基于降维观测器的电机调速控制方法与流程

1.本发明涉及永磁同步电机调速控制技术领域，尤其涉及一种基于降维观测器的电机调速控制方法。


背景技术：

2.液体发动机作为航空航天飞行器的核心部件，正在向多电和全电方向发展。供油系统作为发动机系统的核心部分，其性能对于发动机的高效工作尤为重要。应用于高性能飞行器的发动机具有效率高、响应快等特点，而燃油流量对发动机的工作状态有着最为直接的影响，因此高性能发动机对供油系统提出了高控制精度和强抗扰等严苛要求。作为多电发动机供油系统燃油流量调节的核心部件，电动燃油泵的调速性能对供油系统有着至关重要的影响。采用传统控制方法的电动燃油泵调速系统已经不能满足现阶段高性能发动机的发展需求。
3.电动燃油泵通过电动机带动泵头旋转实现燃油流量控制，作为电动燃油泵系统的核心动力部件，永磁同步电机以其高功率密度、高效率、高精度和低转矩脉动等优点被广泛应用于航空航天等领域，而永磁同步电机的驱动控制性能直接关系到电动燃油泵调速系统的动态品质。针对高性能电动燃油泵调速系统的设计需求，基于传统pid算法的永磁同步电机励磁解耦矢量控制策略已经不能满足高精度和强抗扰的调速控制要求，因此，寻求一种高精度且强抗扰的永磁同步电机调速控制策略显得尤为重要。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于降维观测器的电机调速控制方法，能够解决现有技术中传统的永磁同步电机控制方法无法满足高精度和强抗扰的调速控制要求的技术问题。
5.本发明提供了一种基于降维观测器的电机调速控制方法，该基于降维观测器的电机调速控制方法包括：构建电流环，获取电流环pi控制器比例系数和电流环积分系数；根据电流环构建速度环，获取速度环比例系数及速度环积分系数；构建降维转矩观测器，获取负载转矩和转矩观测器系数，将负载转矩乘以转矩观测器系数后反馈至电流环的输入以完成基于降维观测器的电机调速控制。
6.进一步地，电流环的开环传递函数为其中，r
s
为电机定子电阻，l
s
为电机定子电感，k
u
为pwm放大器增益，k
ii
为电流环积分系数，k
pi
为电流环pi控制器比例系数，s为微分算子。
7.进一步地，电流环的闭环传递函数为其中，a1＝r
s
/l
s
，a2＝k
u
k
fi
/l
s
，k
fi
为电流反馈系数。
8.进一步地，基于降维观测器的电机调速控制方法根据a1＝r
s
/l
s
、a2＝k
u
k
fi
/l
s
和
获取电流环pi控制器比例系数和电流环积分系数，其中，ω
n
为系统自由振荡频率，ε为阻尼比，ω
b
为电流环带宽。
9.进一步地，速度环调节器传递函数为其中，k
pv
为速度环比例系数，k
iv
为速度环积分系数，k
p
＝k
iv
，t1＝k
pv
/k
iv
。
10.进一步地，速度环的开环传递函数为其中，j为转动部分的转动惯量，k
t
为电机力矩系数，k为稳定裕度，t2为电流环等效降阶后的时间常数。
11.进一步地，基于降维观测器的电机调速控制方法根据的二阶传递函数降阶获取电流环等效降阶后的时间常数t2，根据t2、ω1＝1/t1、k＝ω1ω
c
、t1＝k
pv
/k
iv
和可获取速度环比例系数及速度环积分系数，其中，ω
c
为速度环截止频率，γ
max
为速度环系统相角裕度极值，h为中频带宽。
12.进一步地，基于降维观测器的电机调速控制方法根据构建降维转矩观测器，其中，ω
r
为电机转速，t
e
为永磁同步电机的电磁转矩，t
e
＝c
t
φi
q
，c
t
为电机的转矩常数，φ为电机主磁链，i
q
为转矩电流，k1和k2为转矩观测器系数，t
l
为电机的负载转矩，由降维转矩观测器观测获取。
13.进一步地，基于降维观测器的电机调速控制方法根据s2‑
(α β)s αβ＝0和获取转矩观测器系数k1和k2，其中，α和β为极点，极点α和β根据电流环截止频率和速度环截止频率估算，f为电机的摩擦系数。
14.应用本发明的技术方案，提供了一种基于降维观测器的电机调速控制方法，该基
