永磁同步電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器

永磁同步電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器

0負(fù)載扭矩管理及在線反饋高性能通信服務(wù)系統(tǒng)需要良好的動態(tài)效益和靜態(tài)功率。在實際工作中,負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變會對系統(tǒng)運行狀態(tài)造成影響,同時轉(zhuǎn)矩又是難以直接測量的非電物理量,所以提高伺服系統(tǒng)的抗負(fù)載轉(zhuǎn)矩擾動能力成為近年來的一個研究熱點。文獻(xiàn)用改進(jìn)的擴展Kalman濾波器進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)矩的辨識;文獻(xiàn)建立了基于Kalman濾波器的負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器,根據(jù)測量的電流、機械位置和轉(zhuǎn)速等參數(shù)對負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行估計;文獻(xiàn)基于電機數(shù)學(xué)模型,設(shè)計了降階狀態(tài)觀測器對負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行辨識,并用辨識結(jié)果對速度變化進(jìn)行在線補償,提高了系統(tǒng)的魯棒性;文獻(xiàn)采用高階滑模控制技術(shù)和滑模微分器設(shè)計了對擾動轉(zhuǎn)矩觀測器,將估計反饋到控制系統(tǒng)中,使負(fù)載變?yōu)榇_定輸入量,減小了對系統(tǒng)運動的影響;文獻(xiàn)講述了負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器在高速列車驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用;文獻(xiàn)用反饋線性化控制方法對系統(tǒng)的負(fù)載擾動進(jìn)行估計,通過對系統(tǒng)控制量在線補償,提高了系統(tǒng)的運行質(zhì)量。本文提出了一種MRAS和滑模變結(jié)構(gòu)理論相結(jié)合的負(fù)載觀測器,用于在線為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器提供轉(zhuǎn)矩變化的信息,經(jīng)仿真實驗表明,觀測器工作穩(wěn)定可靠,能提高調(diào)速系統(tǒng)的魯棒性。1轉(zhuǎn)子定向d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型理想電機模型的假設(shè)條件為:忽略電動機鐵心的飽和,忽略漏磁通的影響,不計電動機中的渦流和磁滯損耗,電動機的電流為對稱的三相正弦波電流,且轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中呈正弦分布。轉(zhuǎn)子定向d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)模型為式中:uq,iq為定子電壓電流d、q軸分量;R為定子繞組電阻;Lq為交軸電感;p為磁極對數(shù);ψf為轉(zhuǎn)子永磁體磁通;ωr為轉(zhuǎn)子電氣角速度;B,J為阻力摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)動慣量。2自適應(yīng)滑模負(fù)荷觀測器的設(shè)計2.1設(shè)計方法的確定變結(jié)構(gòu)控制是前蘇聯(lián)學(xué)者Emelyanov、Utkin和Itkin在20世紀(jì)60年代提出的一種設(shè)計方法?；舅枷胧歉鶕?jù)狀態(tài)偏差的極性和大小,使反饋信號的極性或大小作相應(yīng)的改變,從而使得控制器從一種結(jié)構(gòu)切換為另一種結(jié)構(gòu),以達(dá)到一定的控制性能要求,所設(shè)計出的控制器的形式為其中,u+(x)≠u-(x),s(x)=0為切換超平面,選擇原則是保證最終滑動模態(tài)的穩(wěn)定性及動態(tài)品質(zhì)。2.2基于mras的磁極電機負(fù)載偏移識別原理2.2.1反饋方的自適應(yīng)超穩(wěn)定理論是將系統(tǒng)分為前向的線性定常方塊和反饋的非線性方塊,當(dāng)前向方塊的傳遞函數(shù)正實時,根據(jù)超穩(wěn)定理論給出的反饋方塊的參數(shù)自適應(yīng)律可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.2.2基于市場機制的扭矩辨識模型在id=0的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)中,選用dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)速方程作為轉(zhuǎn)矩辨識模型。