CN117811445B - 一种永磁同步电机超螺旋滑模鲁棒负载观测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种永磁同步电机超螺旋滑模鲁棒负载观测方法，基于定子电阻和系下定子电压模型估计定子磁链，通过温升公式补偿定子电阻变化，使用高通滤波器或陷波滤波器对估计的定子磁链进行滤波，消除了直流偏置导致的误差累积，无需电压传感器，降低运行成本。该方法将实际转速与估计转速之间的误差构成滑模面，采用二阶超螺旋滑模函数，证明了观测器的稳定性，并通过锁相环进行滤波。与传统负载观测器相比，本方法对负载扭矩具有良好的观测效果，对永磁同步电机中电感、电阻物理参数变化具有较强的鲁棒性；适用于对负载扭矩有观测需求的永磁同步电机控制***，能够有效避免永磁同步电机去磁或磁饱和时电感变化对负载扭矩辨识的影响。
Description
技术领域
本发明涉及永磁同步电机技术领域，具体涉及一种永磁同步电机超螺旋滑模鲁棒负载观测方法。
背景技术
永磁同步电机是一种利用永磁体产生恒定磁场的同步电机。在永磁同步电机中，永磁体通常被安装在转子上，而定子上则有一组绕组产生旋转磁场；当转子旋转时，永磁体所产生的磁场与定子上的旋转磁场相互作用，从而产生电磁转矩，驱动电机转动。其中，当永磁同步电机采用模型预测控制或其他需要***精确模型的控制方法，以达到特定目标或提升动态性能时，会面临着负载扭矩无法建模这一挑战，并且永磁同步电机负载扭矩难以加装传感器测量，只能进行估计。而永磁同步电机在运行过程中的物理参数(例如：电感、电阻、永磁体磁链)往往会发生变化，进而加剧了估计的不准确性。
当前市面上的永磁同步电机负载观测方法主要分为以下几类：
第一类永磁同步电机负载观测方法，是针对表贴式永磁同步电机d-q轴电感相等这一特性，构造龙伯格全维负载转矩观测器；但是此类负载估计方法仅对于表贴式永磁同步电机效果较好。
第二类永磁同步电机负载观测方法，采用id＝0控制，忽略磁阻转矩，设计自适应的降维观测器、扩张观测器或滑模观测器以估计负载转矩；然而实际应用中，不一定采用id＝0控制，例如MTPA，因追求最小铜耗而广受欢迎。可见，此类负载观测方法具有局限性。
第三类永磁同步电机负载观测方法，是针对内置式永磁同步电机，基于d-q轴电感构建滑模负载观测器，并使用改进滑模函数或滤波器消除抖振；但是此类未提及电感变化对观测效果的影响。
综上，在实际应用中，永磁同步电机的磁密随电枢磁势的增大会产生饱和，使磁链与电流之间呈非线性关系；而现市面上的大多数基于理想d-q轴电压方程的在线辨识方法忽略了这些非理想因素，从而导致了辨识误差。因此，现市面上的大多数基于理想d-q轴电压方程的在线辨识方法在去磁(例如：弱磁控制)或磁饱和时，会导致观测器稳态误差增大的问题。
有鉴于此，提出本申请。
发明内容
本发明提供了一种永磁同步电机超螺旋滑模鲁棒负载观测方法，能至少部分的改善上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种永磁同步电机超螺旋滑模鲁棒负载观测方法，其包括：
获取电机实际机械角速度ωm和机械角速度估计值对所述电机实际机械角速度ωm和所述机械角速度估计值/>进行计算，生成机械角速度估计误差并将所述机械角速度估计误差/>设为滑模面；
根据永磁同步电机运动学方程和电磁转矩计算，设计一个鲁棒负载观测器，公式为：
其中，u为所述鲁棒负载观测器的虚拟控制输入；
所述鲁棒负载观测器采用二阶滑模超螺旋算法进行收敛律计算，公式为：
其中，为机械角速度估计误差的导数,v为中间变量，/>为中间变量的一阶导；
得到所述虚拟控制输入u，公式为：
根据所述虚拟控制输入u和所述鲁棒负载观测器，推导得到所述超螺旋滑模永磁同步电机负载观测器；
