[发明专利]一种高刚度、免调试的变频调速系统速度环的设计方法

说明书

本发明属于电机调速控制技术领域，具体涉及一种高刚度、免调试的变频调速系统速度环的设计方法，能够应用于电机变频调速控制的场合，该方法采用比例控制结合高鲁棒性观测器的结构替代传统的速度环结构，在无需精确惯量参数的情况下，仍能有效提高系统刚度，在转速指令变化和负载扰动下均能实现较好的转速跟踪，该方法与现有技术相比，速度环调节参数简化为一个，即刚度系数，且在通常工况下均可采用默认值而无需调节，采用本发明公开的无微分环节、无非线性环节之速度环结构，有利于系统稳定和实现，其设计原理构思巧妙，应用环境友好，市场前景广阔。

技术领域：

本发明属于电机调速控制技术领域，具体涉及一种高刚度、免调试的变频调速系统速度环的设计方法，能够应用于电机变频调速控制的场合。

背景技术：

电机驱动系统已经在航空、航天、舰船、加工制造、家用电器等领域中发挥了重要作用，随着新能源汽车、机器人以及工业4.0等新兴产业的发展，高性能电机驱动系统势必得到更加广泛的应用。如今，高性能电机驱动系统不仅要求电机本体具有高效率、高功率密度、高可靠性等特点，其在提高系统动态品质、减少调试人员工作量等方面对控制技术也提出了更高要求。对于转速-电流双闭环变频调速控制系统，电流内环的设计方法已较为成熟，可以通过基于零极点相消的比例-积分(Proportional-Integral，PI)控制、预测控制、硬件电流环等方式取得很好的控制效果，且在已知电机阻感参数的情况下可实现参数自整定，即不需要人为调整参数。但是，对于传统的采用PI或比例-积分-微分(Proportional-Integral-Differential，PID)控制的速度环控制器，因电机驱动系统的转动惯量未知或变化，以及控制器饱和等因素，在负载大幅或快速波动的情况下，往往造成转速波动较大、恢复时间较长；而控制器参数通常需要有经验的技术人员反复调试才能在一定工况下取得较好的控制效果，当负载参数或工况变化时，相同参数的控制效果往往变差。

为了改善速度环动态品质，提高速度环刚度，现有技术中，较常见的做法是采用龙背格观测器或微分器实现负载转矩观测，并作为前馈补偿给速度环。然而，这些做法均采用了微分环节，且需要准确知道电机驱动系统的转动惯量。龙背格观测器中的微分环节造成控制系统中噪声增大，且易引起系统不稳定；而微分器在实际应用中往往要配合低通滤波器使用，同样易引起系统不稳定，降低系统的动态品质。卡尔曼观测器对系统参数变化具有一定的鲁棒性，但实现复杂，占用控制系统资源较大。因此，设计制备一种高刚度、免调试的变频调速系统速度环的设计方法，该方法制备的变频调速系统速度环具有动态品质好、通用性广、免调试的优点，具有广阔的应用前景。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术中变频调速系统速度环参数调试工作量大、适应性差、动态品质不佳的缺陷，寻求设计提供一种高刚度、免调试的变频调速系统速度环的设计方法。

为了实现上述目的，本发明涉及的高刚度、免调试的变频调速系统速度环的设计方法的技术方案如下：

S1、给定参考转速并通过编码器采样或无位置传感器观测等方法得到当前反馈转速其中为电角频率给定，的获得方式如下：在速度控制系统中，参考转速是人为设定的；而在包括位置控制在内的系统中，参考转速是控制系统根据包括位置给定在内的其它人为设定的参数计算得到的；为电角频率反馈，由编码器反馈的机械角角频率乘以极对数p得到，或通过无位置传感器控制技术观测得到；

S2、根据参考转速与当前反馈转速之差乘以得到加速转矩T_Acc，即其中T_Max为电机在额定转速(定义为基值转速)ω_rN下的峰值转矩，即额定转矩T_N和允许的过载倍数γ_Ov的乘积，r_f定义为刚度系数，无量纲；r_f的取值范围为0.01≤r_f≤100；通常情况下，r_f＝1即可满足大多数工况要求；k_f定义为转矩比例系数，即转速偏差对应的加速转矩的比例；