一种宽转速范围内的永磁轮毂电机速度平滑切换控制方法技术

本发明专利技术公开了一种宽转速范围内的永磁轮毂电机速度平滑切换控制方法，步骤1，建立永磁同步电机的一阶机械运动方程；步骤2，根据永磁同步电机的一阶机械运动方程建立线性扩张状态观测器LESO，为实现完整的线性自抗扰控制器LADRC设计，建立跟踪微分器和反馈控制规律；步骤3，对LESO的结构进行改进，采用的谐振积分扩张状态观测器RI

【技术实现步骤摘要】
一种宽转速范围内的永磁轮毂电机速度平滑切换控制方法


[0001]本专利技术涉及永磁轮毂电机的控制
，具体涉及一种宽转速范围内的永磁轮毂电机速度平滑切换控制策略。

技术介绍

[0002]近年来，永磁轮毂电机(PMSHM)以其结构简单、可靠性高、控制精度高等优点被广泛应用于直接驱动领域，如电动汽车、电力推进、机器人等。
[0003]然而，在永磁轮毂电机的实际使用中，转矩脉动仍然不可避免地存在。产生转矩脉动的原因有很多，如电机本体结构引起的齿槽转矩和磁通谐波、逆变器死区效应和电流测量误差引起的电压和电流谐波等因素。转矩脉动会直接引起转速波动，位置波动，尤其是对于较大的低阶转矩脉动。严重情况下，甚至会导致系统运行不稳定。因此，为了保证速度的平滑调控以及系统的安全可靠运行，必须采用一定的方法来抑制转矩脉动。
[0004]针对电磁转矩脉动的抑制，当前所采取的技术方案大体可以划分为两类:一是从电机本体结构设计和优化角度来降低电磁转矩的脉动，二是通过控制算法设计实现转矩脉动的抑制。从电机本体设计上抑制转矩脉动方案，不仅会增加电机设计、制造复杂性，增加制造成本，而且会影响电机的功率密度。另外，电机本体的优化设计无法克服由于驱动控制器谐波所引发的转矩脉动。而从控制的角度主动进行转矩脉动抑制，尽管受制于转矩脉动信息检测、控制误差等因素难以完全消除，但相比而言具有较强的灵活性和适用性。
[0005]综上所述，针对PMSHM在实际应用中，由于转矩脉动引起的转速波动甚至是系统不稳定运行问题，有必要提出一种速度平滑控制策略来满足电机运行要求。