获取预先推导好的超螺旋滑模永磁同步电机负载观测器，其表达式为：
其中，ωm为电机实际机械角速度，为机械角速度估计值，/>为机械角速度估计值的导数，Te为电磁转矩，J为转动惯量，B为粘滞阻尼系数，/>为负载扭矩先验估计值，为机械角速度估计误差，/>sign为符号函数，/>为电机实际机械角速度的导数，k1、k2为观测器参数且要求均大于0；
获取直流侧母线电压和上一采样时刻逆变器开关状态，根据所述直流侧母线电压和所述上一采样时刻逆变器开关状态进行观测预处理，计算所述电磁转矩Te的值，以完善所述超螺旋滑模永磁同步电机负载观测器，具体为：
获取直流侧母线电压Vdc、以及上一采样时刻逆变器开关状态，其中，所述上一采样时刻逆变器开关状态包括上一时刻α-β系下的指令电压和/>
根据所述直流侧母线电压Vdc和所述上一采样时刻逆变器开关状态，确定定子电压矢量在α-β系上的分量，表达式为：
其中，Vdc为直流侧母线电压值，为上一时刻α-β系下指令电压，uα和uβ分别为定子电压矢量在α-β系上的分量，k为上一采样时刻三相逆变器开关状态；
根据电阻温升公式，补偿定子电阻变化，公式为：
Rs＝R25[1+α(T-25)]
其中，T为当前时刻的温度采样值，Rs为当前温度T下定子绕组的相电阻值，R25为25℃下绕组相电阻值，α为铜材料的电阻温度系数，α＝0.004；
根据预先训练好的定子电阻-电压模型进行估计处理，估计出定子磁链在α-β系下的分量，表达式为：
其中，为定子磁链估计值在α-β系下的分量，/> θ0为0时刻的转子电角度，/>为永磁体磁链，iα、iβ为定子电流矢量在α-β系下的分量；
使用滤波器对预先估计的定子磁链进行滤波处理，公式为：
其中，s为微分算子，ωc为一阶高通滤波器的截止频率，为滤波后的定子磁链在α-β系下的分量；
基于过滤完成后的定子磁链，计算电磁转矩Te，公式为：
其中，pn为永磁同步电机磁极对数；
采用锁相环对完善后的所述超螺旋滑模永磁同步电机负载观测器的输出，进行滤波处理，生成负载扭矩观测值，具体为：
采用锁相环闭环传递函数进行预处理，函数公式为：
其中，s为微分算子，Kp为锁相环比例增益，KI为锁相环积分增益；
令ωn为锁相环截止频率，所述锁相环截止频率ωn用于决定滤波器带宽；
令ξ为阻尼比，所述阻尼比ξ用于决定响应速度和超调量；
根据获取到的实际频响和滤波需求对所述锁相环截止频率ωn和所述阻尼比ξ进行调节；
采用锁相环对所述负载扭矩先验估计值进行滤波处理，生成负载扭矩观测值，公式为：
其中，为负载扭矩观测值，G(s)为锁相环闭环传递函数。
优选地，所述滤波器为高通滤波器或陷波滤波器。
优选地，所述超螺旋滑模永磁同步电机负载观测器中使用的永磁同步电机为内置式永磁同步电机或表贴式永磁同步电机。
优选地，所述超螺旋滑模永磁同步电机负载观测器中的永磁同步电机d-q轴参考电流给定控制包括id＝0控制、最大转矩电流比控制、弱磁控制或最小损耗控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
避免了在电机去磁或磁饱和时电感变化对负载扭矩辨识的影响，通过温升公式补偿定子电阻变化，使用高通滤波器或陷波滤波器对估计的定子磁链进行滤波，消除了直流偏置导致的误差累积，无需电压传感器，降低了运行成本，且观测器具有较好的鲁棒性。所提负载观测方法破除了传统负载观测器的局限性，适用于隐极式永磁同步电机和凸极式永磁同步电机，不局限于id＝0控制、最大转矩电流比控制(MTPA)、弱磁控制、最小损耗控制。所提负载观测方法可用于永磁同步电机速度环控制器的负载扭矩前馈补偿，以此实现特定优化目标或提高动态性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种永磁同步电机超螺旋滑模鲁棒负载观测方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的基于超螺旋滑模鲁棒负载观测器的永磁同步电机速度控制***框图；
