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1、(10)申请公布号 CN 103997272 A (43)申请公布日 2014.08.20 CN 103997272 A (21)申请号 201410253352.8 (22)申请日 2014.06.09 H02P 21/05(2006.01) (71)申请人 浙江理工大学 地址 310018 浙江省杭州市下沙高教园区 2 号大街 5 号 (72)发明人 鲁文其 刘虎 袁嫣红 (74)专利代理机构 杭州中成专利事务所有限公 司 33212 代理人 金祺 (54) 发明名称 永磁同步电机的负载扰动补偿装置及方法 (57) 摘要 本发明公开了一种永磁同步电机的负载扰动 补偿装置， 包括负载力矩辨识。
2、滑模观测器等 ； 永 磁同步电机分别与 PARK 变换模块、 PARK 逆变换 模块、 速度计算模块以及 CLARK 变换模块 ； 速度计 算模块分别与第一加法器和负载力矩辨识滑模观 测器连接 ； 第一加法器、 第二加法器均与与速度 环PI调节器连接 ； CLARK变换模块与PARK逆变换 模块连接 ； PARK 逆变换模块与负载力矩辨识滑模 观测器、 第四加法器和第三加法器连接 ； 负载力 矩辨识滑模观测器与负载力矩辨识值前馈补偿系 数单元连接 ； 负载力矩辨识值前馈补偿系数单元 与第二加法器连接 ； 第二加法器与第四加法器连 接 ； 第四加法器与电流环 PI 调节器连接 ； 第三加 法器与。
3、电流环 PI 调节器连接 ； 电流环 PI 调节器 与PARK变换模块连接 ； PARK变换模块与空间矢量 调制模块连接 ； 空间矢量调制模块与整流 / 三相 逆变器模块连接， 整流 / 三相逆变器模块控制永 磁同步电机运行。 (51)Int.Cl. 权利要求书 3 页 说明书 7 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书3页 说明书7页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103997272 A CN 103997272 A 1/3 页 2 1. 永磁同步电机的负载扰动补偿装置， 包括与永磁同步电机 (17) 相连接的负载扰动 补偿装置， 该负。
4、载扰动补偿装置包括第一加法器 (1)、 速度环 PI 调节器 (2)、 第二加法器 (3)、 负载力矩辨识值前馈补偿系数单元 (4)、 第三加法器 (5)、 第四加法器 (6)、 电流环 PI 调节器 (7)、 Park 变换模块 (8)、 空间矢量调制模块 (9)、 Clark 变换模块 (10)、 Park 逆变 换模块 (11)、 负载力矩辨识滑模观测器 (13)、 速度计算模块 (14) 和整流 / 三相逆变器模块 (16) ； 其特征是 ： 所述永磁同步电机 (17) 通过内置的位置传感器 (12) 和电流传感器 (15) 分别输出转子位置 r和定子两相电流 iA、 iB， 该转子位。
5、置 r分别输入到 PARK 变换模块 (8)、 PARK 逆变换模块 (11) 以及速度计算模块 (14) ； 该定子两相电流 iA、 iB输入 CLARK 变 换模块 (10) ； 所述速度计算模块 (14) 输出电机实际转速 e到第一加法器 (1) 和负载力矩辨识滑 模观测器 (13) 中 ； 第一加法器 (1) 通过电机参考转速 ref和电机实际转速 e输出误差值到速度环 PI 调节器 (2) ； 速度环 PI 调节器 (2) 输出交轴电流给定第一阶段的值到第二加法器 (3) ； CLARK变换模块(10)输出静止坐标系下定子两相电流i、 i到PARK逆变换模块(11) ； PARK 逆。
