本發(fā)明屬于永磁同步電機的轉速控制領域，具體涉及一種基于開關狀態(tài)觀測器的永磁同步電機轉速擾動抑制方法。

背景技術：

1、永磁同步電機已經廣泛應用于高精度伺服系統(tǒng)中，高精度伺服系統(tǒng)對永磁同步電機的轉速控制精度提出了很高的要求。抑制永磁同步電機系統(tǒng)中存在的擾動成為永磁同步電機高精度轉速控制的關鍵。自抗擾控制方法是抑制永磁同步電機轉速擾動的基礎方法。自抗擾控制方法包括自抗擾控制律和擴張狀態(tài)觀測器兩個部分。然而，現有的自抗擾控制方法往往集中在對負載轉矩擾動的觀測和抑制，對電流采樣誤差和轉速測量噪聲帶來的轉速擾動缺乏抑制能力。并且，現有的自抗擾控制方法往往關注擴張狀態(tài)觀測器對轉速擾動的觀測和抑制作用，自抗擾控制律僅起到提供參考電流信號輸出的作用。因此，現有的永磁同步電機轉速擾動抑制方案缺乏對各類轉速擾動抑制的通用性，也未能讓自抗擾控制律和擴張狀態(tài)觀測器起到抑制轉速測量噪聲的作用。高精度伺服電機是一種應用廣泛的永磁同步電機，若缺乏有效的轉速擾動抑制方法將限制其在工業(yè)機器人、數控機床等領域的應用。

技術實現思路

1、本發(fā)明的目的是為解決永磁同步電機進行高精度轉速控制時對電流采樣誤差和轉速測量噪聲帶來的轉速擾動抑制能力不足的問題，進而提供一種基于開關狀態(tài)觀測器的永磁同步電機轉速擾動抑制方法。

2、所述轉速擾動，即引起電機轉速變化的因素。

3、本發(fā)明可以有效抑制各類轉速擾動的基于開關擴張狀態(tài)觀測器的準諧振自抗擾永磁同步電機轉速擾動抑制方案，在工業(yè)機器人、數控機床等領域具有良好的應用前景。

4、為實現上述目的，本發(fā)明采取的技術方案是：

5、基于開關狀態(tài)觀測器的永磁同步電機轉速擾動抑制方法，所述方法包括以下步驟：

6、s1.基于空間矢量變換，建立永磁同步電機在d-q子空間下的機械運動模型和定子電壓模型；

7、s2.基于步驟s1建立的永磁同步電機的機械運動模型，結合轉速控制系統(tǒng)中的控制指令，以轉速控制系統(tǒng)中的永磁同步電機轉速測量值、參考轉速指令、參考電磁轉矩指令作為觀測器輸入，以機械轉速、轉速總擾動作為觀測器狀態(tài)量，構建開關擴張狀態(tài)觀測器；

8、s3.根據永磁同步電機的額定轉矩和轉速擾動對轉速的傳遞函數，選取所述開關擴張狀態(tài)觀測器的參數和切換點；

9、s4.基于準比例諧振控制器模型，結合轉速控制系統(tǒng)中的控制指令和開關擴張狀態(tài)觀測器的狀態(tài)量，以轉速控制系統(tǒng)中的參考轉速指令，和步驟s3通過開關擴張狀態(tài)觀測器觀測得到的永磁同步電機轉速觀測值、轉速總擾動觀測值作為輸入，以參考電磁轉矩指令作為輸出，構建準比例諧振自抗擾控制律；