利用可調(diào)模型和參考模型輸出量的誤差構(gòu)成自適應(yīng)率來實時調(diào)節(jié)可調(diào)模型的負(fù)載轉(zhuǎn)矩估計值,當(dāng)估計值趨近真實值時,兩模型的狀態(tài)變量值近似相等。永磁同步電機負(fù)載轉(zhuǎn)矩辨識的模型框圖如圖1所示。2.3基于mras的自適應(yīng)滑模型負(fù)載監(jiān)控裝置的設(shè)計2.3.1非線性時變對主被動體穩(wěn)定性的影響將永磁同步電機轉(zhuǎn)速方程作為辨識的參考模型為構(gòu)造參數(shù)可調(diào)的估計模型為定義狀態(tài)誤差為式(3)減式(4)得誤差狀態(tài)方程為則辨識系統(tǒng)等效為一個非線性反饋系統(tǒng),如圖2所示。根據(jù)Popov超穩(wěn)定理論,要使上述系統(tǒng)穩(wěn)定,則要求下列條件成立:1)線性定常環(huán)節(jié)嚴(yán)格正實,即傳遞矩陣H(s)=(sI-A)-1為嚴(yán)格正定矩陣;2)非線性時變環(huán)節(jié)滿足Popov積分不等式。在同步電機的辨識系統(tǒng)中,傳遞矩陣H(s)=(sI-A)-1一般滿足嚴(yán)格正定的條件,取B=D=I。再根據(jù)Popov積分不等式,有求解參數(shù)自適應(yīng)律,r02為任一有限正數(shù)。由Popov超穩(wěn)定理論可得,eTw是負(fù)載轉(zhuǎn)矩估計值與實際值誤差的線性函數(shù),即2.3.2滑模設(shè)計選擇負(fù)載轉(zhuǎn)矩估計值與實際值誤差為零的曲線作為滑模面,為提高穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)精度,引入積分項,則滑模面方程為將式(7)代入得2.3.3選取滑模觀測器設(shè)計指數(shù)趨近律6)s=-ks-εsign(s)不但能保證狀態(tài)軌跡到達(dá)滑動面,還可以通過選擇ε和k來保證到達(dá)運動的響應(yīng)品質(zhì),同時按指數(shù)趨近律進(jìn)行的設(shè)計自然滿足到達(dá)條件s6)s<0,所以選擇指數(shù)趨近律設(shè)計滑模觀測器。對滑模面求導(dǎo)得將狀態(tài)方程和滑模面方程代入得其中,因系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL是一個未知的時變的物理量,所以用零時刻負(fù)載轉(zhuǎn)矩的估計值TL(0)替代。2.4觀測器的參數(shù)設(shè)計在滑模轉(zhuǎn)矩觀測器中共有積分時間常數(shù)c,趨近律的常數(shù)ε和k三個參數(shù),參數(shù)取值是否恰當(dāng)對系統(tǒng)性能有影響。2.4.1偏偏積分時間常數(shù)對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)滑模面中積分環(huán)節(jié)的作用是消除轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)誤差,提高控制精確度。但在啟動或調(diào)節(jié)器的給定轉(zhuǎn)速大幅度變化時,短時間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差,如積分時間常數(shù)選擇不合適,則會產(chǎn)生大的超調(diào)量,同時對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的精確度也有影響。這里參考PID控制中的積分分離思想設(shè)計滑模面的積分時間常數(shù),即當(dāng)偏差(ω^r-ωr)較大時,令積分時間常數(shù)為0,取消積分作用;當(dāng)偏差(ω^r-ωr)小于設(shè)定閾值時,引入積分控制,根據(jù)轉(zhuǎn)速差的絕對值和設(shè)定的閾值決定積分時間常數(shù)的取值。2.4.2轉(zhuǎn)速受拉t一般來說,k決定了收斂到滑動面的速度,當(dāng)s的絕對值較大時,大的k值可加快轉(zhuǎn)速值的收斂速度;ε決定了抖振的幅值。所以理論上講k的取值應(yīng)大些,ε的取值要小些。轉(zhuǎn)矩觀測器的抖振主要體現(xiàn)在輸出量ωr的變化上,它的大小影響著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的估計值,從計算公式可看出ε作用到上的量為,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于TL的變化量,所以ε取值范圍較大,一般小于20即可。在一定范圍內(nèi),k的取值越大,T^L變化的速度越快,表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速變化的響應(yīng)速度快,在實際應(yīng)用中,可根據(jù)電機的初始負(fù)載轉(zhuǎn)矩,額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩和可能的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩,利用T^L的計算公式進(jìn)行簡略計算,以確定k的初始值。