基于扩展滑模扰动观测器的永磁直驱电机抗扰动控制方法

本发明涉及电机控制领域，更具体地，尤其涉及一种基于扩展滑模扰动观测器的永磁直驱电机抗扰动控制方法。

背景技术：

1、相较于感应电机和磁阻电机，采用高磁能积永磁体励磁的永磁直驱电机具有高功率密度、高效率、高功率因数等优势，非常适合应用于直驱牵引系统。直驱牵引电机工作环境复杂，不但需要在多种运行工况间频繁切换，还面临着各种因素引起的频繁负载扰动，这要求控制系统具备快速动态响应能力和强抗扰能力。

2、由于传统pi控制器是一种利用误差反馈消除误差的被动抗扰控制，对于多变量、非线性、强耦合的永磁同步电机系统来说，基于pi速度控制的系统速度响应慢，抗扰能力弱，解耦不完全，难以获得满意的动态响应性能。

3、在实际运行中，由于电机负载时变且无法预测，仅采用pi调节器无法有效抑制负载扰动带来的转速波动。针对这一问题，可采用扭矩传感器直接测量电机负载转矩并进行实时补偿，但会使得系统成本增加，且传感器精度和响应速度都会影响到实际测量准确度。

技术实现思路

1、本发明的目的是实时观测电机的负载转矩值，并将观测值前馈补偿至电流调节器中，同时采用新型pi控制器提高系统的鲁棒性，提供一种基于扩展滑模扰动观测器的永磁直驱电机抗扰动控制方法，具体包括以下步骤：

2、步骤一、在永磁同步电机双闭环矢量控制中，采样电机的三相电流和转速信号送入扩展滑模扰动观测器中，实时观测电机的负载转矩值

3、步骤二、新型pi速度控制器依据给定速度nref和实际电机速度n进行控制计算，得到速度控制器输出；

4、步骤三、由估算得到负载转矩观测值计算得到q轴补偿电流iqc；

5、步骤四、通过电流环控制器输出控制电压uα、uβ，由svpwm模块控制逆变器驱动电机运行。

6、所述步骤一中，实时观测电机负载转矩值的具体方法是：

7、依据负载转矩观测器

8、

9、其中，为电机的负载转矩值的估算值，是估算电机角速度，np是电机极对数，j是转子转动惯量，b是阻尼系数，ψm是永磁磁链，iq是q轴电流，z是滑模控制律，q和l是滑模控制系数。

10、定义观测器的滑模面为滑模趋近律设置为：

11、

12、其中，α(α>1)和β(0<β<1)是控制系数，k是滑模增益，sgn()是符号函数，η定义为：

13、

14、滑模控制律定义为：

15、

16、步骤二中，新型pi速度控制器的具体控制方法为：

17、在传统pi速度控制器的反馈通道上增加一个比例积分环节，得到系统传递函数：

18、

19、其中kp、ki分别为前向通道上比例、积分控制系数，kpf、kif分别为反馈通道上比例、积分控制系数，kt为电机的转矩系数。

20、步骤三中，q轴补偿电流iqc的具体计算方法是：

21、

22、其中控制增益b＝3npψm/2j。

23、所述基于扩展滑模扰动观测器的永磁直驱电机抗扰动控制方法由永磁同步电机双闭环控制系统实现，永磁同步电机双闭环控制系统包括新型pi速度控制器、负载转矩观测器、dq轴电流控制器、坐标变换模块、svpwm模块以及三相逆变器。

24、本发明的有益效果为，采用新型pi速度控制器输出q轴电流给定值，在速度频繁变化的情况下，使电机速度能够快速跟踪上给定速度，有效提高了电机的动态响应性能。采用负载转矩观测器实时估算电机负载转矩值，并将观测值前馈补偿至电流调节器中，无需速度控制器输出较大变化量即可产生足够的电流变化量以抵消负载扰动、电机参数变化等扰动量的影响，有效地减小电机的速度波动。负载转矩观测器采用扩展滑模观测器，采用变幂次滑模趋近律，在保持快收敛速度的同时有效削弱系统抖振。在负载转矩发生变化时，可以快速消除负载转矩的观测误差，改善了对于负载转矩的观测效果，并通过电流前馈补偿进一步提高电机控制的鲁棒性。

技术特征：

1.一种基于扩展滑模扰动观测器的永磁直驱电机抗扰动控制方法，其特征在于，所述控制方法采用扩展滑模扰动观测器实时估算永磁同步电机的负载转矩值，将所述负载转矩值前馈至ip速度控制器中，得到增加一个比例积分环节的系统传递函数，根据所述系统传递函数控制所述永磁同步电机。

2.如权利要求1所述的基于扩展滑模扰动观测器的永磁直驱电机抗扰动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.如权利要求1所述的基于扩展滑模扰动观测器的永磁直驱电机抗扰动控制方法，其特征在于，所述步骤一中，实时估算所述永磁同步电机的负载推力观测值的具体方法是：

4.如权利要求1所述的基于扩展滑模扰动观测器的永磁直驱电机抗扰动控制方法，其特征在于，所述控制增益值η定义为：

5.如权利要求1所述的基于扩展滑模扰动观测器的永磁直驱电机抗扰动控制方法，其特征在于，所述步骤二中pi速度控制器的输出具体为：

6.如权利要求3所述的基于扩展滑模扰动观测器的永磁直驱电机抗扰动控制方法，其特征在于，所述步骤三中，q轴补偿电流iqc的具体计算方法是：

技术总结本发明公开了一种基于扩展滑模扰动观测器的永磁直驱电机抗扰动控制方法，速度环采用新型PI速度控制器，在反馈通道引入比例积分环节以提高动态响应和抗扰动能力，采用扩展滑模扰动观测器实时估算无法精确测量的系统扰动项，并将观测得到的负载转矩值前馈补偿至电流调节器中，有效地降低了电机的推力波动，且提高了系统的动态响应速度。技术研发人员：曹瑞武,蒋宁,王凯受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/8/27