一种自恢复型永磁同步电机速控方法、装置、设备及介质

本发明涉及永磁同步电机控制，尤其涉及一种自恢复型永磁同步电机速控方法、装置、设备及介质。

背景技术：

1、永磁同步电机（pmsm）因其功率密度高、效率高、动态响应快等显著优点，在工业伺服驱动、电动汽车、机器人及高端制造装备等领域得到了广泛应用。

2、在现有的永磁同步电机高性能控制策略中，通常采用基于磁场定向控制（foc）的双闭环矢量控制结构。该结构由外环的速度环和内环的电流环组成。其中，速度环作为主导环，其核心任务是根据给定转速与实际转速之间的误差，通过比例-积分（pi）控制器计算出所需的q轴电流指令（即转矩电流），以实现对电机转速的精确控制。电流环则负责快速、准确地跟踪该电流指令，从而产生相应的电磁转矩。

3、尽管基于固定参数的pi控制器结构简单、易于实现，但在面对复杂多变的工况时，其控制性能存在明显局限。为了提升系统的动态响应和抗扰动能力，现有技术中涌现出多种改进方案，主要可分为以下几类：

4、1.参数自适应类方法：例如模糊自适应pi控制、神经网络pi控制等。这类方法通过在线监测速度误差及其变化率，实时调整pi控制器的比例和积分增益，以期在不同运行点都能获得较优的控制效果。

5、2.结构切换类方法：例如变结构控制（滑模控制）、分阶段控制等。这类方法预先设定不同的运行区域或控制阶段（如启动阶段、稳态阶段），并为每个阶段配置不同的控制参数或控制律，在满足特定条件时进行切换。

6、3.扰动补偿类方法：例如基于扰动观测器（dob）或自抗扰控制（adrc）的方案。这类方法通过构建观测器来实时估计系统内外的总扰动（如负载突变、参数摄动），并将估计值前馈补偿到控制量中，以抵消扰动的影响。

7、然而，上述现有技术在应对负载扰动，特别是未知强度的突变负载时，仍存在以下不足：

8、1.对预设工况依赖性强：参数自适应和结构切换类方法，其性能高度依赖于预设的规则、函数或切换阈值。这些参数通常需要通过大量实验进行整定，难以兼顾所有工况。当遇到的负载扰动强度超出预设范围时，控制器可能无法做出及时、恰当的响应，导致转速跌落过大或恢复时间过长。

9、2.扰动恢复过程不平滑：结构切换类方法在不同控制模式间切换时，若处理不当，容易引起控制量的跳变，导致转矩脉动和机械冲击。而扰动补偿类方法虽然能有效抑制扰动，但其性能受制于观测器的精度和带宽，且引入了额外的计算负担和参数整定复杂度。

10、3.缺乏对误差持续性的综合考量：大多数传统方法主要依据当前时刻的速度误差或其变化率来调整控制作用，忽略了误差持续存在所累积的“能量”或“严重程度”。这导致控制器难以区分“瞬时的小波动”和“持续的大偏差”，无法实现根据扰动严重性进行分级、连续的精准补偿。

11、4.启动与稳态过程协调性差：电机启动阶段存在固有的大误差，若直接将抗扰动增强环节投入，极易将此大误差误判为严重负载扰动，从而输出过大的补偿电流，造成严重的转速超调。现有技术中，启动过程与稳态抗扰过程的衔接往往不够平滑，难以同时兼顾快速启动和无超调、强抗扰的性能要求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自恢复型永磁同步电机速控方法、装置、设备及介质，以改善上述问题。

2、本发明提供了一种自恢复型永磁同步电机速控方法，包括：

3、s1，误差计算与归一化。控制器读取给定转速和实际转速，按照下式计算归一化速度误差：

4、

5、式中，为第个控制周期的归一化速度误差，无量纲；为给定机械转速，单位为rpm；为实际机械转速，单位为rpm；为基准转速，单位为rpm。

6、s2，执行启动阶段基础控制并进行稳态识别。本步骤仅在稳态识别标志，即控制器判定电机尚未达到稳态、仍处于启动阶段时执行；当稳态识别标志1时，表示电机已满足稳态识别条件，不再执行本步骤。当电机处于启动阶段时，仅启用启动pi控制器。启动阶段的q轴电流给定按照下式计算：