依據(jù)以上的推導(dǎo)過程建立負(fù)載觀測器模型,如圖3所示。3轉(zhuǎn)速sqp為了驗證負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器模塊的有效性,在轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)中進(jìn)行了仿真研究。永磁同步電機的參數(shù)為:額定電壓為560V;額定電流為36A;額定轉(zhuǎn)速為3000r/min;額定轉(zhuǎn)矩為20N·m;定子每相電阻0.1Ω;d軸電感為0.000425H;q軸電感為0.00125H;極對數(shù)為4;轉(zhuǎn)動慣量為0.0022kg·m2;轉(zhuǎn)子磁鏈為0.1119Wb。實驗共有兩個,系統(tǒng)原理圖如圖4所示。3.1模擬實驗3.1.1負(fù)載觀測器轉(zhuǎn)速測試實驗?zāi)康?通過比較系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)情況,說明負(fù)載觀測器對于高質(zhì)量調(diào)速系統(tǒng)的必要性。實驗內(nèi)容:電機帶負(fù)載TL=8N·m,運行于628rad/s,在第0.08s負(fù)載轉(zhuǎn)矩跳變?yōu)門L=9N·m,0.1s后,電機負(fù)載又回到TL=8N·m。圖5中虛線表示外加負(fù)載的變化過程,實線為負(fù)載觀測器對外負(fù)載的辨識結(jié)果。由圖可知,負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器能快速準(zhǔn)確的觀測出系統(tǒng)所加的初始負(fù)載轉(zhuǎn)矩和運行過程中負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生的變化。圖6中實線為有負(fù)載觀測器的調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化曲線,其中初始負(fù)載TL(0)為估計值;虛線代表無觀測器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化,在計算過程中,初始負(fù)載按已知量處理TL(0)=8N·m。由圖可知,在啟動階段,系統(tǒng)轉(zhuǎn)速能在0.02s內(nèi)穩(wěn)定于設(shè)定值;運行過程中負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化,觀測器將辨識結(jié)果反饋給速度控制器,經(jīng)0.02s的調(diào)節(jié)使轉(zhuǎn)速恢復(fù)到原狀態(tài);而無觀測器的系統(tǒng),因不能辨識出轉(zhuǎn)矩的變化,速度產(chǎn)生了較大幅度的波動,在控制器的調(diào)節(jié)下經(jīng)過0.07s,轉(zhuǎn)速才又恢復(fù)到設(shè)定值。從圖6反映出的信息可知,在調(diào)速系統(tǒng)中引入負(fù)載觀測器是必要的。3.1.2系統(tǒng)的運行及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)實驗?zāi)康?檢驗負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器工作的動態(tài)特性和具有負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器的調(diào)速系統(tǒng)對轉(zhuǎn)矩變化的魯棒性。實驗內(nèi)容:電機帶負(fù)載TL=2+0.8sin(62.8t)N·m,運行于628rad/s,在第0.1s加載TL=4+0.8sin(62.8t)N·m持續(xù)時間為0.006s的干擾,在第0.2s負(fù)載轉(zhuǎn)矩跳變?yōu)門L=3+0.6sin(125.6t)N·m。圖7中虛線表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化,實線為觀測器對負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的觀測結(jié)果。由圖可知,觀測器能準(zhǔn)確辨識出負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化和突加干擾。圖8為負(fù)載變化時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)結(jié)果。由圖8可知,在啟動階段,系統(tǒng)轉(zhuǎn)速未受波動的負(fù)載轉(zhuǎn)矩很大影響,仍能在0.02s內(nèi)穩(wěn)