图3是本发明实施例提供的采用负载扭矩前馈补偿的PI速度控制器框图；
图4是本发明实施例提供的超螺旋滑模鲁棒负载观测器框图；
图5是本发明实施例提供的锁相环结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
参考图1至图5所示，本发明第一实施例公开了一种永磁同步电机超螺旋滑模鲁棒负载观测方法，其可由负载观测设备(以下简称观测设备)来执行，特别的，由所述观测设备内的一个或者多个处理器来执行，以实现如下方法：
S101，获取预先推导好的超螺旋滑模永磁同步电机负载观测器，其表达式为：
其中，ωm为电机实际机械角速度，为机械角速度估计值，/>为机械角速度估计值的导数，Te为电磁转矩，J为转动惯量，B为粘滞阻尼系数，/>为负载扭矩先验估计值，为机械角速度估计误差，/>sign为符号函数，/>为电机实际机械角速度的导数，k1、k2为观测器参数且要求均大于0；
优选地，获取预先推导好的超螺旋滑模永磁同步电机负载观测器之前，还包括：
获取电机实际机械角速度ωm和机械角速度估计值对所述电机实际机械角速度ωm和所述机械角速度估计值/>进行计算，生成机械角速度估计误差并将所述机械角速度估计误差/>设为滑模面；
根据永磁同步电机运动学方程和电磁转矩计算，设计一个鲁棒负载观测器，公式为：
其中，u为所述鲁棒负载观测器的虚拟控制输入；
所述鲁棒负载观测器采用二阶滑模超螺旋算法进行收敛律计算，公式为：
其中，为机械角速度估计误差的导数,v为中间变量，/>为中间变量的一阶导；
得到所述虚拟控制输入u，公式为：
根据所述虚拟控制输入u和所述鲁棒负载观测器，推导得到所述超螺旋滑模永磁同步电机负载观测器。
S102，获取直流侧母线电压和上一采样时刻逆变器开关状态，根据所述直流侧母线电压和所述上一采样时刻逆变器开关状态进行观测预处理，计算所述电磁转矩Te的值，以完善所述超螺旋滑模永磁同步电机负载观测器；
具体地，步骤S102包括：获取直流侧母线电压Vdc、以及上一采样时刻逆变器开关状态，其中，所述上一采样时刻逆变器开关状态包括上一时刻α-β系下的指令电压和/>
根据所述直流侧母线电压Vdc和所述上一采样时刻逆变器开关状态，确定定子电压矢量在α-β系上的分量，表达式为：
其中，Vdc为直流侧母线电压值，为上一时刻α-β系下指令电压，uα和uβ分别为定子电压矢量在α-β系上的分量，k为上一采样时刻三相逆变器开关状态；
根据电阻温升公式，补偿定子电阻变化，公式为：
Rs＝R25[1+α(T-25)]
其中，T为当前时刻的温度采样值，Rs为当前温度T下定子绕组的相电阻值，R25为25℃下绕组相电阻值，α为铜材料的电阻温度系数，α＝0.004；
根据预先训练好的定子电阻-电压模型进行估计处理，估计出定子磁链在α-β系下的分量，表达式为：
其中，为定子磁链估计值在α-β系下的分量，/> θ0为0时刻的转子电角度，/>为永磁体磁链，iα、iβ为定子电流矢量在α-β系下的分量；
使用滤波器对预先估计的定子磁链进行滤波处理，公式为：
其中，s为微分算子，ωc为一阶高通滤波器的截止频率，为滤波后的定子磁链在α-β系下的分量；
基于过滤完成后的定子磁链，计算电磁转矩Te，公式为：
其中，pn为永磁同步电机磁极对数。
优选地，所述滤波器为高通滤波器或陷波滤波器。
S103，采用锁相环对完善后的所述超螺旋滑模永磁同步电机负载观测器的输出，进行滤波处理，生成负载扭矩观测值。
具体地，步骤S103包括：采用锁相环闭环传递函数进行预处理，函数公式为：
其中，s为微分算子，Kp为锁相环比例增益，KI为锁相环积分增益；