6、变换模块 (11) 输出实际交轴电流 iq到负载力矩辨识滑模观测器 (13) 和第四加法 器 (6) 中， 并输出实际直轴电流 id到负载力矩辨识滑模观测器 (13) 和第三加法器 (5) 中 ； 负载力矩辨识滑模观测器 (13) 输出负载力矩观测值 TL到负载力矩辨识值前馈补偿系 数单元 (4) ； 负载力矩辨识值前馈补偿系数单元 (4) 输出交轴电流给定第二阶段值到第二加法 器 (3) ； 第二加法器 (3) 输出最终的交轴电流给定值 到第四加法器 (6) ； 第四加法器 (6) 输出误差值到电流环 PI 调节器 (7) ； 第三加法器 (5) 通过直轴电流给定值和实际直轴电流 id输出误。
7、差值到电流环 PI 调节器 (7) ； 电流环 PI 调节器 (7) 输出交轴电压给定和直轴电压给定到 PARK 变换模块 (8) ； PARK 变换模块 (8) 输出静止两相坐标系下电压分量 U、 U到空间矢量调制模块 (9) ； 空间矢量调制模块 (9) 输出六路 PWM 波到整流 / 三相逆变器模块 (16)， 整流 / 三相逆 变器模块 (16) 控制永磁同步电机 (17) 运行。 2. 根据权利要求 1 所述的永磁同步电机的负载扰动补偿装置， 其特征是 ： 所述负载力 矩辨识滑模观测器 (13) 包括基于 PMSM 数学模型的电流观测器 (18)、 第五加法器 (19)、 饱 和函数。
8、模块 (20)、 低通滤波器 (21)、 反馈增益模块 (23)、 第六加法器 (24)、 乘法器 (22) 和 负载转矩观测值模块 (25) ； PARK 逆变换模块 (11) 输出实际交轴电流 iq和实际直轴电流 id到基于 PMSM 数学模型 的电流观测器 (18) ； 所述速度计算模块 (14) 输出电机实际转速 e到第五加法器 (19) ； 权 利 要 求 书 CN 103997272 A 2 2/3 页 3 基于 PMSM 数学模型的电流观测器 (18) 输出转子估算速度到第五加法器 (19) ； 第五加法器 (19) 通过电机实际转速 e和转子估算速度输出转速差到饱和函数 模块 。
9、(20)， 饱和函数模块 (20) 输出控制函数 Zs到低通滤波器 (21) 和第六加法器 (24) ； 低通滤波器 (21) 输出等效控制函数 Zes到乘法器 (22) ； 反馈增益模块 (23) 输出反馈增益 l 到乘法器 (22) ； 乘法器 (22) 输出的数值 lZes到第六加法器 (24) ； 第六加法器 (24) 输出负载转矩初始值到负载转矩观测值模块 (25) 和基于 PMSM 数学 模型的电流观测器 (18) ； 负载转矩观测值模块 (25) 输出负载力矩观测值 TL到负载力矩辨识值前馈补偿系数单 元 (4)。 3. 永磁同步电机的负载扰动补偿装置的使用方法 ； 其特征是 ：。
10、 通过位置传感器 (12) 获取永磁同步电机 (17) 的转子位置 r， 并分别输入 PARK 变换模块 (8)、 PARK 逆变换模块 (11)以及速度计算模块(14) ； 通过电流传感器(15)获取永磁同步电机(17)的定子两相电 流 iA、 iB， 并输入到 CLARK 变换模块 (10) ； 转子位置 r由速度计算模块 (14) 计算后得出电机实际转速 e， 并将电机实际转速 e输入第一加法器 (1) 和负载力矩辨识滑模观测器 (13) 中 ； 通过上位系统输入给定转速 ref到第一加法器 (1)， 第一加法器 (1) 通过电机实际转 速 e和给定转速 ref得出误差值 ； 误差值输入。