7、

8、式中，为启动pi控制器计算得到的未限幅q轴电流，单位为a；和分别为启动pi控制器的比例增益和积分增益；为上一控制周期的启动pi控制器积分状态，该积分状态按照下式更新：

9、

10、式中，为第个控制周期的启动pi控制器积分状态；为控制周期；为上一控制周期参与积分更新的速度误差；为启动阶段反计算抗饱和系数；为上一控制周期经限幅后实际输出的q轴电流给定；为饱和函数，表示将变量限制在区间内；为启动pi控制器积分状态的最大允许绝对值，其余符号含义与前述相同。

11、

12、式中，为启动阶段实际送入q轴电流内环的电流给定，单位为a；为允许的q轴电流最大幅值。启动阶段关闭自恢复增强，避免把给定转速阶跃造成的大误差误认为外部负载扰动。

13、控制器同时根据步骤s1所得归一化速度误差判断电机是否达到稳态。当归一化速度误差连续小于预设的稳态识别误差阈值，并持续达到预设的稳态保持时间时，控制器判定电机已达到稳态，并将稳态识别标志由启动状态切换为稳态状态。预设稳态保持时间可以避免因转速短暂进入误差范围而发生误判。

14、当误差尚未连续满足稳态识别条件时，控制器保持稳态识别标志，将启动pi控制器计算得到的输出至q轴电流内环，并在下一控制周期返回步骤s1重新读取转速。此时不执行步骤s3至步骤s8。当误差连续满足稳态识别条件时，将稳态识别标志由0置为1，并进入步骤s3。当控制器在某一控制周期开始时已经满足稳态识别标志1时，便不再执行本步骤。

15、s3，执行启动阶段向自恢复的稳态阶段的无扰切换。本步骤仅在稳态识别标志由0变为1的上升沿执行一次。当稳态识别标志由0变为1时，根据上一控制周期实际输出的q轴电流给定，按照下式计算稳态pi控制器的匹配积分状态：

16、

17、式中，为切换到自恢复的稳态控制时的匹配积分状态；为上一控制周期启动控制器实际输出的q轴电流给定；和分别为稳态pi控制器的比例增益和积分增益；为切换时的恢复电流。由于启动阶段恢复电流被关闭，因此切换时通常有=0。

18、

19、上式表示切换后的比例电流、积分电流和恢复电流之和，与切换前上一周期的实际q轴电流给定相等。由此，启动pi控制器退出、自恢复的稳态控制投入时，总q轴电流给定保持连续，减少电流跳变和转矩尖峰。完成无扰切换后，控制器进入步骤s4，稳态识别标志在后续控制周期中保持为1。此后控制器不再重复计算匹配积分状态，而是在每个控制周期完成步骤s1后直接进入步骤s4。

20、s4，构造综合驱动能量。本步骤仅在稳态识别标志1时执行。在稳态识别标志首次由0变为1的控制周期中，承接步骤s3执行；在后续稳态控制周期中，控制器完成步骤s1的速度误差计算后，跳过步骤s2和步骤s3，直接进入本步骤。首先设置误差死区，按照下式计算有效误差：

21、

22、式中，为扣除误差死区后的有效误差；为误差死区；表示取与中的较大值，表示绝对值。若速度误差小于死区，则=0，以降低稳态转速微小波动及测量噪声引起q轴恢复电流的频繁变化，从而减小控制电流波动。

23、随后，按照下式计算瞬时误差能量：

24、

25、式中，为瞬时误差能量，用于反映当前控制周期的误差大小。平方运算使正、负速度误差均转换为非负的误差强度。

26、再按照下式计算带遗忘因子的累积误差能量：

27、

28、式中，为当前控制周期的累积误差能量；为上一控制周期的累积误差能量；为遗忘系数；为控制周期。若误差持续存在，累积误差能量逐步增大；误差消失后，历史累积量逐渐衰减。