令ωn为锁相环截止频率，所述锁相环截止频率ωn用于决定滤波器带宽；
令ξ为阻尼比，所述阻尼比ξ用于决定响应速度和超调量；
根据获取到的实际频响和滤波需求对所述锁相环截止频率ωn和所述阻尼比ξ进行调节；
采用锁相环对所述负载扭矩先验估计值进行滤波处理，生成负载扭矩观测值，公式为：
其中，为负载扭矩观测值，G(s)为锁相环闭环传递函数。
具体地，在本实施例中，首先，由直流侧母线电压Vdc和上一采样时刻逆变器开关状态(或指令电压)确定uα和uβ：
式中，Vdc为直流侧母线电压值，为α-β系下指令电压，uα和uβ分别为定子电压矢量在α-β系上的分量，k为上一采样时刻三相逆变器开关状态；
使用电阻温升公式补偿定子电阻变化，公式为：
Rs＝R25[1+α(T-25)] (2)
式中，T为当前时刻的温度采样值，Rs为当前温度T下定子绕组的相电阻值，R25为25℃下绕组相电阻值，α为铜材料的电阻温度系数，α＝0.004；
永磁同步电机电压平衡矢量方程为：
其中，is为永磁同步电机定子电压矢量，is为定子电流矢量，为定子磁链矢量，定子磁链矢量由定子励磁磁链和转子永磁体磁链合成。
α-β系下永磁同步电机磁链、电压、电流矢量方程为：
其中j为虚数单位，表示β轴相位超前α轴90度。
将公式(4)代入公式(3)中，可得：
分别列出公式(5)的实部和虚部可得到α-β系下定子电压方程：
根据定子电阻-电压模型估计定子磁链在α-β系下的分量：
其中，为定子磁链估计值在α-β系下的分量，/> θ0为0时刻的转子电角度，即/>为0时刻永磁体磁链/>在α-β轴上的投影，iα、iβ为定子电流矢量在α-β系下的分量，Eα、Eβ为扩展反电势矢量在α-β系下的分量。
考虑到逆变器的非线性、IGBT导通压降，指令电压与真实定子电压之间存在直流偏置误差，且电流传感器存在噪声干扰，因此将扩展反电势矢量表示为：
Es＝us-Rsis+E0+d (8)
式中，Es＝[EαEβ]T为扩展反电势矢量，E0为直流偏置，d为噪声干扰。
其中，公式(8)又可以按照直流、基波、谐波分量的形式表示为：
其中，A0＝[A0αA0β]T为直流偏置；为基波分量，A1＝[A1αA1β]T为扩展反电势基波的幅值，ω1和/>分别为扩展反电势基波的频率和相位；为扩展反电势高次谐波的累积项，h为谐波次数，ωh和φh分别为扩展反电势h次谐波的频率和相位。
依据公式(7)，对扩展反电势进行积分，得到定子磁链估计值：
其中，为定子磁链初始值在α-β系下的分量。
可见，直流偏置随时间累积，导致磁链观测误差随时间进一步放大。因此，使用高通滤波器或陷波滤波器对估计的定子磁链进行滤波，以消除直流偏置导致的误差累积，本发明以一阶高通滤波器为例，其传递函数为：
式中，s为微分算子，ωc为一阶高通滤波器的截止频率。
对式(9)进行拉普拉斯变换得到扩展反电势矢量的复频域表达式：
则估计的定子磁链矢量在s域中可表示为：
对估计的定子磁链进行一阶高通滤波器，可得：
其中为滤波后的定子磁链矢量。
定子磁链在经过高通滤波后，其直流分量项变为：
将公式(15)进行拉普拉斯反变换，得到滤波后定子磁链中直流分量的时域表达式：
由公式(16)可知，直流偏置不再随时间累积。再根据滤波后的定子磁链计算永磁同步电机电磁转矩：
将速度估计误差作为滑模面，即/>根据永磁同步电机运动学方程和上述电磁转矩计算方法，设计鲁棒负载观测器：
其中，ωm为电机实际角速度，为角速度估计值，/>为机械角速度估计值的导数，Te为电磁转矩，J为转动惯量，B为粘滞阻尼系数，u为观测器虚拟控制输入。
观测器的误差收敛律采用二阶滑模超螺旋算法：
其中，为机械角速度估计误差的导数，sign为符号函数，k1、k2为待整定参数且要求均大于0。根据上述公式，可得观测器的虚拟控制输入u：
可以得到超螺旋滑模永磁同步电机负载观测器的表达式：
