用于表贴式永磁同步电机的转矩电流指令值的求取方法

1.本发明实施例涉及电机控制技术领域，尤其涉及用于表贴式永磁同步电机的转矩电流指令值的求取方法。


背景技术：

2.近年来，永磁同步电机高性能控制一直是研究的热点。永磁同步电机的控制方式主要采用双闭环控制，即速度外环以及电流内环控制，其控制器主要采用pi控制器，因此，pi控制器的参数整定成为了提升永磁同步电机控制性能的主要制约因素。
3.对于表贴式永磁同步电机控制而言，其速度控制器的输出为转矩电流指令，而转矩电流指令的响应速度是决定其能否满足各种应用需求的重要性能指标。速度控制器的性能主要依赖于pi参数，而pi参数又依赖于机械系统参数。因此，对于不同的机械系统而言，如果机械参数发生变化，则速度环pi参数就无法满足机械系统的性能要求。本发明旨在解决表贴式永磁同步电机速度控制器对于机械参数敏感性的问题。
4.需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因包括在本部分中就承认是现有技术。


技术实现要素：

5.本发明实施例的目的在于提供一种用于表贴式永磁同步电机的转矩电流指令值的求取方法，有效地提升转矩电流指令的响应速度以及机械参数变化的鲁棒性。
6.本发明的技术方案如下：
7.用于表贴式永磁同步电机的转矩电流指令值的求取方法，包括：
8.步骤1：根据系统的采样周期，分别得到k时刻和k-1时刻同步旋转坐标系下的q轴电流分量，k时刻、k-1时刻和k-2时刻的转子角速度；
9.步骤2：将k时刻转子角速度和k-1时刻转子角速度，代入带低通滤波器的微分跟踪器，得出δωm(k)，同理计算出δωm(k-1)；
10.步骤3：通过δωm(k)，δωm(k-1)以及k时刻和k-1时刻同步旋转坐标系下的q轴电流分量，计算得到转矩电流指令值
11.步骤4：将步骤3所得的转矩电流指令值代入一阶低通滤波器，得到转矩电流指令值
12.步骤5：系统进入下一个采样时刻，即再次进入步骤1，循环执行上述过程。
13.进一步地，上述步骤1具体如下：
14.根据系统的采样周期，分别得到k时刻同步旋转坐标系下的q轴电流分量iq(k)，k-1时刻同步旋转坐标系下的q轴电流分量iq(k-1)，k时刻转子角速度ωm(k)，k-1时刻转子角速度ωm(k-1)，k-2时刻转子角速度ωm(k-2)。
15.进一步地，上述步骤2具体如下：
16.将k时刻转子角速度ωm(k)和k-1时刻转子角速度ωm(k-1)，代入带低通滤波器的微分跟踪器，如式所示，得到δωm(k)；将k-1时刻转子角速度ωm(k-1)和k-2时刻转子角速度ωm(k-2)，代入带低通滤波器的微分跟踪器，得到δωm(k-1)；具体公式为：
[0017][0018][0019]
其中，t为采样周期，ωm(k)、ωm(k-1)、ωm(k-1)分别为k时刻、k-1时刻、k-2时刻的转子角速度。
[0020]
进一步地，上述步骤3具体如下：
[0021]
通过δωm(k)，δωm(k-1)以及k时刻同步旋转坐标系下的q轴电流分量iq(k)，k-1时刻同步旋转坐标系下的q轴电流分量iq(k-1)，计算出含有高频噪音的转矩电流指令值计算公式如下：
[0022][0023]
进一步地，上述步骤4具体如下：
[0024]
将含有高频噪音的转矩电流指令值代入一阶低通滤波器，得到转矩电流指令值计算公式如下：
[0025][0026]
其中，τ3为一阶低通滤波器的截止频率，s为拉普拉斯变换中的复频率。
[0027]
进一步地，上述τ3为10hz～50hz。
[0028]
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
[0029]
1)本发明提供的一种用于表贴式永磁同步电机的转矩电流指令值的求取方法，可以降低速度环控制器对机械系统参数的敏感度，其中所使用的一阶低通滤波器的截止频率也较容易选取，有利于实际工程使用。
[0030]
2)本发明提供的一种用于表贴式永磁同步电机的转矩电流指令值的求取方法，使用两组状态方程进行转矩电流的求解，运算简单，并对系统参数不敏感，可以配合或替代传统pi调节器，有效地提升转矩电流指令的响应速度以及机械参数变化的鲁棒性。
附图说明
[0031]
图1是本发明用于表贴式永磁同步电机的转矩电流指令值的求取方法的流程框图。
具体实施方式
[0032]
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结
构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
[0033]
此外，附图仅为本发明实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。
[0034]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细阐述。