技术实现思路

[0006]基于以上现有技术的不足本专利技术提出了一种宽转速范围内的永磁轮毂电机速度平滑切换控制策略，本专利技术的技术方案为：
[0007]一种宽转速范围内的永磁轮毂电机速度平滑切换控制方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，建立永磁同步电机的一阶机械运动方程；
[0009]步骤2，根据永磁同步电机的一阶机械运动方程建立线性扩张状态观测器LESO，为实现完整的线性自抗扰控制器LADRC设计，建立跟踪微分器和反馈控制规律；
[0010]步骤3，对LESO的结构进行改进，采用的谐振积分扩张状态观测器RI
‑
ESO(Resonance
‑
integral Extended State Observer)，使其能够同时观测电机控制过程中出现的正弦扰动和常值扰动；
[0011]步骤4，采用切换RI
‑
ESO输入的方法来保证系统在宽转速范围内的稳定运行，同时也保证具有谐波扰动的抑制能力；
[0012]步骤5，在切换T
e
作为观测器输入时可以适当增加谐振增益k
r
的取值，随着转速的升高提升对谐波的抑制能力，可以根据实际情况进行调整。
[0013]进一步，步骤1具体过程为：
[0014]首先建立永磁同步电机的一阶机械运动方程如下：
[0015][0016]式中ω为电机转子机械角速度，rad/s；T
e
，T
L
分别为电磁转矩，负载转矩，N
·
m；T
r
为脉动转矩主要包括了由电机本体原因造成的齿槽转矩，以及由逆变器死区时间造成的六阶谐波转矩等，T
e*
为电磁转矩给定值，B为粘滞摩擦系数，J为转动惯量，控制增益b＝1/J，总扰动不考虑转矩跟踪误差的总扰动f
n
＝
‑
(Bω+T
r
+T
L
)/J。
[0017]进一步，步骤2具体过程为：
[0018]建立线性扩张状态观测器LESO如下：
[0019][0020]式中，为测量速度与观测速度之间的误差，δ
n
为测速噪声，b＝1/J为控制增益。带有^的变量为估计值，h1，h2为观测器的增益，根据带宽法整定策略，可以确定观测器参数为h1＝2ω
o
，ω
o
为观测器带宽；
[0021]为实现完整的线性自抗扰控制器LADRC设计还需要跟踪微分器和反馈控制规律，为简化控制器设计并使得参数整定方便，忽略线性跟踪微分器并采用线性反馈控制规律，线性反馈控制规律设计为：
[0022][0023]式中机械角速度ω和总扰动f
to
通常是未知的，一般可以用它们的观测值进行代替，因此式所示的线性控制规律可以进一步表示为：
[0024][0025]式中ω
*
为速度环参考输入，取自扩张状态观测器的观测速度，取自扩张状态观测器的观测扰动，k
ps
为控制器的比例增益；
[0026]考虑到实际的系统不可能产生无限的输出，还需要对输出转矩进行限幅处理，采用的限幅函数为
[0027][0028]式中为最大转矩参考，为饱和转矩参考。
[0029]进一步，步骤3中，采用的谐振积分扩张状态观测器RI
‑
ESO在s域下表达式如下：
[0030][0031]式中为测量速度与观测速度之间的误差，为速度观测值，δ
n
为测速噪声，k
r1
，k
r2
…
k
rn
为谐振增益，都大于0，b＝1/J为控制增益，ω
h1
，ω
h2
…
ω
hn
为谐振频率；式中为对常值扰动或者低频扰动的观测值，为对谐波扰动的观测值，k1，k2为观测器的增益，采用带宽整定策略，观测器参数k1＝2ω
o
，ω
o
为观测器带宽；
[0032]观测器对常值扰动采用积分器形式，而对谐波扰动的观测采用谐振控制器形式。
[0033]进一步，步骤4的具体过程为：
[0034]采用T
e
作为观测器的输入时，有
[0035][0036]根据分析可得，系统的闭环传递函数Δ
cl
为
[0037][0038]式中T
ci
为转矩环时间常数，Δ2＝s2+k1s+k2为LADRC的特征多项式，k
ps
为控制器的比例增益，ω
h
为谐振频率，k
r
为谐振增益
[0039]根据赫尔维茨稳定判据，在转矩环存在延时的情况下，采用T
e
作为观测器的输入，系统是恒稳定的，但相比于采用T
e*
作为观测器输入的情况，采用切换输入的策略来保证系统的稳定运行同时也保证具有谐波扰动的抑制能力，如式(16)所示
[0040][0041]式中u代表观测器输入，ω
hmax
为谐振频率最大值，ω
h_lim
为谐振频率极限值可通过计算稳定性条件离线求得
[0042][0043]式中C1，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽转速范围内的永磁轮毂电机速度平滑切换控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立永磁同步电机的一阶机械运动方程；步骤2，根据永磁同步电机的一阶机械运动方程建立线性扩张状态观测器LESO，为实现完整的线性自抗扰控制器LADRC设计，建立跟踪微分器和反馈控制规律；步骤3，对LESO的结构进行改进，采用的谐振积分扩张状态观测器RI
‑
ESO，使其能够同时观测电机控制过程中出现的正弦扰动和常值扰动；步骤4，采用切换RI
‑
ESO输入的方法来保证系统在宽转速范围内的稳定运行，同时也保证具有谐波扰动的抑制能力；步骤5，在切换T
e
作为观测器输入时可以适当增加谐振增益k
r
的取值，随着转速的升高提升对谐波的抑制能力，可以根据实际情况进行调整。2.根据权利要求1所述的一种宽转速范围内的永磁轮毂电机速度平滑切换控制方法，其特征在于，步骤1具体过程为：首先建立永磁同步电机的一阶机械运动方程如下：式中ω为电机转子机械角速度，rad/s；T
e
,T
L
分别为电磁转矩，负载转矩，N
·
m；T
r
为脉动转矩主要包括了由电机本体原因造成的齿槽转矩，以及由逆变器死区时间造成的六阶谐波转矩等，T
e*
为电磁转矩给定值,B为粘滞摩擦系数，J为转动惯量,控制增益b＝1/J，总扰动不考虑转矩跟踪误差的总扰动f
n
＝
‑
(Bω+T
r
+T
L
)/J。3.根据权利要求1所述的一种宽转速范围内的永磁轮毂电机速度平滑切换控制方法，其特征在于，步骤2具体过程为：建立线性扩张状态观测器LESO如下：式中，为测量速度与观测速度之间的误差，δ
n
为测速噪声，b＝1/J为控制增益。带有^的变量为估计值，h1，h2为观测器的增益，根据带宽法整定策略，可以确定观测器参数为h1＝2ω
o
，ω
o
为观测器带宽；为实现完整的线性自抗扰控制器LADRC设计还需要跟踪微分器和反馈控制规律，为简化控制器设计并使得参数整定方便，忽略线性跟踪微分器并采用线性反馈控制规律，线性反馈控制规律设计为：式中机械角速度ω和总扰动f
to
通常是未知的，一般可以用它们的观测值进行代替，因此式所示的线性控制规律可以进一步表示为：
式中ω
*
为速度环参考输入，取自扩张状态观测器的观测速度，取自扩张状态观测器的观测扰动，k
ps
为控制器的比例增益；考虑到实际的系统不可能产生无限的输出，还需要对输出转矩进行限幅处理，采用的限幅函数为式中为最大转矩参考，为饱和转矩参考。4.根据权利要求1所述的一种宽转速范围内的永磁轮毂电机速度平滑切换控制方法，其特征在于，步骤3中，采用的谐振积分扩张状态观测器RI
‑
ESO在s域下表达式如下：式中为测量速度与观测速度之间的误差，为速度观测值，δ
n
...

【专利技术属性】
技术研发人员：项子旋，蒋文豪，朱孝勇，全力，左月飞，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：