永磁同步电机

1、度观测器和惯屋辨识等算法。可以转化为式（8）：基于瞬时速度估计算法的永磁同步电机低速控制研究Research on Low Speed Control of PMSM Based on Instantaneous Speed Estimation王高林 wgl818 贵献国 xiangguihit 徐殿国 xudiang哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨150001摘要：增虽式编码君已广泛应用F何服系统的速度检测,然而,山F传统的速度检测方法所得到的是 速度的平均值.使得在低速场介下速度控制器经帘会变得不稳运。捉出了种适用丁交流伺服电机低速匸 作场介的瞬时速度估篦方法，该方法采用了全阶

2、状念观测器來估克速度反馈值.山丁消除了检测死去时间， 可以获得较好的响应速度.分析了状态器的应用设计方案，井II为了减少速度佔计对系统参数的敏感性， 采用了基递归广义虽小:乘算法的惯虽辨识方法实验结果验证了通过采用这种具有惯虽辨识的瞬时速 度佔篦的方法，系统的低速性能得到了明显的改善.Abstract: Incrementaltype encoder is widely used for speed detection in servo system However, the speed controller of the system usually becomes unstable at

3、low speed range using average speed estimaUon method An instantaneous speed estimation scheme for low speed control of permanent magnet synchronous motor is proposed The speed estimation adopts a full order state observer to calculate feedback speed The method can achieve good response because it is

4、 possible to detect the speed exactly without detection dead time The observer design considerations for application are analyzed Furthermore, inertia identification based on recursive extended least square algontlmi is presented to reduce sensitivity of the speed estimation Experimental results sho

5、w tliat low speed control performance using the instantaneous speed estimation with inertia identification is supenor to that of conventional one关键词：水磁同步电机.低速控制.速度佔第.全阶观酒器.惯城辨识Keywords: Pennanent magnet synchronous motor, Low speed control. Velocity estimation. Full order observer. Inertia identific

6、ation度观测器和惯屋辨识等算法。可以转化为式（8）：度观测器和惯屋辨识等算法。可以转化为式（8）：1.引言由于永磁同步电机具冇较高的功率 密度、转矩惯最比和效率，已经在交流伺 服系统得到了广泛的应用。目前,增量式 编码器具仃较高的性价比，已成为伺服系 统中最受欢迎的速度和位置传感器。这种 编码器是通过计算单位时间内所检测到 的脉冲数來计算转速1刀，这种方法检测 计算到的是平均转速，因此具有一定的检 测死区时间。特别是在低速丁作场合中， 半所检测到脉冲信号的宽度要大于速度 环的控制周期时,速度检测死区时间经常 会使控制器变得不稳定。为了改善由于这种检测死区时间所 引起的系统性能变差的状况，一

7、些学者提 出了许多慕于观测器理论的瞬时速度佔 算方法。斤中，采川降阶扰动转矩观测器 的瞬时速度佔舜方法其有结构简单和易 于应用的优点3,4,但是由于实际应用场 合中系统噪声和震荡的存在，使得观测器 和控制器增益难以提高。近来，基于卡尔 曼滤波器的全阶速度状态观测算法己被 提出5,6,但是这种方案由于运算量大， 实现起来较闲难。为了解决伺服系统低速运行状态的 速度检测问题，本文提出了 种采用全阶 状态观测器的瞬时速度估计算法。并且， 由于实际系统中转动惯童*知或变化产 生的影响会降低速度控制器的性能，采用 了基于递归广义最小二乘算法的转动惯 量辨识。通过实验验证了该方法的冇效 性,实验采用的是7

8、50W的永磁同步电机, 运川TMS320LF2407 DSP來实现全阶速2. PMSM的系统模型采用空间矢量控制的永磁同步电机 的鸽效转矩可以简化成直流电机模型，这 种简化的机械模醴框图可以用图1來衣 7Jo图1 PMSM机械模型的方框图系统模型可以用以卜的状态空间方程來描述：x= Ax+ Bu ,(1)y = CxC)其中x = e.%切M = Z八G)01 0 'A=0 -% % >0 0 0叫。0,C = l 0 0（4）上述式了中A, B和C是连续时间系 统的系统矩阵，,久，°，耳，久和人 分别代农电机角速度，电机角位移，等效 扰动转矩，转矩控制输入的参考值，转

9、动 惯帚以及粘滞摩擦系数。半采川基于转（ 磁通磁场定向控制时，通过控制q轴定了 电沆，可以获得瞬时电磁转矩：町 2%厂®（5）其中厶.，厶，P,心，q和均分别为励 磁电感，转了讦1感，极对数，d轴转了磁 通，q轴定了电流以及转矩常数。式（6）所描述的电机机械动态方程J警“宀（心）（* +%）- 万=J.警+（能 +久）at（7） 心-人讐+几叫+丁厂0（8）式中5胡一卜心密-心 + %也 （9）其中巧，心，厶禺和久分别 表示负载转矩,q轴定子电流的给定值, 额定转矩常最，转矩常最的扰动最以及粘 滞靡擦系数的扰动量。式（8）和（9）意 味着外部负戟转矩、转矩帘晟的扰动晟、 山于与q轴电

10、流参考值的偏肉园以及IF-线 性粘滞摩擦系数的变化最可以看成是作 川在额定匸作状态的等效扰动转矩。3.瞬时速度估计算法3.1全阶状态观测器结合式（1）,系统的全阶观测器可以 表示为：r -iG) m=0 1 00 %力+ 0A 0 0 0 0 r a >、+G %-1 0 0比(10)式中玄，瓦，匚，和G分别农示转了角 位置的观测最，转犷角速度的观测帚，扰 动转矩的观测量以及矩阵增益的观测量。式（10）的方框图可以用图2来表示。如果矩阵增益采用极点配置的方法， 特征方程（10）可以用（11）來表示，全 阶观测器的结构简单并H.观测器的增益 较容易选取：detsZ-(A-GC)=O。(11