其中，为负载扭矩先验估计值，超螺旋滑模永磁同步电机负载观测器的结构框架图，如图4所示。
定义状态变量为：
将状态变量z1、z2对进行求偏导，可得：
也可以表示为：
构造强Lyapunov函数，可得：
其中，由公式(22)状态变量替换后，V(s)可表示为：
/>
即V(Z)＝ZTPZ (27)
其中，
根据Sylvester定理，当k2>0时，V正定且径向无界。根据式(26)，可求V对的偏导：
将公式(24)代入公式(29)，可得：
其中,
这里可以注意到公式(30)的最终结果带有负号，因此，若希望V对的偏导是负定的，则要求Q是正定矩阵，即k1、k2均大于0。可知，当观测器参数k1、k2满足上述条件时，及/>在有限时间内收敛于零，结合滑模面的定义，这表明观测器的速度估计误差将收敛至零。
永磁同步电机运动学方程为：
其中，ωm为电机的机械角速度，可由旋转变压器或编码器测得，为电机机械角速度的导数；Te为电磁转矩；J为转动惯量；B为粘滞阻尼系数；TL为负载扭矩；pn为磁极对数；id、iq为永磁同步电机的等效直交轴电流；Ld、Lq为d-q轴电感分量；/>为永磁体磁链。
将公式(32)永磁同步电机运动学方程与公式(29)作差，可得：
显然，当观测器达到稳态(即速度观测误差趋于零)时，有u→TL，即观测器的控制输入近似为负载扭矩。为了削弱噪声干扰，采用锁相环对观测器的输出/>进行滤波处理。锁相环闭环传递函数如下：/>
式中，Kp为锁相环比例增益，KI为锁相环积分增益。
令为锁相环截止频率，决定滤波器带宽；令/>为阻尼比，决定响应速度和超调量。根据实际频响和滤波需求调节ωn和ξ两个参数。最终得到负载扭矩观测值为：
优选地，所述超螺旋滑模永磁同步电机负载观测器中使用的永磁同步电机为内置式永磁同步电机或表贴式永磁同步电机。
即，所述永磁同步电机为内置式(凸极式)永磁同步电机或表贴式(隐极式)永磁同步电机。
优选地，所述超螺旋滑模永磁同步电机负载观测器中的永磁同步电机d-q轴参考电流给定控制包括id＝0控制、最大转矩电流比控制、弱磁控制或最小损耗控制。
即，所述永磁同步电机d-q轴参考电流给定方法可以但不局限于id＝0控制、最大转矩电流比控制(Maximum Torque Per Ampere,MTPA)、弱磁控制、最小损耗控制。
综上所述，所述永磁同步电机超螺旋滑模鲁棒负载观测方法用于对速度环控制器进行负载扭矩补偿；其基于定子电阻、电压模型计算定子磁链和电磁转矩，避免去磁或磁饱和时电感变化对负载辨识产生影响，对永磁同步电机电阻、电感物理参数变化具有较强的鲁棒性；使用高通滤波器或陷波滤波器对估计的定子磁链进行滤波，消除了直流偏置导致的误差累积，且无需电压传感器，降低了运行成本。
在本实施例中，所述永磁同步电机超螺旋滑模鲁棒负载观测方法可用于对负载扭矩有观测需求的永磁同步电机控制***。结合图2，基于所述永磁同步电机超螺旋滑模鲁棒负载观测方法的永磁同步电机速度控制***具体实施方式包括以下步骤：
步骤一，基于负载扭矩前馈补偿的PI速度控制
永磁同步电机运动学方程为：
其中，ωm为电机的机械角速度，可由旋转变压器或编码器测得，为电机机械角速度的导数；Te为电磁转矩；J为转动惯量；B为粘滞阻尼系数；TL为负载扭矩；pn为磁极对数；id、iq为永磁同步电机的等效直交轴电流；Ld、Lq为d-q轴电感分量；/>为永磁体磁链。
为了方便后续采用MTPA或弱磁控制等电流分配策略，令：式中，is为定子电流矢量。
此时电磁转矩的大小可视为与is的幅值成正比。则永磁同步电机运动学方程可表达为：
传统PI速度控制器表示为：
其中，Kp为PI速度控制器的比例增益，Ki为PI速度控制器的积分增益，s为微分算子，n*为参考输入转速，n＝30*ωm/π为永磁同步电机实际转速，is *为电流环参考定子电流矢量.