[0035]
用于表贴式永磁同步电机的转矩电流指令值的求取方法，包括：
[0036]
步骤1：根据系统的采样周期，分别得到k时刻和k-1时刻同步旋转坐标系下的q轴电流分量iq(，k时刻、k-1时刻和k-2时刻的转子角速度；
[0037]
步骤2：将k时刻转子角速度和k-1时刻转子角速度，代入带低通滤波器的微分跟踪器，得出δωm(k)，同理计算出δωm(k-1)；
[0038]
具体公式为：
[0039][0040][0041]
其中，t为采样周期，ωm(k)、ωm(k-1)、ωm(k-1)分别为k时刻、k-1时刻、k-2时刻的转子角速度。
[0042]
步骤3：通过δωm(k)，δωm(k-1)以及k时刻和k-1时刻同步旋转坐标系下的q轴电流分量，计算得到转矩电流指令值计算公式如下：
[0043][0044]
步骤4：将步骤3所得的转矩电流指令值代入一阶低通滤波器，得到转矩电流指令值计算公式如下：
[0045][0046]
其中，τ3为一阶低通滤波器的截止频率。
[0047]
步骤5：系统进入下一个采样时刻，即再次进入步骤1，循环执行上述过程。
[0048]
由于速度环pi调节器参数的整定依赖于机械系统的惯量参数，如果是惯量不变系统，通过离线的方式可以得到准确的系统惯量，但例如机床主轴系统，不同工件的惯量并不一样，这种情况下，如果需要重新做惯量整定是不现实的，因此需要改变速度环控制器的结构，使其控制参数不依赖系统惯量。由于在稳态时，参考量与反馈量相同，此时p比例调节器起到微调作用，i积分调节器的输出基本为所需要的负载转矩电流。而pi参数整定时，i积分调节器的积分时间常数与惯量相关，因此系统运动方程以及电磁转矩方程表示如下：
[0049][0050][0051]
式中，te为电磁转矩，j为转动惯量，ld为d轴电感，lq为q轴电感，p
p
为电机极对数，
ωm为转子角速度，id为d轴电流，iq为q轴电流，ψ
pm
为永磁体磁链。
[0052]
对于表贴式永磁同步电机，由于ld≈lq，因此电磁转矩公式(1)简化为：
[0053][0054]
稳态下负载转矩t
l
等同于电磁转矩te，因此可以认为
[0055][0056]
将式离散化，可以得到：
[0057][0058]
式中，t为采样周期，ωm(k)和ωm(k-1)分别为k时刻、k-1时刻的转子角速度，te(k)和t
l
(k)分别为k时刻的电磁转矩和负载转矩。
[0059]
由于j、t
l
(k)为未知量，ωm(k)、te(k)为已知量，因此根据两个时刻下离散的机械运动方程便可以解出t
l
(k)。
[0060][0061]
式中，ωm(k-2)为k-2时刻的转子角速度，te(k-1)和t
l
(k-1)分别为k-1时刻的电磁转矩和负载转矩。
[0062]
化简方程组式，可以得到：
[0063][0064]
式中，对于表贴式永磁同步电机，由于负载转矩与转矩电流指令值i
q*
成正比，即电磁转矩与实际转矩电流iq成正比，即te(k)
∝iq
，令所以将式(7)化简，最终得到含有高频噪音的转矩电流指令值为：
[0065][0066]
在自抗扰控制中，使用跟踪微分器安排过渡过程，可使输入信号突变部分变得平滑，缓解了pid控制技术中的快速性与超调之间的矛盾，同时也可提取输入信号的微分信号，解决了实际工程中微分信号难以提取的问题，避免噪声放大。因此本发明使用微分跟踪器来避免微分的噪音放大问题。该微分跟踪器使用两个低通滤波器，并求其差值来近似得到微分值。由于低通滤波器的引入，将高频噪音信号衰减，因此微分中的误差项也就随之衰减。但同时由于低通滤波器的引入，在加减载的动态过程中转速的变化非常剧烈，因此低通
滤波器的截止频率选择非常重要，过低的截止频率会使得速度响应变慢，考虑到动态特性，跟踪微分器中的低通滤波器选择较高的截止频率。跟踪微分器的频域表达式为：
[0067][0068]
式中，τ2、τ1分别为跟踪微分器中的两个一阶低通滤波器的截止频率，选取范围为100hz～500hz。
[0069]
由于跟踪微分器使用较高的截止频率，只是滤除了部分高频噪音，因此，需要再使用低通滤波器对式的计算值再进行滤波，选择较低的截止频率进一步滤除高频噪音。根据一般机械系统响应的要求，可以将低通滤波器的截止频率选取在10hz～50hz。该低通滤波器表示为式由此得到最终的转矩电流指令值
[0070][0071]
式中，τ3为一阶低通滤波器的截止频率。
[0072]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
[0073]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本技术旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