10、s5.基于步驟s1建立的永磁同步電機的定子電壓模型，以步驟s4構建的準比例諧振自抗擾控制律提供的參考電磁轉矩指令為輸入，構建比例積分電流控制器。

11、進一步的是，步驟s1中，所述基于空間矢量變換，建立永磁同步電機在d-q子空間下的機械運動模型和定子電壓模型，分別為：

12、

13、式中，id、iq分別為d軸電流、q軸電流；、ld、lq分別為d軸電感、q軸電感；te、tl分別為電磁轉矩、負載轉矩；ωm、ωm0分別為機械轉速和機械轉速測量值；為隨機測量噪聲；j為轉子轉動慣量；b為轉子粘滯摩擦系數；pn為轉子極對數；ψf為轉子永磁磁鏈；

14、

15、式中，ud、uq分別為d軸電壓、q軸電壓；rs為定子相電阻；ωe為電磁轉速。

16、進一步的是，步驟s2中，所述基于步驟s1建立的永磁同步電機的機械運動模型，結合轉速控制系統(tǒng)中的控制指令，以轉速控制系統(tǒng)中的參考轉速指令、參考電磁轉矩指令作為觀測器輸入，以機械轉速、轉速總擾動作為觀測器狀態(tài)量，構建開關擴張狀態(tài)觀測器；

17、

18、式中，分別為機械轉速觀測值、轉速總擾動觀測值；為控制量增益標稱值；j0為轉子轉動慣量標稱值；為參考電磁轉矩指令；l1、k2為觀測器增益系數；xe為轉速控制誤差的狀態(tài)量，其表達式為：

19、

20、式中，為參考機械轉速指令；ωc為低通濾波器的剪切頻率；δ為開關擴張狀態(tài)觀測器的切換點。

21、進一步的是，步驟s3中，所述根據永磁同步電機的額定轉矩和轉速擾動對轉速的傳遞函數，選取所述開關擴張狀態(tài)觀測器的參數和切換點；具體為：

22、l1、k2、ωc為開關擴張狀態(tài)觀測器的系數，l1、ωc的取值和k2的取值范圍為：

23、

24、式中，ωo為觀測器帶寬；

25、開關擴張狀態(tài)觀測器的系數確定后，根據轉速擾動對轉速的傳遞函數gd(s)，結合額定負載轉矩，求出負載轉矩造成的機械轉速變化最大值δωm?max；

26、

27、式中，為控制量增益；kp為自抗擾控制律的比例增益；s為拉普拉斯算子；

28、根據機械轉速變化最大值δωmmax選取切換點δ；

29、0.1δωmmax＜δ＜0.25δωmmax。

30、進一步的是，步驟s4中，所述基于準比例諧振控制器模型，結合轉速控制系統(tǒng)中的控制指令和開關擴張狀態(tài)觀測器的狀態(tài)量，以轉速控制系統(tǒng)中的參考轉速指令，和步驟s3通過開關擴張狀態(tài)觀測器觀測得到的永磁同步電機轉速觀測值、轉速總擾動觀測值作為輸入，以參考電磁轉矩指令作為輸出，構建準比例諧振自抗擾控制律；

31、

32、式中，kr1、kr2為諧振增益；ωc1、ωc2為剪切頻率；ωe為電磁轉速；gqprc(s)為準比例諧振控制器的傳遞函數。

33、進一步的是，步驟s5中，所述基于步驟s1建立的永磁同步電機的定子電壓模型，以步驟s4構建的準比例諧振自抗擾控制律提供的參考電磁轉矩指令為輸入，構建比例積分電流控制器；

34、

35、式中，分別為d軸、q軸參考電壓指令；分別為d軸、q軸參考電流指令；kpd、kpq分別為d軸、q軸電流控制器比例系數；kid、kiq分別為d軸、q軸電流控制器積分系數。