为抑制外部负载突变时产生的速度波动，采用负载扭矩前馈补偿，如图3所示，将速度控制器设计为：
其中负载扭矩不可测量，用表示，由所述永磁同步电机超螺旋滑模鲁棒负载观测方法中的超螺旋滑模永磁同步电机负载观测器估计。根据额定电流换算，对公式(39)中is *进行限幅后，作为下一步骤中MTPA等电流分配策略的参考电流矢量。
步骤二，MTPA等d-q电流分配方法。永磁同步电机d-q轴参考电流给定方法并不局限于id＝0控制，例如最大转矩电流比控制(Maximum Torque Per Ampere,MTPA)、弱磁控制、最小损耗控制等。本发明以追求最小铜耗的MTPA为例。令设β为电枢电流空间矢量is与直轴的相位角(也被成为转矩角)，可得：
则电磁转矩可表示为：
式中，Ld、Lq分别为永磁同步电机d-q轴电感，虽然电感变化对MTPA的效率提升会造成不确定后果，但对负载扭矩观测无影响。由公式(41)可得到单位电流下的电磁转矩关于转矩角β的关系式：
再将公式(42)对β进行求偏导，可得：
令后，解得：/>
可根据步骤一得到的参考电流矢量is *，确定id *和iq *：
将公式(45)得到的id *和iq *作为下一步骤，步骤三的参考直交轴电流。
步骤三，PI电流控制，使用霍尔电流传感器检测永磁同步电机三相电流ia、ib、ic，使用旋转变压器或编码器检测永磁同步电机的转子位置θ；对三相电流进行Clark变换得到静止坐标系下的两相电流iα、iβ，根据iα、iβ和转子位置θ进行Park变换得到旋转坐标系下直交轴电流id、iq。根据步骤2得到的参考直轴电流id *和实际直轴电流id之间的误差，通过PI控制器得出d轴参考电压根据步骤二得到的参考交轴电流iq *和实际交轴电流iq之间的误差，通过PI控制器得出q轴参考电压/>输出到步骤四的SVPWM调制模块。
步骤四，三相逆变器空间矢量脉宽调制；根据步骤三得到的直交轴参考电压进行反Park变换，得到参考定子电压在α-β系下的分量/> 通过SVPWM调制后，产生PWM信号以控制三相逆变器中6个IGBT的开通关断，在定子绕组中产生期望的定子电压和三相电流以驱动永磁同步电机运行。
简单来说，永磁同步电机的控制***基于矢量控制，电机的转速可以由PI/PID控制器、滑模控制器、bang-bang控制器、模糊控制器、模型预测控制器、自适应控制器、最优控制器等进行控制。矢量控制方法包括，通过霍尔电流传感器检测永磁同步电机三相电流ia、ib、ic，通过旋转变压器或编码器检测永磁同步电机转子位置θ和转子机械角速度ωm；对三相电流进行Clark变换得到静止坐标系下的两相电流iα、iβ，根据iα、iβ和转子位置θ进行Park变换得到旋转坐标系下直交轴电流id、iq。永磁同步电机转速控制方法包括，通过负载观测器和速度环控制器输出参考电流矢量，由MTPA、弱磁控制或id＝0等电流分配方法输出直交轴参考电流，基于实际直交轴电流和参考直交轴电流之间的偏差，使用PI控制、滑模控制、模型预测控制或自抗扰控制等作为电流环控制策略，将电流环输出d-q轴参考定子电压通过Park反变换后，经过SVPWM调制得到各桥臂PWM信号，输出至逆变器，从而产生三相电流，实现永磁同步电机速度控制。
在本实施例中，所述永磁同步电机超螺旋滑模鲁棒负载观测方法不局限应用于PI速度控制器的前馈补偿，还可用于各种对负载扭矩有估计需求的永磁同步电机控制***。并且，所述永磁同步电机超螺旋滑模鲁棒负载观测方法中涉及的特定方法、处理步骤不限于本实施例中提到的特定方法、处理步骤，还可以采用Clark变换、Park变换、SVPWM调制、PI速度/电流控制器的参数选择等技术。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种永磁同步电机超螺旋滑模鲁棒负载观测方法, 其特征在于，包括：
获取电机实际机械角速度和机械角速度估计值/>，对所述电机实际机械角速度和所述机械角速度估计值/>进行计算，生成机械角速度估计误差/>，，并将所述机械角速度估计误差/>设为滑模面；
根据永磁同步电机运动学方程和电磁转矩计算，设计一个鲁棒负载观测器，公式为：