于降维观测器的电机调速控制方法通过构建基于降维观测器的负载转矩和负载转速的观测模块，以及基于观测转矩补偿的电流环和转速环双闭环的永磁同步电机矢量控制模块，能够实现高精度和强抗扰永磁同步电机的调速控制，提高了电动燃油泵系统的动态特性、控制精度及抗扰动能力，进而达到提高发动机动态控制品质与综合能效的效果。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中传统的永磁同步电机控制方法无法满足高精度和强抗扰的调速控制要求的技术问题。
附图说明
15.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1示出了根据本发明的具体实施例提供的基于降维观测器的电机调速控制方法的流程示意图；
17.图2示出了根据本发明的具体实施例提供的降维观测器的结构示意图；
18.图3示出了根据本发明的具体实施例提供的降维观测器的控制框图示意图；
19.图4示出了根据本发明的具体实施例提供的永磁同步电机的简化数学模型示意图；
20.图5示出了根据本发明的具体实施例提供的电流环的结构框图的示意图；
21.图6示出了根据本发明的具体实施例提供的速度环的结构框图的示意图；
22.图7示出了根据本发明的具体实施例提供的速度环的开环对数频率特性图；
23.图8示出了根据本发明的具体实施例提供的基于降维观测器的电机调速控制示意图；
24.图9示出了根据本发明的具体实施例提供的电机2000rpm启动转速的对比图。
具体实施方式
25.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
27.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方
法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
28.如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种基于降维观测器的电机调速控制方法，该基于降维观测器的电机调速控制方法包括：构建电流环，获取电流环pi控制器比例系数和电流环积分系数；根据电流环构建速度环，获取速度环比例系数及速度环积分系数；构建降维转矩观测器，获取负载转矩和转矩观测器系数，将负载转矩乘以转矩观测器系数后反馈至电流环输入以完成基于降维观测器的电机调速控制。
29.应用此种配置方式，提供了一种基于降维观测器的电机调速控制方法，该基于降维观测器的电机调速控制方法通过构建基于降维观测器的负载转矩和负载转速的观测模块，以及基于观测转矩补偿的电流环和转速环双闭环的永磁同步电机矢量控制模块，能够实现高精度和强抗扰永磁同步电机的调速控制，提高了电动燃油泵系统的动态特性、控制精度及抗扰动能力，进而达到提高发动机动态控制品质与综合能效的效果。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中传统的永磁同步电机控制方法无法满足高精度和强抗扰的调速控制要求的技术问题。
30.在本领域，永磁同步电机的机械特征方程为
[0031][0032]
其中，t
e
为永磁同步电机的电磁转矩，t
e
＝c
t
φi
q
，c
t
为电机的转矩常数，φ为电机主磁链，i
q
为转矩电流，t
l
为电机的负载转矩，j为转动部分的转动惯量，ω
r
为电机转速，f为电机的摩擦系数，t为时间。
[0033]
由电机的机械特征方程可知，由磁链及转矩电流产生的电磁转矩是电机转子转动的驱动转矩，负载转矩为制动转矩，电磁转矩克服负载转矩及摩擦转矩后使得电机转子产生加速及减速过程。通常电机的负载转矩是一个未知量，随着外界负载的变化而变化，在进行电机控制时，无法考虑到外部负载的变化，因此其控制时效呈现出滞后性。尤其对于燃油调速系统用永磁同步电机，其负载受飞行器高度、速度、外界气压、温度等多种因素影响，变化规律极为复杂，难以进行线性估算，调速系统只能被动响应负载转矩的变化，当负载转矩发生变化时，若电磁转矩保持不变，此时由机械特征方程可知，电机的转速就会产生波动，波动大小与负载变化速率直接相关，因此在负载变化(即外部负载存在扰动)的情况下，保持电机的转速控制精度较为困难。
