本發明涉及電機控制領域，特別涉及一種永磁同步電機轉速波動抑制方法。

背景技術：

永磁同步電機以其高功率密度、轉矩大、體積小、效率高、控制簡單、精度高等優點，被廣泛應用于工業機器人、電動汽車以及航空航天等驅動控制系統中。由于永磁同步電機驅動負載的形式不同，導致負載信號的形式也不同，如周期性負載信號、非線性負載信號、階躍負載信號、不規則負載信號等等，通過分析永磁同步電機的動態電磁轉矩方程知道，當這些負載加入永磁同步電機控制系統中會引起轉速的波動，進而引起電機控制系統的振動，影響永磁同步電機轉速的高精度控制，嚴重時會導致整個驅動控制系統共振，影響電機的使用壽命。例如工業生產線上的機器人手臂是通過花鍵銜接，花鍵間的間隙會引起永磁同步電機所加負載信號的不同，進而導致機械臂的振動，影響機械手臂控制的精度。

目前針對于永磁同步電機負載擾動下帶來的轉速波動，常見抑制轉速波動的方法有：(1)通過轉矩補償的方法來抑制負載擾動帶來的轉速波動、(2)通過設計重復復合控制器來抑制負載擾動下的轉速波動，如專利cn201510660766.7-電動汽車、永磁同步電機轉速波動的抑制方法及抑制系統。轉矩補償抑制轉速波動是通過比較當前周期的轉速與前一個周期的轉速，通過預設的補償數據庫，確定補償轉矩抑制負載帶來的轉速波動。一方面會增加控制系統的計算任務量；另一方面需要通過比較、查表確定補償的轉矩，不能夠實時響應。重復復合控制器抑制轉速波動是通過快速傅里葉變換建立給定轉速與擾動頻率的對應數據表，利用重復控制器產生的周期內膜信號抑制擾動頻率分量，進而抑制轉速波動。重復控制器對于周期性負載下轉速波動抑制效果更好，對于非線性負載抑制效果較差；此外，控制器計算量大，響應慢。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種永磁同步電機轉速波動抑制方法，其能夠有效抑制電機轉速的波動，提高電機轉速控制的精度。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為：一種電機轉速波動抑制方法，通過設計的狀態觀測器觀測負載擾動下電機轉速的波動量，利用設計的觀測器增益和濾波器得到等價的負載擾動，等價的負載擾動作用于電機系統，電機系統產生與負載擾動相反的轉速波動，從而抵消電機負載擾動下的轉速波動。

該方法具體包括如下步驟：

s1、建立電機旋轉坐標系下數學模型，模型為：

其中，ud、uq分別為旋轉坐標系下直軸電壓和交軸電壓；id、iq分別為旋轉坐標系下直軸電流和交軸電流；r為電機的內阻；ld、lq分別為旋轉坐標系下直軸電感和交軸電感；pm為電機的極對數；w為電機轉速；為電機磁通量；te為電磁轉矩；j為電機轉動慣量；tl為電機負載擾動，b為阻尼系統；

s2、設計狀態觀測器，計算狀態觀測器的增益l，由狀態觀測器觀測電機在負載擾動下的狀態變量，計算狀態變量與電機期望狀態變量的差值，經狀態觀測器增益l使得擾動量快速收斂于穩定值，然后通過變換矩陣b⁺輸出負載擾動引起的波動量，其中，b⁺＝(b^tb)^-1b^t，b為電機狀態空間矩陣；其中狀態觀測器的設計包括：通過采用id＝0矢量控制策略優化電機系統的模型，得電機的狀態空間表達式：

y＝cx

采用對偶原理得到電機系統的對偶系統，其狀態空間表達式為：

y＝b^tx

a^t、b^t、c^t為電機狀態空間矩陣a、b、c的轉置矩陣，uq為電機交軸電壓量即輸入量，x為狀態變量，y為輸出量；

增益l的計算為：以線性二次最優控制的性能指標為對偶系統的約束條件，求得增益l；約束條件為：其中q1、r1為狀態加權矩陣，ρ為調節參數，jlmin為性能指標的輸出量；

s3、設計濾波器，計算濾波器的時間常數、濾波器的增益，矩陣b⁺輸出負載擾動引起的波動量經濾波器調節、濾波得到等價的負載擾動，等價的負載擾動反作用于電機系統，其作用于電機系統的產生的轉速波動與負載擾動產生的轉速波動等價且效果相反，從而抑制電機負載擾動下的轉速波動，

