CN101902187A - 一种用于永磁电机低速运转的控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于永磁电机低速运转的控制***，由速度控制器、电流环、电机、角度传感器、扰动估计器、齿槽转矩估计器和齿槽转矩计算器组成，利用扰动估计器和齿槽转矩估计器快速计算出齿槽转矩和其余阻力矩的大小；通过齿槽转矩计算器进一步精确计算出齿槽转矩对速度的影响从而进行补偿；通过对速度控制器积分系数的实时控制，增加了控制***的稳定性，同时也相当于通过改变积分系数来改变输出电流，对非周期性阻力矩进行补偿；通过对控制器延时的超前补偿来增加控制***的响应速度，使扰动得以更快的衰减。本发明具有较高的准确度和稳定性，尤其适合阻力矩变化范围较大的情况实现永磁电机的低速控制。

Description

一种用于永磁电机低速运转的控制***

技术领域

本发明涉及一种电机控制***，更具体地说，本发明涉及一种用于永磁电机低速运转的控制***。

背景技术

齿槽转矩是永磁电机的一种固有现象，由于齿槽的存在，引起电机输出转矩脉动，影响了控制***的精度，这种现象在低速情况下尤为明显。现有技术对齿槽转矩的抑制除在电机结构上进行改进外，在控制***方面主要是在控制算法中增加对齿槽转矩的补偿措施，从而减小电机转速的波动。如《电气技术》2009年第3期第21-24页《直接驱动环形永磁力矩电机低速齿槽转矩脉动补偿研究》一文所介绍的***，由速度控制器、电流环、电机、速度传感器和扰动估计器(观测器)组成，其中速度控制器是基于经典控制理论的PI控制器，扰动估计器是基于现代控制理论中状态观测器(估计器)理论所构造的估计器，其输入为电流环输出的电流值I和速度传感器输出的实测速度ω，假设外界扰动只有齿槽转矩扰动，则扰动估计器的输出为齿槽转矩估计值T_c′和速度估计值ω′，将齿槽转矩估计值T_c′送入电流环输入端可以对齿槽转矩进行补偿，控制***的反馈速度可以用速度估计值ω也可以用速度传感器输出的实测速度ω，使用估计速度ω′作为反馈速度的控制***框图如图1所示。

这种控制***的不足之处在于没有考虑除齿槽转矩外其它阻力矩的影响。基于现代控制理论所构建的估计器是以增大误差为代价换取高响应速度的，估计器设计的响应速度越快，虽然能使扰动更快速衰减，但补偿误差也越大。由于齿槽转矩是周期性扰动，而其它阻力矩如摩擦力矩或弹性阻力矩可以看做是非周期性扰动，非周期性扰动对控制***延时的影响与周期性扰动并不相同，单个估计器无法精确还原外界扰动的相位，在外界扰动变化范围比较大的情况下，由相位引起的误差会比较大。另外如果非周期性扰动的变化范围比较大的话，则控制***的超调也在不断变化，降低了控制***的稳定性，限制了控制***能够取得的最大带宽，降低了控制***的响应速度。因此需要把齿槽转矩和其余阻力矩分别提取出来予以补偿。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的是提出一种准确度和稳定性更高的永磁电机低速转动控制***。

本发明由速度控制器、电流环、电机、角度传感器、扰动估计器、齿槽转矩估计器和齿槽转矩计算器组成；所述扰动估计器的输入为电流环的输出电流I和实测速度ω，其中实测速度ω由角度传感器的输出角度θ经过微分运算获得，输出为外界扰动T_t的估计值T_t′及估计速度ω′，描述其特征的状态空间方程为：

$\left[\begin{array}{c}\frac{d{\mathrm{\ω}}^{\′}}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{d{T_t}^{\′}}^{}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& -\frac{1}{J}\\ 0& 0\end{array}\right]\begin{array}{}\end{array}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}^{\′}\\ {T_t}^{\′}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{K_t}{J}\\ 0\end{array}\right]I+\left[\begin{array}{c}{g}_1\\ g_2\end{array}\right][\mathrm{\ω}-\left[\begin{array}{cc}1& 0\end{array}\right]\begin{array}{}\end{array}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}^{\′}\\ {T_t}^{\′}\end{array}\right]]---\left(1\right)$