11、到速度环 PI 调节器 (2) ； 由速度环 PI 调节器 (2) 计算得出交轴电流给 定第一阶段的值并输入第二加法器 (3) ； 定子两相电流 iA、 iB由 CLARK 变换模块 (10) 得出静止坐标系下定子两相电流 i、 i， 并输入 PARK 逆变换模块 (11) ； PARK 逆变换模块 (11) 得出实际交轴电流 iq和实际直轴电 流 id， 并将实际交轴电流 iq输入到负载力矩辨识滑模观测器 (13) 和第四加法器 (6) 中， 将 实际直轴电流 id输入到负载力矩辨识滑模观测器 (13) 和第三加法器 (5) 中 ； 电机实际转速 e、 实际交轴电流 iq和实际直轴电流 id。
12、通过负载力矩辨识滑模观测器 (13) 的计算后得出负载力矩观测值 TL， 并输入负载力矩辨识值前馈补偿系数单元 (4) ； 由 负载力矩辨识值前馈补偿系数单元 (4) 得出交轴电流给定第二阶段值并输入到第二加 法器 (3) ； 交轴电流给定第二阶段值和出交轴电流给定第一阶段的值由第二加法器 (3) 得 出最终的交轴电流给定值并输入到第四加法器 (6) ； 第四加法器 (6) 通过实际交轴电流 iq和交轴电流给定值得出误差值， 并输入到电 流环 PI 调节器 (7) ； 通过上位系统向第三加法器 (5) 输入直轴电流给定值第三加法器 (5) 通过直轴电 流给定值和实际直轴电流 id得出误差值， 。
13、并输入到电流环 PI 调节器 (7) ； 权 利 要 求 书 CN 103997272 A 3 3/3 页 4 误差值和误差值通过电流环 PI 调节器 (7) 计算后得出交轴电压给定和直轴电 压给定并输入到PARK变换模块(8) ； PARK变换模块(8)得出静止两相坐标系下电压分 量 U、 U， 并输入到空间矢量调制模块 (9) ； 空间矢量调制模块 (9) 得出六路 PWM 波， 并输 入整流/三相逆变器模块(16)， 整流/三相逆变器模块(16)控制永磁同步电机(17)运行。 4. 根据权利要求 3 所述的永磁同步电机的负载扰动补偿装置的使用方法， 其特征是 ： 所述直轴电流给定值 5.。
14、 根据权利要求 4 所述的永磁同步电机的负载扰动补偿装置的使用方法， 其特征是 ： 所述负载力矩辨识滑模观测器 (13) 的使用方法如下 ： 基于 PMSM 数学模型的电流观测器 (18) 输出转子估算速度到第五加法器 (19)， 所述 速度计算模块 (14) 输出电机实际转速 e到第五加法器 (19) ； 第五加法器 (19) 通过转子 估算速度和电机实际转速 e得出转速差并输入到饱和函数模块 (20)， 由饱和函数 模块 (20) 计算后得出控制函数 Zs， 并分别输入到低通滤波器 (21) 和第六加法器 (24) ； 低通滤波器 (21) 得出等效控制函数 Zes， 并输入到乘法器 (2。
15、2) ； 反馈增益模块(23)输出反馈增益l到乘法器(22) ； 乘法器(22)得出的数值lZes， 并 输入到第六加法器 (24) ； 第六加法器 (24) 得出负载转矩初始值， 并分别输入负载转矩观测值模块 (25) 和基于 PMSM 数学模型的电流观测器 (18)。 6. 根据权利要求 5 所述的永磁同步电机的负载扰动补偿装置的使用方法， 其特征是 ： 所述基于 PMSM 数学模型的电流观测器 (18) 通过第六加法器 (24) 得出负载转矩初始值以 及PARK逆变换模块(11)输出实际交轴电流iq和实际直轴电流id计算后获得转子速度 7. 根据权利要求 6 所述的永磁同步电机的负载扰动。