[0034]
为降低电机负载扰动对电机转速控制精度的影响，提高电机的抗负载扰动能力，进而提高电机的转速控制精度，需对电机的负载转矩进行观测，将观测值反馈至电机电磁转矩控制回路中，从而降低负载转矩变化对转速精度的影响。基于上述电机的机械特征方程，本发明提出了一种基于降维观测器的电机调速控制方法。
[0035]
设被估系统为n维线性定常系统，其状态方程为
[0036]
[0037]
其中，a、b和c分别为n
×
n、n
×
r和m
×
n阶实矩阵，且假设(a,c)能观测，c为满秩矩阵。x为系统实际输出，y为输出超前观测值，u为系统输入。
[0038]
令任取(n
‑
m)
×
n阶常阵r，使得n
×
n阶矩阵q非奇异，则有其中，和分别为m
×
m、m
×
(n
‑
m)、(n
‑
m)
×
m和(n
‑
m)
×
(n
‑
m)阶矩阵，b1和b2分别为m
×
r和(n
‑
m)
×
r阶矩阵，i
m
为m阶单位矩阵。由以上可知在线性非奇异变换下，被估计系统代数等价于以下系统
[0039][0040]
其中，和分别为m和(n
‑
m)维分状态。由上式可以看出，对于变换后的状态其分状态即为系统的输出y，可以直接利用，而需要重构的为(n
‑
m)维分状态故仅需一个(n
‑
m)维的状态观测器就能达到重构的目的。
[0041]
由上式可导出令则可写为
[0042][0043]
其中，为(n
‑
m)阶子系统，为状态矩阵，为输出矩阵。
[0044]
通过前面推导得出降维观测器的构造方法如下：根据所推导出的(n
‑
m)阶子系统的状态方程，构造(n
‑
m)阶模拟系统；将模拟系统的输出与观测器的输出作差，并把差值经过负反馈阵k
e
反馈到端，目的是使两个输出的差值尽快趋近于0，从而达到趋近于的目的。根据上述内容构造降维状态观测器结构如图2所示。
[0045]
由此可推出降维状态观测器的状态方程为
[0046][0047]
考虑到控制算法的采样速率足够高，在采样周期内可以认为负载转矩为恒定值，即dt
l
/dt＝0。再根据永磁同步电机的机械特征方程及降维状态观测器的状态方程可推导出永磁同步电机负载转矩观测器的状态方程为
[0048]
[0049]
其中，u＝t
e
，由此永磁同步电机负载转矩观测器的状态方程可写为
[0050][0051]
则永磁同步电机降维负载转矩观测器的特征方程为
[0052][0053]
其中，s为微分算子，i为电磁力矩电流值。
[0054]
通过极点的配置可以确定一个合适的k
e
，使趋近的速度满足一定的要求。假设期望出现的极点为α和β，那么目标特征方程为
[0055]
s2‑
(α β)s αβ＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0056]
则由上式与永磁同步电机降维负载转矩观测器的特征方程可得
[0057][0058]
其中，k1和k2为转矩观测器系数，摩擦系数f忽略不计，则由上式可得
[0059][0060]
根据上式可构建出降维负载转矩观测器控制框图如图3所示，其中k
t
为永磁同步电机的电磁转矩系数。以系统转速与q轴电流作为观测器的输入，经过解算便能观测出转速与负载转矩。
[0061]
降维转矩观测器观测出的负载转矩乘以一定系数后作为电流环输入的补偿量并参与控制，使得外部负载发生变化时，电机控制系统通过转矩补偿控制量改变电流环输入，达到抑制负载变化的作用。
[0062]
由上述推导可知，在本发明中，为了实现基于降维观测器的电机调速控制，首先构建电流环，获取电流环pi控制器比例系数和电流环积分系数。
[0063]
电流环的设计采用简化的永磁同步电机模型，如图4所示。图中r
s
为电机定子电阻，l
s
为电机定子电感，两者可由电机手册查询获取。电机简化模型为典型的一阶系统，存在极点，具有惯性，有延迟效应，为了加快系统响应减少延迟，设计电流环调节器为pi调节器，电流环的结构框图如图5所示，其中，k
pi
和k
ii
分别为电流环pi控制器比例系数和积分系数，k
u
为pwm放大器增益，通常为电机控制器直流母线电压，可由设计者根据实际电压确定，k
