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学术动态︱直驱式永磁同步电机的新型速度控制器设计

信息来源:china-d.com   时间: 2020-01-19  浏览次数: 109

中国科学院大学、中国科学院电工研究所、中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室的研究人员张海洋、许海平等,在2018年第13期《电工技术学报》上撰文指出,与传统的低速驱动系统相比,直接驱动系统采用低速大转矩电机驱动负载进行旋转,消除了减速器等齿轮传动机构[1,2],具有结构紧凑、传动效率高、动态响应快、定位精度高、噪声低等优点,使得直驱式永磁同步电机(Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Motor,DD-PMSM)在数控机床、机器人、机械加工及柔性制造等系统中有着广泛的应用前景。然而,在实际运行过程中,电机会受到来自系统内部(如电机参数变化)和外部(如负载转矩变化)等多方面扰动的影响,这些扰动影响了系统运行的平稳性和控制性能。尤其在直驱系统中,由于没有传动或减速机构,电机产生的转矩波动将会直接作用到负载上,而负载受到扰动也会直接传递到电机轴上。采用传统PI速度控制器不能兼顾超调量与响应快速性的要求,且在负载转矩变化或受到扰动时,其不能快速地抑制系统产生的转速波动,系统的抗负载扰动能力较差。因此,需要采取相应的措施来减小转速的超调量,提高系统的动态响应速度和增强系统的抗负载扰动能力,从而使直驱式永磁同步电机调速系统获得良好的速度控制性能。为减小传统PI速度控制器控制时转速的超调量,基于微分控制的思想,文献[3,4]分别提出在速度环PI控制器中加入微分反馈控制和输入微分前馈控制以抑制系统响应出现的超调现象,但微分反馈控制中对输出信号进行微分运算会引入噪声,而采用输入微分前馈控制时,当输入为幅值较大的阶跃信号时,在系统起动瞬间会使速度环PI控制器输出饱和。文献[5-7]提出采用IP速度控制器替换传统的PI速度控制器,分别分析了IP速度控制器在直流电机、永磁直线交流电机和永磁同步电机中的应用,通过仿真和实验验证了IP速度控制器可以有效减小转速的超调量,但IP速度控制器和PI速度控制器具有相同的抑制负载转矩扰动能力,在负载突变时,不能提高系统的抗负载扰动能力。对于提高系统抗负载扰动能力,目前通常采用的一种方式是实时对负载转矩进行检测并将其前馈补偿,抑制负载转矩变化对控制性能的影响。在对负载转矩进行检测时,最直接的一种方式就是使用转矩传感器直接测量负载转矩,但使用转矩传感器增加了设备成本、维护费用与安装使用空间。另外,测量仪器的精度和响应速度也会对测量结果产生较大影响。第二种方式是通过电机的机械运动方程直接计算负载转矩,但该方式要对测量的转速进行微分运算,而测量的转速信号中通常含有噪声信号,微分运算会放大噪声信号,从而影响转矩计算的结果。因此,采用负载转矩观测器对负载转矩进行观测是一种比较理想的选择方式。常用的负载转矩观测器主要有全阶及降阶观测器、卡尔曼滤波观测器、扰动观测器等。文献[8,9]采用降阶负载转矩观测器对负载转矩进行观测,并将其引入到电流调节器的输入端,对PI速度调节器的输出进行补偿。文献[10,11]利用Kalman滤波器具有较强抑制测量误差和噪声能力的特点,设计了基于Kalman滤波器的负载转矩观测器对负载转矩进行观测,并对参考转矩进行前馈补偿,有效提高了转速的控制性能,但该方法比较复杂,计算量较大,对数字处理器的要求较高。文献[12]提出一种能够同步辨识系统转动惯量和负载转矩的自适应扰动观测器,有效提高了负载转矩变化时系统的抗负载扰动能力,但该方法参数较多,且需要对参数进行合理设计。文献[13,14]在分别采用扩展滑模观测器和全阶负载转矩观测器对负载转矩进行观测的基础上,还均对传统速度环PI控制器进行了改进,设计了滑模速度控制器,并将观测的负载转矩作为补偿量对负载转矩变化进行前馈补偿。该复合控制方法有效提高了负载变化时系统的鲁棒性,但由于滑模控制中存在的固有抖振现象,如何削弱抖振成为了一个关键问题。此外,还有学者提出采用自抗扰控制[15-17]、预测控制[18]、自适应控制[19,20]、智能控制[21-24]等方法,提高了系统在负载转矩变化或受到扰动时的响应速度和抗负载扰动能力。针对采用传统PI速度控制器控制时转速超调量大的问题,本文设计了一种新型速度控制器,有效减小了转速的超调量,提高了转速的跟踪性能和系统的抗负载扰动能力。同时,针对负载转矩和电机参数变化等扰动因素对系统控制性能的影响,设计了负载转矩观测器对负载转矩进行观测,并将实时观测的转矩值转换为负载电流作为前馈补偿环节引入到电流调节器的输入端,对新型速度控制器的输出进行补偿,进一步提高了系统的抗负载扰动能力。仿真和实验结果验证了本文所提方法的正确性和有效性。

学术动态︱直驱式永磁同步电机的新型速度控制器设计

图16 实验用表贴式直驱永磁同步电机及驱动控制系统作者最后得出以下结论:1)所提出的新型速度控制器有效减小了参考转速和负载转矩变化时转速的超调量和系统到达或恢复到稳定状态的时间,提高了转速的跟踪性能和系统的抗负载扰动能力。2)设计的负载转矩观测器结构简单,易实现,可以快速准确地对负载转矩进行观测,且其所需参数较少。3)基于负载转矩观测器的前馈补偿控制提高了系统的抗负载扰动能力,而本文所提基于负载转矩观测器的新型速度控制器进一步提高了系统的抗负载扰动能力,且系统具有较强的鲁棒性。

(原文标题“基于负载转矩观测器的直驱式永磁同步电机新型速度控制器设计”;DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.170683)

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