其中，濾波器為低通濾波器，濾波器的函數表達式為：

t1為濾波器時間常數，k為濾波器增益；其中，t1≤1/(5wr)，wr為負載擾動信號的最高頻率；濾波器增益k的值滿足等價負載擾動tl作用于電機系統時電機的穩定轉速等效于負載作用于系統時電機的穩定轉速。

電機系統包括雙閉環控制系統，等價負載擾動作用于雙閉環控制系統以控制電機轉動速度，其中雙閉環控制系統為電流閉環控制系統、轉速閉環控制系統。

本發明的優點在于：永磁同步電機調速控制系統多采用雙閉環的控制結構，電流環與轉速環只能夠保證系統的穩態輸出，對于加入控制系統的負載只能夠跟隨響應，并不能夠抑制轉速的波動，而現有技術轉矩補償方法和重復控制方法存在計算量大、實時響應差、抑制信號類型受限等缺陷。為此本發明在id＝0矢量控制系統的基礎上，設計狀態觀測器，利用等價輸入干擾算法設計濾波器，通過搭建永磁同步電機調速控制系統的仿真模型，通過仿真實驗表明：基于等價輸入干擾算法的電機轉速抑制方法能夠快速響應轉速波動，能夠有效抑制周期負載信號、階躍負載信號以及不規則負載信號帶來的轉動波動，實現調速系統的高精度控制。

附圖說明

下面對本發明說明書各幅附圖表達的內容及圖中的標記作簡要說明：

圖1為本發明永磁同步電機轉速波動抑制系統控制框圖；

圖2為本發明等角輸入干擾算法的原理框圖；

圖3為本發明為觀測器增益輸出信號與濾波器信號波特圖曲線；

圖4為本發明等價輸入干擾算法簡化原理框圖；

圖5為本發明負載擾動下轉速波動波形圖。

具體實施方式

下面對照附圖，通過對最優實施例的描述，對本發明的具體實施方式作進一步詳細的說明。

本發明通過等價輸入干擾算法設計控制器來抑制干擾，通過設計狀態觀測器觀測負載擾動下電機的狀態變量，計算狀態變量與電機期望狀態變量的差值，經狀態觀測器增益l保證擾動量快速收斂于穩定值，然后通過變換矩陣b⁺輸出負載擾動引起的波動量，波動量經濾波器調節、濾波后輸入到電機控制系統，其作用于電機系統的轉速波動抑制效果與負載作用于電機系統的轉速波動效果等價，即等價負載擾動引起的波動與負載擾動引起的轉速波動等價相反，其通過電機轉速控制系統實現，電機轉速控制系統的控制信號減去等效負載擾動，從而實現電機負載擾動下轉速波動的抑制，這里等價輸入算法設計的控制器包括狀態觀測器和濾波器。

一種電機轉速波動抑制方法，通過設計的狀態觀測器觀測負載擾動下電機轉速的波動量，利用設計的觀測器增益和濾波器得到等價的負載擾動，等價的負載擾動作用于電機系統，電機系統產生與負載擾動相反的轉速波動，從而抵消電機負載擾動下的轉速波動。

