基于扰动观测器的永磁同步电机电流比例积分准谐振控制方法技术

本发明专利技术公开一种基于扰动观测器的永磁同步电机电流比例积分准谐振控制方法，包括以下步骤：基于谐振控制器的特性，对电流环采用传统PI控制器进行改进，构成比例积分准谐振控制器降低转子永磁体磁场谐波、逆变器非线性特性等周期性扰动产生的转矩脉动，提高系统的稳态性能；基于扰动观测及补偿理论，将电机参数变化、负载突变和未建模动态误差等非周期性扰动引起的电压误差等效为外部扰动，设计扰动观测器进行观测并将其反馈到上述比例积分准谐振控制器的输出端进行补偿，提高系统的鲁棒性能。本发明专利技术不仅保留了扰动观测器可有效观测非周期性扰动的特点，还有效抑制周期性扰动和非周期性扰动产生的影响，实现对电流的高性能控制。制。制。

【技术实现步骤摘要】
基于扰动观测器的永磁同步电机电流比例积分准谐振控制方法


[0001]本专利技术属于电机控制
，具体地说涉及一种基于扰动观测器的永磁同步电机电流比例积分准谐振控制方法。

技术介绍

[0002]由于永磁同步电机具有体积小、结构简单、功率密度大、可靠性高等优点，使其在航空航天、家用电器、电梯曳引、电动汽车驱动等领域得到了广泛的应用，许多应用场合也对其控制性能提出了越来越高的要求。
[0003]目前高性能的永磁同步电机控制系统通常采用矢量控制的方法。其中，电流环作为矢量控制系统的最内环，其性能的优劣直接影响了整个系统的控制性能。由于永磁同步电机是一个多变量强耦合的非线性系统，在实际运行过程中电流环还会受到来自系统内外周期性和非周期性扰动因素的影响，周期性扰动如逆变器死区时间和管压降非线性特性、转子永磁体磁场谐波等，非周期性扰动如电机参数变化、未建模动态误差等，这些扰动严重影响了电流环控制性能的提高，尤其是当电机运行在低频轻载情况下，扰动造成的影响更为严重。在传统矢量控制系统中，电流环通常采用PI控制方法，该方法虽然在一定程度上能够满足控制系统的要求，但是其不能很好地对扰动进行有效抑制。
[0004]为了实现对永磁同步电机的高性能控制，需要采取相应的措施来抑制这些扰动对系统性能的影响，从而提高电流环的控制性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于扰动观测器的永磁同步电机电流比例积分准谐振控制方法。解决以下技术问题：永磁同步电机系统实际运行过程中，由于受到转子永磁体磁场谐波、逆变器非线性特性等周期性扰动和电机参数变化、未建模动态误差等非周期性扰动的影响，对电流环仅采用传统的PI控制不能很好的抑制这些扰动造成的影响，尤其是永磁同步电机运行在低频轻载工况下，系统的控制性能较差，限制了其在高性能场合的应用。
[0006]本专利技术的目的是以下述方式实现的：
[0007]一种基于扰动观测器的永磁同步电机电流比例积分准谐振控制方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1、在d
‑
q同步旋转坐标系下，建立集中扰动时永磁同步电机的数学模型；
[0009]步骤2、基于谐振控制器的特性，对电流环采用传统PI控制器进行改进，构成比例积分准谐振控制器；
[0010]步骤3、基于扰动观测理论，将电机参数变化、负载突变和未建模动态误差等非周期性扰动引起的d轴和q轴电压误差等效为电流环外部扰动，分别设计扰动观测器进行观测；
[0011]步骤4、将扰动观测器观测出的d轴和q轴电压误差分别作为d轴和q轴的电压补偿分量，反馈到电流环d轴和q轴比例积分准谐振控制器的输出端进行补偿，进一步提高系统的性能。