16、补偿装置的使用方法， 其特征是 ： 所述负载转矩观测值模块 (25) 通过计算公式得出负载力矩观测值 TL。 权 利 要 求 书 CN 103997272 A 4 1/7 页 5 永磁同步电机的负载扰动补偿装置及方法 技术领域 0001 本发明涉及一种负载扰动补偿装置， 尤其是一种永磁同步电机的负载扰动补偿装 置及方法。 背景技术 0002 在曲柄伺服压力机、 注塑机、 折弯机等场合应用的永磁同步电机工程伺服系统中， 扰动是造成其性能下降的主要原因， 其中负载扰动显得尤为突出。为了提高系统的伺服性 能， 必须对负载扰动加以抑制， 只有对扰动实现全面补偿， 才能使系统获得优越的伺服性 能， 如专。
17、利文献 1(02142237.0)、 专利文献 2(200810121108.0) 所示， 都基于一种扰动观测 器设计了一种对负载扰动具有抑制作用的电动机控制器装置， 但专利文献 1 采用的扰动观 测器并不是该专利本身所保护的内容， 专利文献 2 所述的扰动观测器实现起来较复杂。 发明内容 0003 本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的永磁同步电机的负载扰动补偿 装置。 0004 为了解决上述技术问题， 本发明提供一种永磁同步电机的负载扰动补偿装置， 包 括与永磁同步电机相连接的负载扰动补偿装置， 该负载扰动补偿装置包括第一加法器、 速 度环 PI 调节器、 第二加法器、 负载力矩辨识值。
18、前馈补偿系数单元、 第三加法器、 第四加法 器、 电流环 PI 调节器、 Park 变换模块、 空间矢量调制模块、 Clark 变换模块、 Park 逆变换模 块、 负载力矩辨识滑模观测器、 速度计算模块和整流 / 三相逆变器模块 ； 所述永磁同步电机 通过内置的位置传感器和电流传感器分别输出转子位置 r和定子两相电流 iA、 iB， 该转子 位置 r分别输入到 PARK 变换模块、 PARK 逆变换模块以及速度计算模块 ； 该定子两相电流 iA、 iB输入 CLARK 变换模块 ； 所述速度计算模块输出电机实际转速 e到第一加法器和负载 力矩辨识滑模观测器中 ； 第一加法器通过电机参考转速 。
19、ref和电机实际转速 e输出误差 值到速度环 PI 调节器 ； 速度环 PI 调节器输出交轴电流给定第一阶段的值到第二加法 器 ； CLARK 变换模块输出静止坐标系下定子两相电流 i、 i到 PARK 逆变换模块 ； PARK 逆变 换模块输出实际交轴电流 iq到负载力矩辨识滑模观测器和第四加法器中， 并输出实际直轴 电流id到负载力矩辨识滑模观测器和第三加法器中 ； 负载力矩辨识滑模观测器输出负载力 矩观测值TL到负载力矩辨识值前馈补偿系数单元 ； 负载力矩辨识值前馈补偿系数单元输出 交轴电流给定第二阶段值到第二加法器 ； 第二加法器输出最终的交轴电流给定值到 第四加法器 ； 第四加法器输。
20、出误差值到电流环 PI 调节器 ； 第三加法器通过直轴电流给定 值和实际直轴电流id输出误差值到电流环PI调节器 ； 电流环PI调节器输出交轴电压 给定和直轴电压给定到PARK变换模块 ； PARK变换模块输出静止两相坐标系下电压分 量 U、 U到空间矢量调制模块 ； 空间矢量调制模块输出六路 PWM 波到整流 / 三相逆变器模 说 明 书 CN 103997272 A 5 2/7 页 6 块， 整流 / 三相逆变器模块控制永磁同步电机运行。 0005 作为本发明所述的永磁同步电机的负载扰动补偿装置的改进 ： 所述负载力矩辨识 滑模观测器包括基于 PMSM 数学模型的电流观测器、 第五加法器、。