36、本發(fā)明相對于現有技術的有益效果是：本發(fā)明所構建的具有轉速測量噪聲抑制功能的開關擴張狀態(tài)觀測器，將抑制噪聲的低通濾波器和擴張狀態(tài)觀測器用開關切換機制結合起來，與傳統(tǒng)擴張狀態(tài)觀測器相比，增強了擴張狀態(tài)觀測器抑制轉速測量噪聲的能力和對轉速總擾動的觀測速度。此外，本發(fā)明還采用一種基于準比例諧振控制器模型的自抗擾控制律，增強了自抗擾控制律抑制電流采樣誤差造成的轉速擾動的能力。該自抗擾控制律和所采用的開關擴張狀態(tài)觀測器構建的自抗擾高精度轉速控制系統(tǒng)，可有效抑制永磁同步電機的各種轉速擾動，具有高精度和平穩(wěn)的轉速控制效果。

技術特征：

1.一種基于開關狀態(tài)觀測器的永磁同步電機轉速擾動抑制方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：

2.根據權利要求1所述的基于開關狀態(tài)觀測器的永磁同步電機轉速擾動抑制方法，其特征在于：步驟s1中，所述基于空間矢量變換，建立永磁同步電機在d-q子空間下的機械運動模型和定子電壓模型，分別為：

3.根據權利要求2所述的基于開關狀態(tài)觀測器的永磁同步電機轉速擾動抑制方法，其特征在于：步驟s2中，所述基于步驟s1建立的永磁同步電機的機械運動模型，結合轉速控制系統(tǒng)中的控制指令，以轉速控制系統(tǒng)中的參考轉速指令、參考電磁轉矩指令作為觀測器輸入，以機械轉速、轉速總擾動作為觀測器狀態(tài)量，構建開關擴張狀態(tài)觀測器；

4.根據權利要求3所述的基于開關狀態(tài)觀測器的永磁同步電機轉速擾動抑制方法，其特征在于：步驟s3中，所述根據永磁同步電機的額定轉矩和轉速擾動對轉速的傳遞函數，選取所述開關擴張狀態(tài)觀測器的參數和切換點；具體為：

5.根據權利要求4所述的基于開關狀態(tài)觀測器的永磁同步電機轉速擾動抑制方法，其特征在于：步驟s4中，所述基于準比例諧振控制器模型，結合轉速控制系統(tǒng)中的控制指令和開關擴張狀態(tài)觀測器的狀態(tài)量，以轉速控制系統(tǒng)中的參考轉速指令，和步驟s3通過開關擴張狀態(tài)觀測器觀測得到的永磁同步電機轉速觀測值、轉速總擾動觀測值作為輸入，以參考電磁轉矩指令作為輸出，構建準比例諧振自抗擾控制律；

6.根據權利要求5所述的基于開關狀態(tài)觀測器的永磁同步電機轉速擾動抑制方法，其特征在于：步驟s5中，所述基于步驟s1建立的永磁同步電機的定子電壓模型，以步驟s4構建的準比例諧振自抗擾控制律提供的參考電磁轉矩指令為輸入，構建比例積分電流控制器；

技術總結
基于開關狀態(tài)觀測器的永磁同步電機轉速擾動抑制方法，屬于永磁同步電機的轉速控制領域。所述方法包括以下步驟：S1.建立永磁同步電機的機械運動模型和定子電壓模型；S2.基于機械運動模型，構建開關擴張狀態(tài)觀測器；S3.選取開關擴張狀態(tài)觀測器的參數和切換點；S4.基于準比例諧振控制器模型，結合轉速控制系統(tǒng)中的控制指令和開關擴張狀態(tài)觀測器的狀態(tài)量，以轉速控制系統(tǒng)中的參考轉速指令，和通過開關擴張狀態(tài)觀測器觀測得到的永磁同步電機轉速觀測值、轉速總擾動觀測值作為輸入，以參考電磁轉矩指令作為輸出，構建準比例諧振自抗擾控制律；S5.基于定子電壓模型，構建比例積分電流控制器。本發(fā)明用于永磁同步電機的自抗擾轉速擾動抑制。

技術研發(fā)人員：李勇,王澤坤,何純,魏方睿,冉曉賀,胡建輝,趙猛
受保護的技術使用者：哈爾濱工業(yè)大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/6