交流伺服电机负载转矩的在线辨识

交流伺服电机负载转矩的在线辨识

0负载扭矩在线观测高性能通信系统不仅应快速响应调用命令，而且应确保在外部有大量干扰和对象特性发生变化时保持响应性能。也就是说，当外部参数发生变化时，系统必须具有很强的抗干扰性，并且它的动态特性不会随着外部参数的变化而发生变化。但是,负载转矩与转动惯量一样,是一个很难直接测量的非电物理量,因此需要对其进行在线观测。文献提出了一种异步电机的负载转矩观测和补偿方法;文献提出了永磁同步电机(PermanentMagnetSynchronousMotor,简为PMSM)的负载转矩观测方法,但其补偿存在一定的局限性。电磁转矩与电机交轴电流存在直接的线性关系,而电机转速又较易测量,因而使负载转矩的观测成为可能。为此,本文设计了一个简单的负载观测器,可实时检测负载转矩的变化,然后对定子电流进行动态补偿。1轴承误差识别与速度补偿原理1.1ff的计算和转化由文献,永磁同步电机的运动方程为Jdωmdt+Bωm=Te−Tl(1)Jdωmdt+Bωm=Τe-Τl(1)定义TF为除电磁转矩之外的所有转矩之和,即TF=Bωm+Tl(2)ΤF=Bωm+Τl(2)则FF=Te−Jdωmdt(3)FF=Τe-Jdωmdt(3)又因为Te=32pΨfiq(4)Τe=32pΨfiq(4)式(1)中的加速转矩分量可以写成Jdωmdt=J9.55⋅ΔnΔt(5)Jdωmdt=J9.55⋅ΔnΔt(5)因此,可得TF=32pΨfiq−J9.55⋅ΔnΔt(6)ΤF=32pΨfiq-J9.55⋅ΔnΔt(6)式(6)中,电机极对数p、永磁体磁链Ψf、转动惯量J和刷新周期都可认为是常数,则式(3)可以转化为TF=k1iq−k2Δn(7)ΤF=k1iq-k2Δn(7)其中:k1=32pΨf；(8)k2=J9.55⋅Δt。k1=32pΨf；(8)k2=J9.55⋅Δt。采用模型参考自适应辨识方法,通过式(3)和(4),很容易观测负载转矩的变化。1.2温度对系统防扰系统稳定运行的影响负载扰动作用在电流环之后,只能靠转速调节器产生抗扰作用。将负载观测器的输出引入电流调节器的输入端,作为系统扰动的补偿控制输入,则当负载发生突变时,负载观测器的输出将补偿因负载突变而引起的速度变化,从而改善速度环的动态响应性能。负载观测器的输出是作为扰动的补偿控制引入的,因而可作为电流调节器的给定输入。将电流环等效为一阶惯性环节,并将电机负载的输入作用点前移到电流输入端,如图1所示。图1(a)示出了电流环用一阶惯性环节等效情况下,负载转矩为零时速度环的动态结构图;图1(b)为有负载TFR作用的同时将观测到的负载TF作用点前移后的等效动态结构图。负载观测的结果,可认为辨识得到的负载转矩等于实际系统负载转矩,即TF=TFR。根据图1的结构框图,利用运算规则,可以直接写出调速系统的静特性方程式ωr=kIkp+kIkiD(s)ω∗r+kIβsD(s)TF−(Tis+1)sD(s)TF(9)ωr=kΙkp+kΙkiD(s)ωr*+kΙβsD(s)ΤF-(Τis+1)sD(s)ΤF(9)式中,D(s)=JTis3+Js2+kIkps+kIki为系统特征多项式,kI=32p2ΨfkΙ=32p2Ψf。由式(9)可知,只要补偿系数β选择适当,表示电流补偿作用的kIβsD(s)TFkΙβsD(s)ΤF就可以补偿另一项(Tis+1)sD(s)TF(Τis+1)sD(s)ΤF带来的静态速降,自然就可以达到减小瞬时转速静差的目的。这种基于扰动量的补偿控制在参数选择恰到好处时可使静差为0,称为全补偿。由式(9)的静特性方程,可以求出全补偿的条件。令kIβsD(s)TF=(Tis+1)sD(s)TF(10)kΙβsD(s)ΤF=(Τis+1)sD(s)ΤF(10)得全补偿条件β=Tis+1kI=Tis+13p2Ψf/2=β0(11)β=Τis+1kΙ=Τis+13p2Ψf/2=β0(11)式中,β0称为全补偿时的临界反馈系数。若β<β0,则闭环系统仍存在静差,称欠补偿;若β>β0,则系统静特性上翘,称过补偿。调速系统中一般不允许存在过补偿现象。即使对于全补偿这种临界状态,如果参数发生变化,也会偏到过补偿的情况,不仅使系统静特性上翘,还会出现动态不稳定现象。