技术特征：
1.用于表贴式永磁同步电机的转矩电流指令值的求取方法，其特征在于，包括：步骤1：根据系统的采样周期，分别得到k时刻和k-1时刻同步旋转坐标系下的q轴电流分量，k时刻、k-1时刻和k-2时刻的转子角速度；步骤2：将k时刻转子角速度和k-1时刻转子角速度，代入带低通滤波器的微分跟踪器，得出δω
m
(k)，同理计算出δω
m
(k-1)；步骤3：通过δω
m
(k)，δω
m
(k-1)以及k时刻和k-1时刻同步旋转坐标系下的q轴电流分量，计算得到转矩电流指令值步骤4：将步骤3所得的转矩电流指令值代入一阶低通滤波器，得到转矩电流指令值步骤5：系统进入下一个采样时刻，即再次进入步骤1，循环执行上述过程。2.根据权利要求1所述的用于表贴式永磁同步电机的转矩电流指令值的求取方法，其特征在于，所述步骤1具体如下：根据系统的采样周期，分别得到k时刻同步旋转坐标系下的q轴电流分量i
q
(k)，k-1时刻同步旋转坐标系下的q轴电流分量i
q
(k-1)，k时刻转子角速度ω
m
(k)，k-1时刻转子角速度ω
m
(k-1)，k-2时刻转子角速度ω
m
(k-2)。3.根据权利要求1所述的用于表贴式永磁同步电机的转矩电流指令值的求取方法，其特征在于，所述步骤2具体如下：将k时刻转子角速度ω
m
(k)和k-1时刻转子角速度ω
m
(k-1)，代入带低通滤波器的微分跟踪器，如式所示，得到δω
m
(k)；将k-1时刻转子角速度ω
m
(k-1)和k-2时刻转子角速度ω
m
(k-2)，代入带低通滤波器的微分跟踪器，得到δω
m
(k-1)；具体公式为：1)；具体公式为：其中，t为采样周期，ω
m
(k)、ω
m
(k-1)、ω
m
(k-1)分别为k时刻、k-1时刻、k-2时刻的转子角速度。4.根据权利要求1所述的用于表贴式永磁同步电机的转矩电流指令值的求取方法，其特征在于，所述步骤3具体如下：通过δω
m
(k)，δω
m
(k-1)以及k时刻同步旋转坐标系下的q轴电流分量i
q
(k)，k-1时刻同步旋转坐标系下的q轴电流分量i
q
(k-1)，计算出含有高频噪音的转矩电流指令值计算公式如下：5.根据权利要求1所述的用于表贴式永磁同步电机的转矩电流指令值的求取方法，其特征在于，所述步骤4具体如下：将含有高频噪音的转矩电流指令值代入一阶低通滤波器，得到转矩电流指令值计算公式如下：
其中，τ3为一阶低通滤波器的截止频率，s为拉普拉斯变换中的复频率。6.根据权利要求5所述的用于表贴式永磁同步电机的转矩电流指令值的求取方法，其特征在于，所述τ3为10hz～50hz。

技术总结
本发明实施例是关于一种用于表贴式永磁同步电机的转矩电流指令值的求取方法，首先列写系统机械运动方程以及电磁转矩方程，对于表贴式永磁同步电机，将电磁转矩方程进行简化以及稳态时与负载转矩等效，从而得到离散的机械运动方程，在此基础上利用跟踪微分器得到近似的微分值，从而得到含有高频噪音的转矩电流指令值，再利用低通滤波器对含有高频噪音的转矩电流指令值进行滤波，最终得到转矩电流指令值。本发明可以降低速度环控制器对机械系统参数的敏感度，有效地提升转矩电流指令的响应速度以及机械参数变化的鲁棒性。度以及机械参数变化的鲁棒性。度以及机械参数变化的鲁棒性。


技术研发人员：孙向东 伍超
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：2021.11.30
技术公布日：2022/3/8