机驱动系统中。
[0052]3、本专利技术利用单相增强型锁相环可以实现对共振频率的准确估计并有效降低谐波对估计性能的影响。
附图说明
[0053]图1是本专利技术所实现的基于二阶拓展状态观测器的永磁同步电机驱动系统共振频率估计方法原理图。
[0054]图2是本专利技术所实现的二阶拓展状态观测器结构框图。
[0055]图3是本专利技术所实现的单相增强型锁相环的结构框图。
[0056]图4为本专利技术实施例中永磁同步电机驱动系统在Matlab/Simulink环境下，通过引入振幅为1、频率为15Hz的共振谐波模拟永磁同步电机驱动系统机械共振。设定速度为800r/min，负载为400N
·
m工况下的实际速度和二阶拓展状态观测器估计速度的波形图。
[0057]图5为本专利技术实施例中永磁同步电机驱动系统在Matlab/Simulink环境下，通过引入振幅为1、频率为15Hz的共振谐波模拟永磁同步电机驱动系统机械共振。设定速度为800r/min，负载为400N
·
m工况下的观测误差即估计的共振谐波分量波形图。
[0058]图6为本专利技术实施例中永磁同步电机驱动系统在Matlab/Simulink环境下，通过引入振幅为1、频率为15Hz的共振谐波模拟永磁同步电机驱动系统机械共振。设定速度为800r/min，负载为400N
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机驱动系统共振频率估计方法，其特征在于，利用二阶拓展状态观测器实现共振谐波分量的估计，并通过单相增强型锁相环完成永磁同步电机驱动系统共振频率的估计，具体包括以下步骤：步骤1：建立永磁同步电机矢量控制模型，计算共振谐波分量；建立永磁同步电机矢量控制模型，将三相定子电流变换到d
‑
q坐标系内，对d
‑
q轴下的电流和测量得到的包含共振分量的实际速度，依据永磁同步电机的动力学方程搭建二阶拓展状态观测器，得到观测误差即共振谐波分量；步骤2：搭建单相增强型锁相环，将共振谐波分量输入到单相增强型锁相环中，得到估计的共振角频率；步骤3：将所估计的共振角频率除以2π，即实现永磁同步电机驱动系统共振频率的估计。2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机驱动系统共振频率估计方法，其特征在于，所述步骤1具体为：永磁同步电机在dq轴同步旋转参考系中的电磁转矩表示为：式中：T
e
为电磁转矩，n
p
为极对数，ψ
f
为磁链，L
d
、L
q
分别是d轴电感、q轴电感，i
d
，i
q
分别是d轴电流分量以及q轴电流分量；随后，永磁同步电机的机械动力学表示为：式中：a＝3n
p
ψ
f
/2J，b＝3n
p
(L
d
‑
L
q
)/2J，c＝B/J，d＝n
p
/J；其中，ω
r

【专利技术属性】
技术研发人员：王惠民，葛兴来，左运，冯晓云，宋文胜，王青元，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：