11、)图2全阶状态观测器的方框图低速匸作场合中的全阶观测器包含 了伺服电机模型的理论期望值，在实际的 应用场介，观测器的时间常数应该很小， 然而这很难实现，因为机械系统存在震荡 和噪声。为了确保控制器的鲁棒性，这就 要求消除例如不确定因素或者工作环境 的变化而引起的转动惯最的变化而对系 统产住的影响，这里采川了基于递归广义 瑕小二乘法的惯量辨识算法。运用冬阶采样保持等效理论，式（8） 所表示的电机机械模醴可以从s域转换到 z域：1 q(s)-s(s) s B'J该方程可以表示为：s3 +空几+久S，+ g?人+宙比s _邑=0 （12）假设考虑控制系统的设计规定，要求 特征方程的3个特征根

12、为人，易和人。特 征方程可以表示为：/（2） = （s加一小一切士 心05）其中(16)=S3 (4 + 召 + 召)s'+ （石禺 + 召禺 + 43）S= 0 （13）选择好式（12）的系数y ,g3和&3,状态观测器的设计就结束To a凶和也分别为:Bg】=_（久+易+禺）_于.J mS3 =(也+诵+也)R+(4j + A, + )-S-+J 自=Wm °（式中7；表示采样时间。最终，确定性自回归移动平均模型的 垒分方程可以农示为：%伙）=沁（上-1）+刁耳伙T） - S （上-1）（17） 其中） = %（1）玷1）7卫-1）了 （18） r = （19）式

13、中和分别表示假线性衰退向量和 参数向最。衰退矢最e包含了控制输入晟 和输出最过公信息。孔和专通过全阶观 测器来获得。采用递归广义最小二乘法的 转动惯量辨识的递归参数估计方程可以 表示为：3.2转动惯量辨识图3控制系统框图Rated p(r¥«075kWRated torque2 39NmRated cun ent41ARated velocity3000rpixxNormal torque constant0 641Nm/ANormal inertia constant2.1xl0-4kgm2Stator resstance0 925GStatoi inductance85

14、mHRole pans3农1 PMSM的参数005115Tmw (sec)5110(utuos(a)40051152Time (see)(b)图4速度特性(lOr/nun). (a)采用平均测速法,(b)采用所提出的方法00.511.52Time (sec)(a)3 2(UTUVOH© + 1)=P(切(上+ 1) 1 + 2伙 + 1)P 伙)伙 +1)-1,(20)r(it+i)= r(k)+ H(k+)企(上+1)-&(上+l)r(Jt)(21) P(上+1) = 7 刃(上 + 1)3(上+ 1)尸(上)。(22) 图3是应用其冇惯最辨识的全阶观测 器的控制系统的框图

15、。4.实验结果采用 TI 公司的 TMS320LF2407 DSP 來实现所令的算法,通过一个具有2500p/r 分辨率的增G编码器來捉供转的位置 反馈信号。通过4倍频，实际上这个编码 器可以达到10000 p/r的分辨率。PWM的 调制周期为100戶，速度坏的控制周期为 l.Oins,电流环的控制周期为lOOnso实验 用的永磁同步电机的参数如衣1所示。图4和图5可以比较出速度控制性能 的改善。图4是从0 r/niiii到10 r/min速度 控制的阶跃响应。图4的(a)和(b)分 别是采用传统的半均速度检测法和采用 瞬时速度观测器的速度波形图。可以看出 当采用平均速度检测法时,速度有较大的

16、 波动,并且噪音较大。应用瞬时速度观测 器后，速度波动明显减小，噪声也得到了 冇效的抑制。图5是从0 r/min到2 r/min速度控制 的阶跃响应。在这个速度范国内，每个速 度检测周期内，DSP的Captme Unit所捕 获的脉冲不到一个。因此，尽管都是采用 半均速度检测法，图5 (a)中的速度脉动 要比图4 (小的波形明显。从图5 (b) 中可以看出，应用速度观测器后，系统的 速度控制性能得到了很大的改善。20125107552500511.52Time (sec)(b)图5速度特性(2r/imn): (a)采用平均测速法,(b)采用所提出的方法5结论提出了一种具冇惯量辨识的全阶观 测器

17、用来改善低速时采用增最编码器的 速度控制性能，通过惯晟的辨识值，全阶 观测器的参数町以在线地修止。伺服系统 的速度波动得到了减小，由于参数变化引 起的速度噪音得到了有效抑制。实验结果 证明，在低速场合中所提出的方法优于传 统的平均速度检测法。参考文献:1 T Oliinae, T Matsuda, K.Kanuyama and M. Taclnkawa, °A microprocessor-controlled high-accuracy wide-range speed regulator for motor dnves/* IEEE Trans On Ind Election.

18、vol IE-29, no. 3, pp 207-211, August 1982.2 Rcnald H Brown, Susan C. Schneider, and Michael C. Mulligan, “Analysis of algontlinis for velocity estimation discrete position versus time data/ IEEE Trans On Ind Election., vol 39. no 1. pp 11-19, Februay 1992.3 Kouetsu Fujita and Katsumasa Sado. °Instantaneous speed detection witli parameter identification for ac servo systems," IEEE Trans On Ind Appl9 vol. 2& no. 4, pp 864-872, July/August 1992.4 Nam-Joon Kim, Hee-Sung Moon, and Dong-Seok Hyum. "Inertia