29、最后，将瞬时误差能量与累积误差能量组合，得到综合驱动能量：

30、

31、式中，为综合驱动能量，是步骤s5计算恢复因子的统一输入；为累积误差能量权重。

32、s5，根据综合驱动能量生成连续恢复因子和超限恢复因子。连续恢复因子按照下式计算：

33、

34、式中，为连续恢复因子，取值范围为0至1；为尺度系数；为误差能量包络；为防止分母为零而设置的微小正数。随综合驱动能量平滑增大，主要用于小、中等扰动。

35、超限恢复因子按照下式计算：

36、

37、式中，为超限恢复因子；为其最大允许值。当≤时，=0；当综合驱动能量超过包络时，随超限程度增大，主要用于较大负载扰动。

38、s6，根据步骤s5所得恢复因子和步骤s1所得速度误差方向，生成附加q轴恢复电流。首先计算统一能量增益：

39、

40、式中，为统一能量增益；和分别为连续恢复因子和超限恢复因子对应的增益。

41、再按照下式生成附加q轴恢复电流：

42、

43、式中，为附加q轴恢复电流，单位为a；为误差灵敏度参数；为双曲正切函数；为恢复电流最大幅值。由于双曲正切函数与速度误差同号，因此恢复电流方向始终与纠正速度误差所需的电磁转矩方向一致。

44、s7，在恢复电流衰减时进行状态转移，并在小误差尾段提高积分速度。其一，当恢复电流前后两个周期未变号、当前恢复电流幅值小于上一周期、恢复方向仍与当前速度误差一致且总输出未接近电流限幅时，计算恢复电流转移量：

45、

46、式中，和分别为恢复电流转移比例开始变化和完成变化时的归一化速度误差阈值，为根据误差大小得到的归一化转移变量，用于平滑调整恢复电流向稳态pi控制器积分状态的转移比例。

47、

48、式中，为平滑过渡函数，用于避免转移比例突然变化。

49、

50、式中，为当前控制周期的有效转移比例；和分别为转移比例的最小值和最大值。

51、

52、式中，为从恢复电流转移到稳态pi控制器积分状态的等效电流量，单位为a；为上一周期恢复电流。只有恢复电流正在同方向衰减时，括号内的差值才表示恢复电流的退出量。

53、

54、式中，为完成状态转移后的稳态pi控制器积分状态；为上一周期积分状态；为积分状态限幅。该式使稳态pi控制器积分电流增加约，从而接替正在退出的恢复电流，降低二次跌落。

55、其二，对误差绝对值进行低通滤波并构造尾段增强窗口：

56、

57、式中，为低通滤波系数；为滤波时间常数。

58、

59、式中，为当前控制周期滤波后的速度误差绝对值，为上一控制周期滤波后的速度误差绝对值。用于减弱转速微小波动对尾段积分增强系数的影响，避免控制电流在稳态附近频繁波动。

60、

61、式中，为小误差开启变量；和为尾段增强由关闭状态平滑进入开启状态的误差阈值；当滤波误差进入尾段增强范围时，其值逐渐增大到1。

62、

63、式中，为小误差开启系数，用于使尾段增强平滑投入。

64、

65、式中，为大误差关闭变量；和为尾段增强由开启状态平滑进入关闭状态的误差阈值；当误差过大时，其值逐渐增大到1。

66、

67、式中，为大误差关闭系数，用于在大扰动阶段逐步关闭尾段增强。

68、

69、式中，为最终尾段增强系数。只有误差处于预设的小误差范围时，该系数才接近1；误差过小、过大、发生变号或输出接近限幅时将其关闭。

70、

71、式中，为积分加速因子；、和分别为连续恢复、超限恢复和尾段增强对积分速度的权重；为其上限。

72、s8，将稳态pi控制器输出与附加恢复电流合成，形成最终q轴电流给定，并更新稳态pi控制器积分状态。稳态pi控制器输出按照下式计算：

73、

74、式中，为稳态pi控制器输出的q轴电流，单位为a；为步骤s7处理后的积分状态。

75、

76、式中，为未限幅总q轴电流给定。稳态pi控制器部分负责正常速度跟踪和稳态负载电流，恢复电流部分负责负载扰动初期的快速恢复。

77、

78、式中，为送入q轴电流内环的最终电流给定；统一限幅用于防止稳态pi控制器与恢复电流叠加后超过电机或逆变器允许电流。

79、

80、式中，为当前周期更新后的稳态pi控制器积分状态；为反计算抗饱和系数；为限幅前后电流之差。当总电流被限幅时，反计算项使积分状态向减小饱和程度的方向调整。步骤s8输出的经q轴电流内环作用于永磁同步电机。下一控制周期返回步骤s1，重新读取实际转速并计算归一化速度误差。随后重新判断稳态识别标志的状态：若稳态识别标志=0，进入步骤s2执行启动控制；若稳态识别标志=1，则跳过启动pi控制器控制；其中，仅在稳态识别标志产生上升沿时执行一次步骤s3，其他稳态控制周期均直接进入步骤s4，并继续执行步骤s4至步骤s8。