其中J为负载转动惯量，K_t为电机力矩系数，g₁和g₂为反馈增益；所述齿槽转矩估计器的输入为角度传感器的输出角度θ，输出为齿槽转矩估计值T_c′，计算公式为：

T_c′＝T_cmsin[N_p(θ-θ₀)]   (2)

其中N_p为齿槽转矩的空间分布，θ₀为齿槽转矩零点，T_cm为齿槽转矩的峰值；将扰动估计值T_t′与齿槽转矩估计值T_c′相减，并除以反馈速度ω_-，得到一个过程参数b，其中反馈速度ω_-可以用实测速度ω也可以用估计速度ω′；所述速度控制器为自适应PID控制器，其比例系数K_p、积分系数K_i和微分系数K_d具有如下关系：

K_d＝K_pτ_p    (3)

$K_i=K_p\frac{\frac{b}{J}}{1+{\mathrm{\τ}}_i\frac{b}{J}}---\left(4\right)$

其中τ_p和τ_i分别为比例和积分运算所造成的延时；所述齿槽转矩计算器的输入为所述过程参数b、反馈速度ω_-和角度θ，输出为速度波动ω_c′，计算公式为：

${{\mathrm{\ω}}_c}^{\′}=\frac{T_{\mathrm{cm}}}{\sqrt{J^2{N}_p^2{\mathrm{\ω}}_{-}^2+b^2}}\sin [N_p(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_0)-{\tan }^{-1}\frac{{\mathrm{JN}}_p{\mathrm{\ω}}_{-}}{b}]---\left(5\right)$

将速度波动ω_c′送入速度环误差端对速度进行补偿。本发明使用估计速度ω′作为反馈速度的框图如图2所示；所述自适应PID控制器的框图如图3所示，其中τ_p、τ_i和τ_d分别为比例、积分和微分运算所造成的延时；所述扰动估计器的框图如图3所示。

本发明的原理是：增加一个估计器将齿槽转矩和其余阻力矩区分开来；通过齿槽转矩计算器进一步精确计算出齿槽转矩对速度的影响，减小由估计器带来的误差，更精确的对齿槽转矩进行补偿；通过对速度控制器积分系数的实时控制，相当于对控制器所产生零点的实时控制，并使其始终抵消由摩擦力矩、弹性阻力矩等非周期性阻力矩造成的延时，保持控制***具有固定的超调，增加了控制***的稳定性，同时也相当于通过改变积分系数来改变输出电流，从而对非周期性阻力矩进行补偿，这种补偿方式使得控制***在阻力矩变化范围较大的情况下具有更好的适应性；通过对控制器延时的超前补偿(微分运算)来增加控制***的响应速度，使扰动得以更快的衰减。

附图说明

图1传统带估计器并利用估计速度作为反馈的控制***框图。

图2本发明利用估计速度作为反馈的控制***框图。

图3本发明PID控制器框图。

图4本发明扰动估计器框图。

具体实施方式

1、根据图2所示框图搭建控制***；其中自适应PID控制器的框图如图3所示；扰动估计器的框图如图4所示；控制***最外环的反馈速度ω_-既可以用估计速度ω′也可用实测速度ω，一般情况下，如传感器的分辨率足够高，则可用估计器输出作为反馈，如传感器分辨率不高但响应足够快则可用传感器微分所得的速度作为反馈。

2、选定扰动估计器的极点op₁和op₂，可以令op₁＝op₂并选择在控制***3dB带宽所对应极点的2-6倍处；利用Matlab软件的acker函数计算出扰动估计器所需要的反馈增益g₁和g₂，acker函数的使用方法为：

[g₁ g₂]＝acker(A′，B′，op)   (6)

其中

A′＝[0  0；-1/J 0]

C′＝[1；0]

op＝[op₁ op₂]

