低速大转矩永磁同步电机二自由度PI控制方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114900084A(43)申请公布日2022.08.12(21)申请号202210353047.0H02P27/12(2006.01)(22)申请日2022.03.31(71)申请人华北水利水电大学地址450011河南省郑州市金水区北环路36号(72)发明人张海洋李继方(74)专利代理机构郑州中原专利事务所有限公司41109专利代理师王晓丽(51)Int.Cl.H02P21/00(2016.01)H02P21/13(2006.01)H02P21/05(2006.01)H02P21/22(2016.01)H02P25/024(2016.01)权利要求书2页说明书7页附图4页(54)发明名称低速大转矩永磁同步电机二自由度PI控制方法(57)摘要本发明公开了一种低速大转矩永磁同步电机二自由度PI控制方法，包括以下步骤：对速度环采用传统PI控制器进行改进，构成二自由度PI速度控制器，可以有效减小转速的超调量，提高转速的跟随性能，系统的抗扰动性能也可以得到提高。针对负载转矩、电机参数变化和未建模动态误差扰动因素对系统性能的影响，将它们作为总扰动，利用扩张状态观测器进行观测并进行前馈补偿，由此构成基于扩张状态观测器的二自由度PI控制方法。不仅保留了二自由度PI控制器能够同时兼顾转速跟随性能和系统抗扰动性能的优点，还能够有效地观测出负载转矩突变、电机参数变化和未建模动态误差等扰动并进行前馈补偿，进一步提高了系统的抗扰动性能，实现了转速的高性能控制。CN114900084ACN114900084A权利要求书1/2页1.一种低速大转矩永磁同步电机二自由度PI控制方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：a.对传统PI速度环控制器的结构进行改进，设计二自由度PI速度控制器，减小由于转速给定值突变造成的转速超调量，提高转速的跟随性能，所述二自由度PI速度控制器是指：对速度环采用传统PI控制器的结构进行改进，引入比例补偿环节，来对传统PI控制器的控制率进行修改，即在传统PI速度控制器的反馈通道上增加一个比例补偿环节，将该比例补偿环节作用后的信号引入到PI控制器的输出端，利用比例补偿环节对传统PI控制器的控制率进行补偿，将引入比例补偿环节的PI控制器称为二自由度PI控制器；b.改写电机的机械运动方程为状态空间方程，将负载转矩、电机参数变化和未建模动态误差等扰动视为总扰动，并扩展为新的状态变量，根据新的状态变量构建新的状态空间方程；c.根据新的状态空间方程构建扩张状态观测器，利用扩张状态观测器观测出总扰动，并对二自由度PI速度控制器的输出进行补偿，进一步提高系统的抗扰动性能。2.根据权利要求1所述的低速大转矩永磁同步电机二自由度PI控制方法，其特征在于，所述步骤b的状态空间方程具体包括：电机的机械运动方程为：式中，ωm为电机转速的实际值，J为电机的转动惯量，Te为电磁转矩，Te＝kTiq，kT为电机的转矩常数，kT＝1.5nPψf，np为电机的极对数，ψf为转子永磁体磁链，TL为负载转矩，Bm为粘滞摩擦系数，为求导运算符，为电机转速ωm的一阶导数；考虑电机参数变化和未建模动态误差扰动因素的影响，将机械运动方程(1)改写为状态空间方程(2)的形式：式中，b＝b0+Δb，b0代表b的标称值，是一个常数，其值为Δb为由电机参数变化引起b的变化量，ψf0代表转子永磁体磁链ψf的标称值，J0代表转动惯量J的标称值；g代表未建模动态误差及未知扰动等因素；u代表控制输入量；iq代表q轴电流，并作为控制输入量，d(t)代表由电机参数变化和未建模动态误差等内外扰动引起的总扰动；将电机系统的总扰动扩展为新的状态变量，取新的状态变量分别为z1、z2，构建新的状态空间方程，其表达式如式(3)所示：2CN114900084A权利要求书2/2页式中，y为输出变量，和分别为z1和z2的一阶导数，为d(t)的一阶导数，u代表控制输入量，b0为一个常数，它的值为ψf0代表转子永磁体磁链ψf的标称值，J0代表转动惯量J的标称值。3.根据权利要求1所述的低速大转矩永磁同步电机二自由度PI控制方法，其特征在于，所述步骤c利用扩张状态观测器观测出总扰动，并对二自由度PI速度控制器的输出进行补偿，进一步提高系统的抗扰动性能具体包括：扩张状态观测器的表达式为：式中，和分别是状态变量z1和z2的观测值，和分别为和的一阶导数，β01和β02为扩张状态观测器的增益，e是电机转速的观测值与实际值的差，fal(e,α,δ)是一个非线性函数，其表达式为：式中，α为非线性函数fal(e,α,δ)的参数，δ为误差阈值，sign为符号函数；通过选择观测器增益β01和β02及参数α和δ，根据观测出来的转速和实际转速z1的差，对非线性函数fal(e,α,δ