81、本发明还提供一种自恢复型永磁同步电机速控装置，包括：

82、误差计算单元，用于读取永磁同步电机的给定机械转速和实际机械转速，计算归一化速度误差；

83、稳态识别单元，用于基于所述归一化速度误差进行启动阶段基础控制并进行稳态识别，当所述归一化速度误差大于或等于预设的稳态识别误差阈值时，判定处于启动阶段，仅启用启动pi控制器进行控制，并在下一控制周期返回误差计算单元；当所述归一化速度误差小于所述预设的稳态识别误差阈值时，判定达到稳态；

84、无扰切换单元，用于当判定达到稳态时，计算稳态pi控制器的匹配积分状态，使得切换后比例电流、积分电流与恢复电流之和等于上一控制周期实际输出的q轴电流给定，完成无扰切换；

85、综合驱动能量构造单元，用于设置误差死区并计算有效误差，基于所述有效误差计算瞬时误差能量和带遗忘因子的累积误差能量，将所述瞬时误差能量与累积误差能量组合得到综合驱动能量；

86、恢复因子生成单元，用于根据所述综合驱动能量生成连续恢复因子和超限恢复因子；

87、恢复电流生成单元，用于将所述连续恢复因子与超限恢复因子相加得到统一能量增益，根据统一能量增益得到附加q轴恢复电流；

88、尾段增强单元，用于当所述附加q轴恢复电流衰减时，计算附加q轴恢复电流转移量并更新稳态pi控制器的积分状态；对速度误差绝对值进行低通滤波，并根据滤波结果构造尾段增强系数，对所述稳态pi控制器的积分状态进行增强；

89、电流输出单元，用于将所述稳态pi控制器输出的q轴电流与所述附加q轴恢复电流合成，形成最终q轴电流给定，更新所述稳态pi控制器的积分状态，并在下一控制周期返回误差计算单元后直接进入综合驱动能量构造单元。

90、本发明还提供一种自恢复型永磁同步电机速控设备，包括存储器以及处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如上所述的自恢复型永磁同步电机速控方法。

91、本发明还提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述计算机可读存储介质所在设备的处理器执行，以实现如上述的自恢复型永磁同步电机速控方法。

92、与现有技术相比，本发明至少具有以下几个方面的优点：

93、1.本发明通过构造综合驱动能量并对其进行归一化处理，将速度误差的幅值信息与其持续时间信息融合为一个统一的能量指标，以此作为生成恢复电流的依据。该机制使得控制器能够根据扰动的严重程度进行分级、连续的精准补偿：对于轻微的速度波动，系统通过连续恢复因子提供线性、平滑的小幅补偿；对于严重的负载突变，系统通过超限恢复因子提供非线性的强力补偿。两种模式叠加协同，既保证了小幅扰动下的运行平稳性，又确保了大幅扰动下的快速恢复能力，从根本上克服了传统pi控制器固定参数无法兼顾不同强度扰动的局限。同时，由于引入了能量约束上限，恢复电流的输出被限制在安全范围内，有效避免了过补偿导致的系统失稳问题。

94、2.本发明通过设置启动阶段的智能锁定机制与无扰切换策略，有效解决了抗扰动增强环节在启动过程中误动作的问题。在电机启动阶段，系统自动锁定自恢复增强功能，仅依靠启动pi控制器完成加速过程，避免了因启动固有大误差而触发过度补偿所导致的转速超调。当电机进入稳态运行后，系统通过计算切换瞬间的积分补偿量，实现启动pi控制器与稳态pi控制器之间的平滑交接，确保切换过程中电流指令不产生突变，从而兼顾了快速启动、无超调与强抗扰的多重性能需求。

95、3.本发明在恢复电流衰减阶段引入了积分项无缝交接机制与尾段积分增强策略。当附加恢复电流逐渐退出时，系统同步调整稳态pi控制器的积分项以填补补偿空缺，确保总控制量连续过渡，从根本上消除了传统方法中因补偿力突然撤除而导致的转速二次跌落现象。同时，在速度接近目标值的尾段，系统自动增强积分作用，加速消除残余误差，进一步缩短了调节时间。此外，综合驱动能量经过归一化处理后落在统一的数值区间内，使得同一套控制参数可适用于不同功率等级和规格型号的永磁同步电机，显著提升了算法的通用性和工程可移植性。