fi
为电流反馈系数，通常为电机相电流最大值的倒数，该值由电机手册查询可知，i
rin
为电流环输入，i
out
为电流环输出，i
fb
为电流反馈。由于电磁回路的电磁时间常数要比机电时间常数小得多，因此电流环调节过程中，可以认为反电动势基本不变，于是可得到电流环开环传递函数为
[0064][0065]
由图5可知电流闭环调节器即电流环的pi调节器与电机简化模型组合，通过设计合适的k
pi
和k
ii
系数就可以消除电机模型中的极点，达到电机电流环控制的最优响应。由于电流环的存在，能够有效的抑制电流尖峰，提高系统的控制精度和稳定性，并且对各种扰动具有很强的抑制作用。
[0066]
取k
fi
为电流控制器输入最大值与电机最大电流的比值，在进行系统控制参数设计时进行归一化处理，使得电流环控制器的输入为1，则k
fi
即为电机电流最大值的倒数，设a1＝r
s
/l
s
，a2＝k
u
k
fi
/l
s
，得到电流环闭环传递函数
[0067][0068]
系统自由振荡频率为ω
n
，阻尼比为ε，设电流环带宽为ω
b
，于是可得到
[0069][0070]
电流环的重要作用是跟随电流给定，超调量越小越好，响应越快越好，因此阻尼比可选为ε＝0.707。在参数设计时，通常根据电机电流交变频率确定电流环带宽ω
b
，ω
b
应大于电机电流最大交变频率。根据公式(14)即可求出电流环pi控制器比例系数k
pi
和电流环积分系数k
ii
，完成电流环的构建。
[0071]
在本发明中，在完成电流环的构建后，根据电流环构建速度环，获取速度环比例系数及速度环积分系数。
[0072]
根据公式(13)的电流环校闭环传递函数，将其高阶环节近似降阶处理，这样就可以将电流环等效为一阶惯性环节。速度环系统包含了负载扰动，要实现转速无静差控制可将速度环控制器设计为pi控制器，将系统校正为典型ⅱ型系统，如图6所示。速度环调节器传递函数为
[0073][0074]
其中，k
p
＝k
iv
，k
iv
为速度环积分系数，t1＝k
pv
/k
iv
，k
pv
为速度环比例系数。图6中k
fv
为速度反馈系数，通常归一化处理时该值为电机的最高转速的倒数，可由电机手册查询获取，k
t
为电机力矩系数，j为转动部分的转动惯量，t2为电流环等效降阶后的时间常数，可由公式(13)中的二阶传递函数降阶求得。
[0075]
由图6可得速度环系统的开环传递函数为
[0076]
[0077]
其中，k
t
为电机力矩系数，可由电机手册查询获取。由上可得速度环系统的开环对数频率特性如图7所示。为了使系统有较好的稳定性，设计t1＞t2，则转折频率分别为ω1＝1/t1、ω2＝1/t2，速度环截止频率为ω
c
，于是可求出系统的稳定裕度k为
[0078]
k＝ω1ω
c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0079]
相角裕度γ反映了系统的相对稳定性，相角裕度可根据公式(17)获取，
[0080]
γ＝arctanω
c
t1‑
arctanω
c
t2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0081]
根据工程中常用的最大相角裕度准则，可得速度环系统相角裕度取得极值γ
max
时的条件为
[0082][0083]
其中，h为中频带宽，可取为5。
[0084]
通过上述推导可知，根据电流环等效降阶后的时间常数t2和公式(19)可获取t1和电流环截止频率ω
c
，根据公式(17)可获取稳定裕度k，根据公式(16)和t1＝k
pv
/k
iv
可获取速度环比例系数k
pv
及速度环积分系数k
iv
以完成速度环的构建。
[0085]
在本发明中，在完成速度环的构建后，构建降维转矩观测器，获取负载转矩和转矩观测器系数，将负载转矩乘以转矩观测器系数后反馈至电流环输入以完成基于降维观测器的电机调速控制。
[0086]
如图8所示，基于降维观测器的电机调速控制流程中包含基于降维观测器的负载转矩和负载转速的观测模块，以及基于观测转矩补偿的电流环和转速环双闭环的永磁同步电机矢量控制模块。由上述推导可知，根据s2‑