21、 饱和函数模块、 低通滤波 器、 反馈增益模块、 第六加法器、 乘法器和负载转矩观测值模块 ； PARK 逆变换模块输出实际 交轴电流 iq和实际直轴电流 id到基于 PMSM 数学模型的电流观测器 ； 基于 PMSM 数学模型 的电流观测器输出转子估算速度到第五加法器 ； 所述速度计算模块输出电机实际转速 e到第五加法器 ； 第五加法器通过电机实际转速 e和转子估算速度输出转速差到 饱和函数模块， 饱和函数模块输出控制函数 Zs到低通滤波器和第六加法器 ； 低通滤波器输 出等效控制函数 Zes到乘法器 ； 反馈增益模块输出反馈增益 l 到乘法器 ； 乘法器输出的数值 lZes到第六加法器 ；。
22、 第六加法器输出负载转矩初始值到负载转矩观测值模块和基于 PMSM 数学模型的电流观测器 ； 负载转矩观测值模块输出负载力矩观测值TL到负载力矩辨识值前 馈补偿系数单元。 0006 永磁同步电机的负载扰动补偿装置的使用方法 ； 通过位置传感器获取永磁同步电 机的转子位置 r， 并分别输入 PARK 变换模块、 PARK 逆变换模块以及速度计算模块 ； 通过电 流传感器获取永磁同步电机的定子两相电流iA、 iB， 并输入到CLARK变换模块 ； 转子位置r 由速度计算模块计算后得出电机实际转速 e， 并将电机实际转速 e输入第一加法器和负 载力矩辨识滑模观测器中 ； 通过上位系统输入给定转速 r。
23、ef到第一加法器， 第一加法器通 过电机实际转速 e和给定转速 ref得出误差值 ； 误差值输入到速度环 PI 调节器 ； 由 速度环 PI 调节器计算得出交轴电流给定第一阶段的值并输入第二加法器 ； 定子两相电 流 iA、 iB由 CLARK 变换模块得出静止坐标系下定子两相电流 i、 i， 并输入 PARK 逆变换模 块 ； PARK 逆变换模块得出实际交轴电流 iq和实际直轴电流 id， 并将实际交轴电流 iq输入到 负载力矩辨识滑模观测器和第四加法器中， 将实际直轴电流 id输入到负载力矩辨识滑模观 测器和第三加法器中 ； 电机实际转速 e、 实际交轴电流 iq和实际直轴电流 id通过。
24、负载力 矩辨识滑模观测器的计算后得出负载力矩观测值 TL， 并输入负载力矩辨识值前馈补偿系数 单元 ； 由负载力矩辨识值前馈补偿系数单元得出交轴电流给定第二阶段值并输入到第 二加法器 ； 交轴电流给定第二阶段值和出交轴电流给定第一阶段的值由第二加法器 得出最终的交轴电流给定值并输入到第四加法器 ； 第四加法器通过实际交轴电流 iq和 交轴电流给定值得出误差值， 并输入到电流环 PI 调节器 ； 通过上位系统向第三加法器 输入直轴电流给定值第三加法器通过直轴电流给定值和实际直轴电流 id得出误差值 ， 并输入到电流环PI调节器 ； 误差值和误差值通过电流环PI调节器计算后得出交轴 电压给定和直轴。
25、电压给定并输入到 PARK 变换模块 ； PARK 变换模块得出静止两相坐 标系下电压分量 U、 U， 并输入到空间矢量调制模块 ； 空间矢量调制模块得出六路 PWM 波， 并输入整流 / 三相逆变器模块， 整流 / 三相逆变器模块控制永磁同步电机运行。 0007 作为本发明所述的永磁同步电机的负载扰动补偿装置的使用方法的改进 ： 所述直 轴电流给定值 说 明 书 CN 103997272 A 6 3/7 页 7 0008 作为本发明所述的永磁同步电机的负载扰动补偿装置的使用方法的进一步改进 ： 所述负载力矩辨识滑模观测器的使用方法如下 ： 基于 PMSM 数学模型的电流观测器输出转 子估算速。
26、度到第五加法器， 所述速度计算模块输出电机实际转速 e到第五加法器 ； 第 五加法器通过转子估算速度和电机实际转速 e得出转速差并输入到饱和函数模 块， 由饱和函数模块计算后得出控制函数 Zs， 并分别输入到低通滤波器和第六加法器 ； 低通 滤波器得出等效控制函数Zes， 并输入到乘法器 ； 反馈增益模块输出反馈增益l到乘法器 ； 乘 法器得出的数值 lZes， 并输入到第六加法器 ； 第六加法器得出负载转矩初始值， 并分别输 入负载转矩观测值模块和基于 PMSM 数学模型的电流观测器。 0009 作为本发明所述的永磁同步电机的负载扰动补偿装置的使用方法的改进 ： 所述基 于PMSM数学模型的。