3、将齿槽转矩估计器和齿槽转矩计算器从回路中断开，调节PID控制器以确定最佳比例系数K_p的值，该值也可由开环传递函数的根轨迹图确定。让控制***控制电机匀速运转，其速度可取实际工作速度的10倍以上，根据(5)式，当速度足够高时，分母中的b²项可忽略，采集角度传感器的输出角度θ和反馈速度ω_-，以θ为横坐标ω_-为纵坐标画出图形，记录该图形的峰值ω_m、均值

周期T_θ和当反馈速度ω_-等于均值

且斜率为正时的任意一个角度值θ_c0，则齿槽转矩空间分布N_p、齿槽转矩零点θ₀和齿槽转矩峰值T_cm的值可由以下几式确定：

$N_p=\frac{2\mathrm{\π}}{T_{\mathrm{\θ}}}---\left(7\right)$

${\mathrm{\θ}}_0=\frac{N_p{\mathrm{\θ}}_{c0}-\frac{\mathrm{\π}}{2}}{N_p}---\left(8\right)$

T_cm＝JN_pω_m    (9)

可在不同速度下多测几组取极限来确定齿槽转矩峰值T_cm的值。

4.、将齿槽转矩估计器和齿槽转矩计算器连接进回路，形成完整的控制***，其中齿槽转矩估计器的表达式为(2)式，齿槽转矩计算器的表达式为(5)式。

Claims (1)

1.一种用于永磁电机低速运转的控制***，它由速度控制器、电流环、电机、角度传感器、扰动估计器、齿槽转矩估计器和齿槽转矩计算器组成，其特征是：

所述扰动估计器的输入为电流环的输出电流I和实测速度ω，其中实测速度ω由角度传感器的输出角度θ经过微分运算获得，输出为外界扰动T_t的估计值T′_t及估计速度ω′，描述其特征的状态空间方程为：

$\left[\begin{array}{c}\frac{d{\mathrm{\ω}}^{\′}}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{d{T_t}^{\′}}^{}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& -\frac{1}{J}\\ 0& 0\end{array}\right]\begin{array}{}\end{array}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}^{\′}\\ {T_t}^{\′}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{K_t}{J}\\ 0\end{array}\right]I+\left[\begin{array}{c}{g}_1\\ g_2\end{array}\right][\mathrm{\ω}-\left[\begin{array}{cc}1& 0\end{array}\right]\begin{array}{}\end{array}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}^{\′}\\ {T_t}^{\′}\end{array}\right]]---\left(1\right)$

其中J为负载转动惯量，K_t为电机力矩系数，g₁和g₂为反馈增益；

所述的齿槽转矩估计器的输入为角度传感器的输出角度θ，输出为齿槽转矩估计值T_c′，计算公式为：

T_c′＝T_cmsin[N_p(θ-θ₀)]

其中N_p为齿槽转矩的空间分布，θ₀为齿槽转矩零点，T_cm为齿槽转矩的峰值，将扰动估计值T_t′与齿槽转矩估计值T_c′相减，并除以反馈速度ω_-，得到一个过程参数b，其中反馈速度ω_-可以用实测速度ω也可以用估计速度ω′；

所述的速度控制器为自适应PID控制器，其比例系数K_p、积分系数K_i和微分系数K_d具有如下关系：

K_d＝K_pτ_p

$K_i=K_p\frac{\frac{b}{J}}{1+{\mathrm{\τ}}_i\frac{b}{J}}$

其中τ_p和τ_i分别为比例和积分运算所造成的延时；

所述的齿槽转矩计算器的输入为所述过程参数b、反馈速度ω_-和角度θ，输出为速度波动ω_c′，计算公式为：

${{\mathrm{\ω}}_c}^{\′}=\frac{T_{\mathrm{cm}}}{\sqrt{J^2{N}_p^2{\mathrm{\ω}}_{-}^2+b^2}}\sin [N_p(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_0)-{\tan }^{-1}\frac{{\mathrm{JN}}_p{\mathrm{\ω}}_{-}}{b}]$

将速度波动ω_c′送入速度环误差端对速度进行补偿。

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