其中，为所述鲁棒负载观测器的虚拟控制输入；
所述鲁棒负载观测器采用二阶滑模超螺旋算法进行收敛律计算，公式为：
其中，为机械角速度估计误差的导数,/>为中间变量，/>为中间变量的一阶导；
得到所述虚拟控制输入，公式为：
根据所述虚拟控制输入和所述鲁棒负载观测器，推导得到所述超螺旋滑模永磁同步电机负载观测器；
获取预先推导好的超螺旋滑模永磁同步电机负载观测器，其表达式为：
其中，为电机实际机械角速度，/>为机械角速度估计值，/>为机械角速度估计值的导数，/>为电磁转矩，/>为转动惯量，/>为粘滞阻尼系数，/>为负载扭矩先验估计值，/>为机械角速度估计误差，/>，/>为符号函数，/>为电机实际机械角速度的导数，/>、/>为观测器参数且要求均大于0；
获取直流侧母线电压和上一采样时刻逆变器开关状态，根据所述直流侧母线电压和所述上一采样时刻逆变器开关状态进行观测预处理，计算所述电磁转矩的值，以完善所述超螺旋滑模永磁同步电机负载观测器，具体为：
获取直流侧母线电压、以及上一采样时刻逆变器开关状态，其中，所述上一采样时刻逆变器开关状态包括上一时刻/>系下的指令电压/>和/>；
根据所述直流侧母线电压和所述上一采样时刻逆变器开关状态，确定定子电压矢量在/>系上的分量，表达式为：
其中，为直流侧母线电压值，/>、/>为上一时刻/>系下指令电压，/>和/>分别为定子电压矢量在/>系上的分量，/>为上一采样时刻三相逆变器开关状态；
根据电阻温升公式，补偿定子电阻变化，公式为：
其中，为当前时刻的温度采样值，/>为当前温度/>下定子绕组的相电阻值，/>为25下绕组相电阻值，/>为铜材料的电阻温度系数，/>；
根据预先训练好的定子电阻-电压模型进行估计处理，估计出定子磁链在系下的分量，表达式为：
其中，、/>为定子磁链估计值在/>系下的分量，/>，，/>为0时刻的转子电角度，/>为永磁体磁链，/>、/>为定子电流矢量在系下的分量；
使用滤波器对预先估计的定子磁链进行滤波处理，公式为：
其中，为微分算子，/>为一阶高通滤波器的截止频率，/>、/>为滤波后的定子磁链在系下的分量；
基于过滤完成后的定子磁链，计算电磁转矩，公式为：
其中，为永磁同步电机磁极对数；
采用锁相环对完善后的所述超螺旋滑模永磁同步电机负载观测器的输出，进行滤波处理，生成负载扭矩观测值，具体为：
采用锁相环闭环传递函数进行预处理，函数公式为：
其中，为微分算子，/>为锁相环比例增益，/>为锁相环积分增益；
令，/>为锁相环截止频率，所述锁相环截止频率/>用于决定滤波器带宽；
令，/>为阻尼比，所述阻尼比/>用于决定响应速度和超调量；
根据获取到的实际频响和滤波需求对所述锁相环截止频率和所述阻尼比/>进行调节；
采用锁相环对所述负载扭矩先验估计值进行滤波处理，生成负载扭矩观测值，公式为：
其中，为负载扭矩观测值，/>为锁相环闭环传递函数。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机超螺旋滑模鲁棒负载观测方法，其特征在于，所述滤波器为高通滤波器或陷波滤波器。
3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机超螺旋滑模鲁棒负载观测方法，其特征在于，所述超螺旋滑模永磁同步电机负载观测器中使用的永磁同步电机为内置式永磁同步电机或表贴式永磁同步电机。
4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机超螺旋滑模鲁棒负载观测方法，其特征在于，所述超螺旋滑模永磁同步电机负载观测器中的永磁同步电机d-q轴参考电流给定控制包括=0控制、最大转矩电流比控制、弱磁控制或最小损耗控制。
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| 永磁同步电机滑模变结构的直接转矩控制研究;秦大伟;;电子世界;20180208(03);全文 * |
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