[0012]上述的基于扰动观测器的永磁同步电机电流比例积分准谐振控制方法，所述步骤1中集中扰动是指：永磁同步电机在实际运行过程中会受到周期性扰动和非周期性扰动的影响，周期性扰动包括转子永磁体磁场谐波、逆变器非线性特性等扰动因素，非周期性扰动包括电机参数变化、负载突变和未建模动态误差等扰动因素，将这些周期性扰动和非周期性扰动统称为集中扰动。
[0013]上述的基于扰动观测器的永磁同步电机电流比例积分准谐振控制方法，步骤1中集中扰动时永磁同步电机的数学模型具体包括：
[0014]集中扰动时，永磁同步电机在两相基波d
‑
q同步旋转坐标系下的数学模型为：
[0015][0016]式中，u
d
和u
q
分别为定子电压的d轴和q轴分量，R
sn
为定子绕组等效电阻的标称值，L
dn
和L
qn
分别为定子绕组d轴和q轴等效电感的标称值，i
d1
和i
q1
分别为定子基波电流的d轴和q轴分量，和分别为定子基波电流d轴和q轴分量的一阶导数，ψ
f1
为转子永磁体的基波磁链，T
e
为电磁转矩，n
P
为电机的极对数，J为转子转动惯量，T
L
为负载转矩，B
m
为粘滞摩擦系数，ω
e
和ω
m
分别为转子的电角速度和机械角速度，为转子机械角速度的一阶导数，f
d
和f
q
分别为由集中扰动引起的定子扰动电压的d轴和q轴分量，f
Te
为由集中扰动引起的电磁转矩扰动量；
[0017]由于受周期性扰动的影响，永磁同步电机定子三相磁链、电压、电流波形会发生畸变，含有5、7、11、13等一系列奇次谐波分量，其中含量最大的为5、7次谐波；在基波d
‑
q同步旋转坐标系下，a
‑
b
‑
c静止坐标系中的5、7次谐波分量经过坐标变换后，变换成为6次谐波分量，可得到由周期性扰动引起的定子扰动电压和电磁转矩扰动分量为：
[0018][0019]式中，f
d_P
和f
q_P
分别为由周期性扰动引起的定子扰动电压的d轴和q轴分量，f
Te_P
为由周期性扰动引起的电磁转矩扰动分量，U
d_P6
和U
q_P6
分别为6次扰动电压的d轴和q轴分量的幅值，ω
e
t为转子的电角度，和分别为6次扰动电压的d轴和q轴分量的初始相位，T6为6次电磁转矩扰动分量的幅值。
[0020]由非周期性扰动引起的定子电压误差和电磁转矩扰动分量为：
[0021][0022]式中，f
d_NP
和f
q_NP
为由非周期性扰动引起的定子电压误差的d轴和q轴分量，f
Te_NP
为由非周期性扰动引起的电磁转矩扰动分量，ΔR
s
、ΔL
d
、ΔL
q
和Δψ
f
分别为定子电阻、d轴电感、q轴电感和转子永磁体基波磁链四个电机参数相对于各自标称值的变化值，ε
d
和ε
q
分别为由负载突变和未建模动态误差等不确定扰动引起的定子电压误差的d轴和q轴分量，ε
Te
为由负载突变和未建模动态误差等不确定扰动引起的电磁转矩扰动分量，n
P
为电机的极对数，i
d1
和i
q1
分别为定子基波电流的d轴和q轴分量，和分别为定子基波电流d轴和q轴分量的一阶导数；
[0023]将式(2)和式(3)代入式(1)，可得由集中扰动引起的定子扰动电压和电磁转矩扰动量为：
[0024][0025]上述的基于扰动观测器的永磁同步电机电流比例积分准谐振控制方法，所述步骤2的具体过程为：
[0026]对电流环采用传统PI控制器的结构进行改进，引入准谐振补偿环节，对传统PI控制器的控制率进行修改，即在传统PI电流控制器的控制率中，对电流环d轴和q轴的PI控制器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于扰动观测器的永磁同步电机电流比例积分准谐振控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在d