如圖1所示，為電機雙閉環控制系統以及狀態觀測器、濾波器在電路中的結構示意圖，電機雙閉環控制系統包括電流閉環控制系統和轉速閉環控制系統，主要由控制轉速穩定的轉速環asr、控制旋轉坐標系下直軸電流id、交軸電流iq穩定的電流環acr；實現電機模型簡化的坐標變換模塊包括3相靜止坐標系轉換為2相靜止坐標系(3/2變換)、2相靜止坐標系轉換為2相旋轉坐標系(2s/2r)、2相旋轉坐標系轉換為2相靜止坐標系(2r/2s)；通過svpwm算法確定電機轉子空間所在位置，進而輸出六相開關型脈沖信號；逆變器依據六相開關型脈沖信號開通與關斷六個igbt晶閘管，在定子上形成理想的三相正弦電壓，驅動電機轉動；利用等價輸入干擾算法設計的控制器對電機受到負載擾動瞬間存在的轉速波動進行抑制，狀態觀測器依據轉速的波動輸出變化量，觀測器l確保轉速的波動輸出變化量能夠快速收斂于負載擾動，而濾波器(f(s))估計出等價的負載擾動，進而抑制負載擾動帶來的轉速波動。

具體包括如下步驟：

s1、建立電機旋轉坐標系下數學模型，模型為：

其中，ud、uq分別為旋轉坐標系下直軸電壓和交軸電壓；id、iq分別為旋轉坐標系下直軸電流和交軸電流；r為電機的內阻；ld、lq分別為旋轉坐標系下直軸電感和交軸電感；pm為電機的極對數；w為電機轉速；為電機磁通量；te為電磁轉矩；j為電機轉動慣量；tl為電機負載擾動，b為阻尼系統；

s2、設計狀態觀測器，計算狀態觀測器的增益l，由狀態觀測器觀測電機在負載擾動下的狀態變量，計算狀態變量與電機期望的狀態變量的差值，經狀態觀測器增益l保證擾動量快速收斂于穩定值，然后通過變換矩陣b⁺輸出負載擾動引起的波動量，其中，b⁺＝(b^tb)^-1b^t，b為電機狀態空間矩陣；其中狀態觀測器的設計包括：通過采用id＝0矢量控制策略優化電機系統的模型，得電機的狀態空間表達式：

y＝cx

采用對偶原理得到電機系統的對偶系統，其狀態空間表達式為：

y＝b^tx

a^t、b^t、c^t為電機狀態空間矩陣a、b、c的轉置矩陣，uq為電機交軸電壓量即輸入量，x為狀態變量，y為輸出量；通過查閱技術手冊可以得到電機相關參數。

增益l的計算為：以線性二次最優控制的性能指標為對偶系統的約束條件，即可求得增益l；約束條件為：其中q1、r1為狀態加權矩陣，ρ為調節參數，jlmin為性能指標的輸出量；

s3、設計濾波器，計算濾波器的時間常數、濾波器的增益，矩陣b⁺輸出負載擾動引起的波動量經濾波器調節、濾波得到等價的負載擾動，其作用于電機系統的轉速波動抑制效果與負載作用于電機系統的轉速波動效果等價，從而抑制電機負載擾動下的轉速波動。

濾波器為低通濾波器，濾波器的函數表達式為：

其中，t1為濾波器時間常數，k為濾波器增益；t1滿足t1≤1/(5wr)，wr為負載擾動信號的最高頻率；

濾波器增益k的值滿足等價負載擾動tl作用于電機系統時電機的穩定轉速等效于負載作用于系統時電機的穩定轉速。

如圖2所示，為等價輸入干擾算法的原理框圖，用電機系統模型代替實際的永磁同步電機，依據電機數學模型、id＝0矢量控制策略、對偶原理以及提供的電機參數設計永磁同步電機的狀態觀測器，用于觀測電機的內部狀態變量，其狀態空間表達式為：

y＝b^tx

以線性二次最優控制的性能指標為約束條件，設計觀測器的增益l，即滿足以下關系式，通過調節q1、r1矩陣以及ρ參數，確保輸出量快速收斂于負載信號量，調節q1、r1、ρ參數，同時滿足狀態觀測器與觀測器增益l組成系統的幅頻曲線位于濾波器幅頻曲線之上，如圖3所示，得到觀測器增益l，其中約束條件為：

