[發明專利]低速大轉矩永磁同步電機二自由度PI控制方法

在審

• 申請號: 202210353047.0
• 申請日: 2022-03-31
• 公開（公告）號: CN114900084A
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發明（設計）人: 張海洋;李繼方
• 申請（專利權）人: 華北水利水電大學
• 主分類號: H02P21/00
• 分類號: H02P21/00;H02P21/13;H02P21/05;H02P21/22;H02P25/024;H02P27/12
• 代理公司: 鄭州中原專利事務所有限公司 41109
• 代理人: 王曉麗

1.一種低速大轉矩永磁同步電機二自由度PI控制方法，其特征在于，該方法包括以下具體步驟：

a.對傳統PI速度環控制器的結構進行改進，設計二自由度PI速度控制器，減小由于轉速給定值突變造成的轉速超調量，提高轉速的跟隨性能，所述二自由度PI速度控制器是指：對速度環采用傳統PI控制器的結構進行改進，引入比例補償環節，來對傳統PI控制器的控制率進行修改，即在傳統PI速度控制器的反饋通道上增加一個比例補償環節，將該比例補償環節作用后的信號引入到PI控制器的輸出端，利用比例補償環節對傳統PI控制器的控制率進行補償，將引入比例補償環節的PI控制器稱為二自由度PI控制器；

b.改寫電機的機械運動方程為狀態空間方程，將負載轉矩、電機參數變化和未建模動態誤差等擾動視為總擾動，并擴展為新的狀態變量，根據新的狀態變量構建新的狀態空間方程；

c.根據新的狀態空間方程構建擴張狀態觀測器，利用擴張狀態觀測器觀測出總擾動，并對二自由度PI速度控制器的輸出進行補償，進一步提高系統的抗擾動性能。

2.根據權利要求1所述的低速大轉矩永磁同步電機二自由度PI控制方法，其特征在于，所述步驟b的狀態空間方程具體包括：

電機的機械運動方程為：

式中，ω_m為電機轉速的實際值，J為電機的轉動慣量，T_e為電磁轉矩，T_e＝k_Ti_q，k_T為電機的轉矩常數，k_T＝1.5n_Pψ_f，n_p為電機的極對數，ψ_f為轉子永磁體磁鏈，T_L為負載轉矩，B_m為粘滯摩擦系數，為求導運算符，為電機轉速ω_m的一階導數；

考慮電機參數變化和未建模動態誤差擾動因素的影響，將機械運動方程(1)改寫為狀態空間方程(2)的形式：

式中，b＝b₀+Δb，b₀代表b的標稱值，是一個常數，其值為Δb為由電機參數變化引起b的變化量，ψ_f0代表轉子永磁體磁鏈ψ_f的標稱值，J₀代表轉動慣量J的標稱值；g代表未建模動態誤差及未知擾動等因素；u代表控制輸入量；i_q代表q軸電流，并作為控制輸入量，d(t)代表由電機參數變化和未建模動態誤差等內外擾動引起的總擾動；

將電機系統的總擾動擴展為新的狀態變量，取新的狀態變量分別為z₁、z₂，構建新的狀態空間方程，其表達式如式(3)所示：

式中，y為輸出變量，和分別為z₁和z₂的一階導數，為d(t)的一階導數，u代表控制輸入量，b₀為一個常數，它的值為ψ_f0代表轉子永磁體磁鏈ψ_f的標稱值，J₀代表轉動慣量J的標稱值。

3.根據權利要求1所述的低速大轉矩永磁同步電機二自由度PI控制方法，其特征在于，所述步驟c利用擴張狀態觀測器觀測出總擾動，并對二自由度PI速度控制器的輸出進行補償，進一步提高系統的抗擾動性能具體包括：

擴張狀態觀測器的表達式為：

式中，和分別是狀態變量z₁和z₂的觀測值，和分別為和的一階導數，β₀₁和β₀₂為擴張狀態觀測器的增益，e是電機轉速的觀測值與實際值的差，fal(e,α,δ)是一個非線性函數，其表達式為：

式中，α為非線性函數fal(e,α,δ)的參數，δ為誤差閾值，sign為符號函數；

通過選擇觀測器增益β₀₁和β₀₂及參數α和δ，根據觀測出來的轉速和實際轉速z₁的差，對非線性函數fal(e,α,δ)進行積分，得到總擾動然后把觀測出的總擾動轉換為等效電流補償量，對速度環二自由度PI控制器輸出的轉矩電流給定值進行補償，補償由負載轉矩、電機參數變化和未建模動態誤差內外擾動對轉速的影響，進一步提高系統的抗擾動性能；

基于擴張狀態觀測器的低速大轉矩永磁同步電機二自由度PI控制的控制率為：

式中，為電機轉速的給定值，k_p為比例系數，k_i為積分系數，k_f為比例補償環節的系數，s為時域變量，u₀是二自由度PI控制器的輸出。