‑
q同步旋转坐标系下，建立集中扰动时永磁同步电机的数学模型；步骤2、基于谐振控制器的特性，对电流环采用传统PI控制器进行改进，构成比例积分准谐振控制器；步骤3、基于扰动观测理论，将电机参数变化、负载突变和未建模动态误差等非周期性扰动引起的d轴和q轴电压误差等效为电流环外部扰动，分别设计扰动观测器进行观测；步骤4、将扰动观测器观测出的d轴和q轴电压误差分别作为d轴和q轴的电压补偿分量，反馈到电流环d轴和q轴比例积分准谐振控制器的输出端进行补偿，进一步提高系统的性能。2.根据权利要求1所述的基于扰动观测器的永磁同步电机电流比例积分准谐振控制方法，其特征在于，所述步骤1中集中扰动是指：永磁同步电机在实际运行过程中会受到周期性扰动和非周期性扰动的影响，周期性扰动包括转子永磁体磁场谐波、逆变器非线性特性等扰动因素，非周期性扰动包括电机参数变化、负载突变和未建模动态误差等扰动因素，将这些周期性扰动和非周期性扰动统称为集中扰动。3.根据权利要求2所述的基于扰动观测器的永磁同步电机电流比例积分准谐振控制方法，其特征在于：步骤1中集中扰动时永磁同步电机的数学模型具体包括：集中扰动时，永磁同步电机在两相基波d
‑
q同步旋转坐标系下的数学模型为：式中，u
d
和u
q
分别为定子电压的d轴和q轴分量，R
sn
为定子绕组等效电阻的标称值，L
dn
和L
qn
分别为定子绕组d轴和q轴等效电感的标称值，i
d1
和i
q1
分别为定子基波电流的d轴和q轴分量，和分别为定子基波电流d轴和q轴分量的一阶导数，ψ
f1
为转子永磁体的基波磁链，T
e
为电磁转矩，n
P
为电机的极对数，J为转子转动惯量，T
L
为负载转矩，B
m
为粘滞摩擦系数，ω
e
和ω
m
分别为转子的电角速度和机械角速度，为转子机械角速度的一阶导数，f
d
和f
q
分别为由集中扰动引起的定子扰动电压的d轴和q轴分量，f
Te
为由集中扰动引起的电磁转矩扰动量；由于受周期性扰动的影响，永磁同步电机定子三相磁链、电压、电流波形会发生畸变，含有5、7、11、13等一系列奇次谐波分量，其中含量最大的为5、7次谐波；在基波d
‑
q同步旋转坐标系下，a
‑
b
‑
c静止坐标系中的5、7次谐波分量经过坐标变换后，变换成为6次谐波分量，
可得到由周期性扰动引起的定子扰动电压和电磁转矩扰动分量为：式中，f
d_P
和f
q_P
分别为由周期性扰动引起的定子扰动电压的d轴和q轴分量，f
Te_P
为由周期性扰动引起的电磁转矩扰动分量，U
d_P6
和U
q_P6
分别为6次扰动电压的d轴和q轴分量的幅值，ω
e
t为转子的电角度，和分别为6次扰动电压的d轴和q轴分量的初始相位，T6为6次电磁转矩扰动分量的幅值。由非周期性扰动引起的定子电压误差和电磁转矩扰动分量为：式中，f
d_NP
和f
q_NP
为由非周期性扰动引起的定子电压误差的d轴和q轴分量，f
Te_NP
为由非周期性扰动引起的电磁转矩扰动分量，ΔR
s
、ΔL
d
、ΔL
q
和Δψ
f
分别为定子电阻、d轴电感、q轴电感和转子永磁体基波磁链四个电机参数相对于各自标称值的变化值，ε
d
和ε
q
分别为由负载突变和未建模动态误差等不确定扰动引起的定子...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海洋，李继方，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：