濾波器的函數關系式為：

為了確保設計的低通濾波器能夠對估計的負載擾動信號進行濾波，通過比對觀測器增益信號與濾波器信號的相頻曲線，如果觀測器增益信號的相頻曲線在位于最低點之前一直處于濾波器相頻曲線下，那么設計的濾波器時間常數t1即為合理值，此時能夠準確對負載擾動信息進行濾波，否則需要重新調試時間常數，相頻曲線如圖3所示，實際負載擾動下，觀測器增益信號相頻曲線受負載信號頻率的影響，通過仿真實驗調試，當t1≤1/(5wr)都能夠滿足相頻曲線的要求，其中wr為負載擾動信號的最高頻率，此時也即滿足觀測器增益信號的相頻曲線在位于最低點之前一直處于濾波器相頻曲線下，狀態觀測器與觀測器增益l組成系統的幅頻曲線位于濾波器幅頻曲線之上。

濾波器為低通濾波器，濾波器的增益k的取值滿足等價負載擾動tl作用于電機系統時電機的穩定轉速等效于負載作用于系統時電機的穩定轉速。具體計算方法，采用等價輸入算法，其原理框圖如圖4所示，圖4為電機轉速波動抑制系統的傳遞函數的原理圖，其中gf(s)為濾波器傳遞函數，gtl(s)為負載傳遞函，gc(s)為觀測器傳遞函，g(s)為電機系統傳遞函，求取這四個傳遞函數。為了求取濾波器的增益k，其方法為：令uq、等價負載tl為輸入為零，以負載tl1為輸入量，轉速w為輸出量，求取負載tl1下的穩態轉速；再令uq、負載tl1為零，以等價負載tl為輸入量，轉速w為輸出量，求取等價負載tl下的穩態轉速，此轉速內包含k為未知量的穩態轉速表達式，依據等價輸入干擾算法的理論，等價的負載擾動作用于系統等效于負載作用于系統，即穩態轉速和為零，這樣即可得到關于k為未知數的等式，即可求得濾波器的增益k。

為了驗證本發明轉速抑制方法的有效性，這里與現有技術的pi控制做對比，如圖5所示，通過轉速波動抑制仿真實驗系統模型可以看出，本發明設計的狀態觀測器、濾波器形成的電機轉速波動抑制系統對于負載擾動帶來的轉速波動具有明顯的抑制作用，輸出高精度穩態轉速，仿真的結果表明：基于等價輸入干擾算法設計的轉速波動抑制控制器能夠對周期性、階躍性、不規則性負載擾動帶來的轉速波動都能夠進行有效的抑制，并且能夠快速響應于電機的轉速，有效提高了驅動系統的抗擾動性能，提高電機的高精度轉速控制。

將電機系統設計成易于調速控制的雙閉環控制系統。同時針對負載擾動帶來的轉速波動，設計等價輸入干擾算法控制器抑制轉速的波動，控制器包括狀態觀測器和濾波器。電機系統負載擾動下，產生的轉速波動量經過等價輸入干擾控制器輸出等價的負載擾動，等價的負載擾動作用于電機系統，輸出相反的轉速波動量，從而抑制實際負載擾動帶來的轉速波動。

本發明電機轉速波動抑制系統通過設計狀態觀測器、濾波器應用于現有技術中的雙閉環調速系統，通過設計的狀態觀測器觀測負載擾動下電機轉速的波動量，利用設計的觀測器增益和濾波器得到等價的負載擾動，其作用于電機系統的轉速波動抑制效果與負載作用于電機系統的轉速波動效果等價，從而抑制電機負載擾動下的轉速波動。

顯然本發明具體實現并不受上述方式的限制，只要采用了本發明的方法構思和技術方案進行的各種非實質性的改進，均在本發明的保護范圍之內。