在实际调速系统中,速度的瞬态全补偿是无意义的:自动控制系统的本身即具有自动调节功能,系统在一定程度上减小瞬态速降,即可大大缩短扰动后的恢复时间。图2即可证明此问题。图2示出了系统稳定运行中突加负载的转速响应图,实线部分为突加负载未补偿时的速度变化曲线,此时电机转速产生一瞬态降落,而后经调节器调节恢复至原运行状态。恢复时间的长短与调速系统的机械特性相关:机械特性硬则恢复时间短;机械特性软则恢复时间长。虚线部分为加入了负载扰动补偿后的响应曲线,由于存在实时补偿作用,转速受负载改变影响较小,瞬态速降得到有效抑制,扰动恢复时间也大大缩短。2不同补偿规则下的性能比较调速系统某时刻突加负载,负载转矩的辨识与转速补偿效果如图3所示,图3中曲线自上而下分别为电磁转矩Te、负载转矩辨识值TF、a相反馈电流iaf和电机转速n。图3(a)为补偿前波形,可以看出,在负载突加时刻,电机转速有所降落,由原来的2000r/min下降为1990r/min左右,而后系统经自动调节速度信号返回到2000r/min(由于只关注速度瞬时变化,仿真只给出当前较短时间的响应波形,未给出转速回升的趋势。为了较好地说明负载扰动补偿控制的作用效果,仿真与实验中系统所置机械特性较软)。经图3(b)补偿后,电机转速瞬态速降得到有效抑制(约为2r/min左右),补偿效果明显。若补偿系数β选择不当,就会出现如图4所示的欠补偿(图4(a))和过补偿(图4(b))情况。与图3相对应,图5为某时刻负载突卸的辨识补偿图。其中:图5(a)为补偿环节不参与作用时系统响应波形图,此时速度瞬态静差大约为10r/min;图5(b)为加入补偿环节后,速降有了明显减小,约减小为2r/min,这可以从补偿前后的波形图中看出。只要选择合适的β值,将观测到的负载转矩值按β值补偿到电流环输入端,就可以实现转速变化的补偿,系统的抗干扰性能和鲁棒性能也随之提高。但是,补偿控制可以补偿一部分瞬态速降以提高系统的稳态特性,但不能指望它实现无静差控制,这部分工作可由外环的反馈控制实现。3负载补偿环节对负载观测结果的影响根据式(7),在软件伺服系统中,对实际运行中的电机负载转矩进行观测。实验中负载的突加突卸是通过发电机带阻性负载完成的:将两台同型号电机的同轴相连,一台作为交流伺服系统的驱动电机,一台作为发电机使用,通过调节空开接可调电阻箱的阻值,可改变负载电流的大小。本实验电机空载转速以1500r/min稳定运行。负载观测算法中存在速度微分环节,需进行滤波处理。图6示出了引入滤波环节前后速度微分信号的变化。可见,引入滤波环节后,速度微分信号中的高频电磁干扰信号已基本滤除,为下一步转矩信号的观测打下了基础。图7示出了电机在动态过程中负载转矩的观测值。可以看出,负载观测值基本不受电机速度动态过程的影响,反映了实际负载转矩的改变。该实验中电机空载。将负载观测器的输出引入电流调节器的输入端,作为系统扰动的补偿控制输入。根据如图1所示原理,当负载变化时,负载观测器的输出将及时提高或降低系统对电机力矩电流的动态要求,补偿因负载突变而带来的转速变化。图示8出了电机空载时突加额定负载(3.8A)时电机转速的动态响应波形图。图8(a)为负载观测结果不参与调节时的转速响应波形,电机在不加负载补偿环节时转速有较大的瞬时动态速降;图8(b)为负载观测值参与调节后的电机转速响应波形,此时转速的动态速降已基本得到补偿,说明调速系统加入补偿环节后系统抗扰能力提高较大。图8(a)中,突加负载后转速由1500r/min下降为1395r/min,经图8(b)补偿后,转速仅有不到10r/min的降落,为1492r/min,说明负载补偿环节的引入减小了动态速降,有效抑制了负载扰动带来的转速变化。负载电流为3.3A时负载突卸补偿效果如图9所示。图9(a)为负载观测值不参与补偿调节,图9(b)为加入补偿环节后的速度响应图。图9(a)中,电机带负载最低转速为1439r/min,卸去负载后电机转速恢复为1500r/min,有61r/min的瞬态速降;加入图9(b)的补偿环节后,负载突卸前转速为1495r/min,突卸后电机转速重新回到空载转速,说明系统加入负载后具有很好的抗扰动能力。从实验结果可以看出,把负载观测器的输出引入系统控制环中作为扰动补偿控制信号,可以有效地抑制因负载扰动引起的速度变化,从而改善速度环动态影响性能,提高其静特性硬度。实验过程中还应注意适当选择补偿到电流控制端的电流。电