(α β)s αβ＝0、和可获取转矩观测器系数k1和k2。极点α和β根据电流环截止频率和速度环截止频率估算，应大于速度环带宽而小于电流环带宽，通过适当调整α和β，使得计算出的k1和k2满足观测转速跟随实际转速即可。
[0087]
本发明的基于降维观测器的电机调速控制方法给出了一种永磁电机降维转矩观测方法，该方法只需对电机的电流及转速进行采集，即可实现对负载转矩的观测，减少了系统复杂度；本发明给出了基于观测转矩补偿的永磁同步电机转速、电流双闭环控制方法，该方法可实现对负载转矩的有效抑制，达到强抗扰效果；本发明还给出了基于电机参数的永磁同步电机电流环和速度环设计方法及参数计算方法，该方法可初步确定系统控制参数范围，有效提高了系统调试效率。本发明的技术方案能够提高电动燃油泵系统的动态特性、控制精度及抗扰动能力，进而达到提高发动机动态控制品质与综合能效的效果。
[0088]
为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图9对本发明的具体实施例进行详细说明。
[0089]
以某一电动燃油泵调速系统为例，进行基于降维观测器的高精和强抗扰永磁同步电机控制方法验证，并与传统pi控制方法、全维观测器控制方法及扩展滑膜控制方法的动特性及态抗负载扰动能力进行比较，结果如下。
[0090]
给定电机转速指令为2000rpm时转速响应曲线如图9所示，由图9中可知两种控制算法条件下的转速反馈均能实现快速的转速指令跟踪性能，响应时间均小于5ms。加入降维负载转矩补偿的改进pi控制器得到的转速反馈无超调，而传统pi控制得到的转速反馈超调约为100rpm。由此可见，相比传统pi控制器，基于降维观测器的调速控制方法不仅调节快速性好，转速跟踪稳定性也有明显优势。
[0091]
为研究负载补偿对系统抗扰性能的影响，并对比分析负载转矩观测器与传统pi控制方法间的差异，对变负载条件下电机调速跟踪性能进行试验对比分析。给定电机转速指令为1000rpm，当转速达到稳态时，在0.2s时刻，令电机负载转矩值由0n
·
m突增至10n
·
m；在0.3s时刻，令电机负载转矩值由10n
·
m突减至5n
·
m，得到变负载条件下的转速波动接入如表1所示。
[0092]
表1各抗负载算法转速波动对比表
[0093][0094]
由表1可知给定转速1000rpm时，对比传统pi控制，引入负载补偿后系统转速波动明显下降，响应时间明显提升。其中传统pi控制条件下系统转速波动最大，达到 140rpm与
‑
70rpm，并且响应时间最长，分别为80ms与45ms；加入降阶负载转矩观测值前馈补偿算法的系统转速波动值为 55rpm与
‑
25rpm，响应时间为30ms与20ms，响应时间短，响应快速。由上述分析可知，降阶负载转矩观测器响应时间短，快速性好，能够满足电动燃油泵应用中负载突变抗扰能力。
[0095]
综上所述，本发明提供了一种基于降维观测器的电机调速控制方法，该基于降维观测器的电机调速控制方法通过构建基于降维观测器的负载转矩和负载转速的观测模块，以及基于观测转矩补偿的电流环和转速环双闭环的永磁同步电机矢量控制模块，能够实现高精度和强抗扰永磁同步电机的调速控制，提高了电动燃油泵系统的动态特性、控制精度及抗扰动能力，进而达到提高发动机动态控制品质与综合能效的效果。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中传统的永磁同步电机控制方法无法满足高精度和强抗扰的调速控制要求的技术问题。
[0096]
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器
件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0097]
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0098]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。