[发明专利]一种带负载状态观测器的永磁同步电机控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种带负载状态观测器的永磁同步电机控制系统。

背景技术

永磁同步电机最初出现在上个世纪50年代，在上个世纪80年代，由于新型的稀土永磁材料研制取得突破性地发展，使得永磁同步电机的功能出现了质的提升，因而得以在很多领域迅速地得到推广；永磁同步电机传统的控制方法为以矢量控制为基础的速度、电流双闭环控制技术，矢量控制技术通过坐标变换实现对电机磁链和转矩的解耦，可以在保持磁场定向的情况下模仿直流电机的转矩控制，因而使得交流电机的动态性能够与直流电机相媲美。

电机运行过程中，如果负载产生扰动或者发生突变，在典型的双闭环控制系统中该扰动会立即对电机的转速产生影响，影响系统的稳态性能；当负载经常发生变化或者扰动转矩持续存在而不对原来的控制系统进行任何调整时，整个系统的稳定性和鲁棒性都会受到很大影响。

发明内容

本发明为弥补传统控制系统的不足提出一种带负载状态观测器的永磁同步电机控制系统。

上述目的通过以下的技术方案实现。

一种带负载状态观测器的永磁同步电机控制系统，以矢量控制为基础，结合速度、电流双闭环控制，加入负载状态观测器，系统结构如图1所示；所述负载状态观测器包括负载转矩观测器和转动惯量辨识模块；负载转矩的观测值用于电流控制的前馈补偿，提高控制器的响应速度和鲁棒性；转动惯量的辨识结果用于调整系统速度环比例和积分增益，从而得到优化的速度环响应性能，实现调节器参数的自整定。

所述矢量控制以磁场定向控制和坐标变换为核心，在d-q坐标下建立永磁同步电机描述方程，实现了转矩电流和励磁电流的解耦；所述速度、电流双闭环采用PI调节算法对给定值和实际值的差值进行调节；所述负载转矩观测器采用开环负载观测器，以电机转速和q轴电流作为输入，输出为负载转矩的观测值；所述转动惯量辨识模块采用模型参考自适应算法，以电机转速和q轴电流作为输入，输出为转动惯量的辨识值。

附图说明

附图1是本发明的系统结构图；

附图2是本发明负载转矩观测器；

附图3是本发明离散化的负载转矩观测器；

附图4是本发明模型参考自适应系统框图；

附图5是本发明离散化的转动惯量辨识算法；

附图6、7是本发明控制效果图；

图中，1、负载状态观测器。

具体实施方式

为能详细说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式并结合附图，对本发明进行详细阐述。

所述一种带负载状态观测器的永磁同步电机控制系统，以矢量控制技术为基础；所述矢量控制技术的核心是磁场定向控制和坐标变换，通过转子磁链定向，将电流矢量通过坐标变换解耦成互相垂直而彼此独立的交直轴电流分量，实现转矩和励磁的解耦。

对永磁同步电机的三相电流进行坐标变换，得到d轴和q轴下的电流i_d和i_q；则永磁同步电机在d-q同步旋转坐标系中的定子电压方程为

式中：u_d、u_q分别为d、q轴定子电压； i_d、i_q分别为d、q轴定子电流； L_d、L_q分别为d、q轴定子电感；R_s为定子相电阻；为转子永磁体磁链；为电角速度。

电磁转矩方程为

运动方程为

式中：T_e为电磁转矩；T_L为负载转矩；p为极对数；J为转动惯量；B_m为摩擦系数；为转子机械角速度，ω_e= p*。

从永磁同步电机在d-q坐标下数学模型了以看出，通过控制直、交轴电流id、iq可以实现对电机电磁转矩的控制，使用i_d=0的控制策略，则电磁转矩为

通过上式即可控制电机的转矩输出，结合速度、电流双闭环来控制电机的运行。