27、电流观测器通过第六加法器得出负载转矩初始值以及PARK逆变换模块 输出实际交轴电流 iq和实际直轴电流 id计算后获得转子速度 0010 作为本发明所述的永磁同步电机的负载扰动补偿装置的使用方法的改进 ： 所述负 载转矩观测值模块通过计算公式得出负载力矩观测值 TL。 0011 本发明的有益效果如下 ： 负载力矩辨识滑模观测器的切换函数采用饱和函数， 并 将估算负载力矩值反馈引入到了速度观测器中， 通过调节反馈增益大小， 来提高负载力矩 的辨识精度。 0012 根据本发明， 负载力矩辨识观测器估算转矩的计算公式如下 ： 0013 0014 式中 ： l 为估算负载力矩的反馈增益系数， TL为估。
28、算转矩值， Zes为等效控制函数， Zs为控制函数 (s 代表 和 )， pn为极对数， J 为转动惯量。从该计算公式知， 估算负载力 矩由两部分组成 ： 分别是和其中，保留了控制函数 Zs的谐波成分， 调 节估算负载力矩的反馈增益 l 即可调节 TL的谐波含量， 从而降低了估算转矩的抖振， 同时， 又有效防止了低通滤波器滤除谐波中的有效成分， 提高了估算的准确性。 0015 负载力矩滑模观测器的输入信号为电机实际转速及定子电流的交、 直轴分量， 因 此在 id 0、 最大转矩电流比、 弱磁控制等不同电流控制策略下均能够有效地辨识负载力 矩。观测器中 Ld Lq时即可适用于表面贴式永磁同步电机。
29、， 该观测器具有广泛的适用范 围。 附图说明 0016 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。 0017 图 1 为本发明永磁同步电机的负载扰动补偿装置的原理框图 ； 0018 图 2 为负载力矩辨识滑模观测器的原理框图。 具体实施方式 说 明 书 CN 103997272 A 7 4/7 页 8 0019 实施例 1、 图 1 到图 2 给出了一种永磁同步电机的负载扰动补偿装置及方法。 0020 永磁同步电机的负载扰动补偿装置包括与永磁同步电机 17( 内置位置传感器 12 和电流传感器15)相连接的负载扰动补偿装置， 负载扰动补偿装置如图1所示， 包括第一加 法器 1、 速度。
30、环 PI 调节器 2、 第二加法器 3、 负载力矩辨识值前馈补偿系数单元 4、 第三加法 器 5、 第四加法器 6、 电流环 PI 调节器 7、 Park 变换模块 8、 空间矢量调制模块 9、 Clark 变换 模块 10、 Park 逆变换模块 11、 负载力矩辨识滑模观测器 13、 速度计算模块 14 和整流 / 三相 逆变器模块 16。 0021 以上所述的负载扰动补偿装置与永磁同步电机 17 之间的连接关系如下所述 ： 0022 永磁同步电机 17 通过内置的位置传感器 12 和电流传感器 15 分别输出转子位置 r和定子两相电流 iA、 iB； 该转子位置 r分别输入到 PARK 。
31、变换模块 8、 PARK 逆变换模块 11 以及速度计算模块 14 ； 该定子两相电流 iA、 iB输入 CLARK 变换模块 10 ； 速度计算模块 14 输出电机实际转速 e到第一加法器 1 和负载力矩辨识滑模观测器 13 ； 第一加法器 1 输出 误差值 ( 误差值通过上位系统向第一加法器 1 输入电机参考转速 ref， 并由第一加法 器 1 将电机参考转速 ref和电机实际转速 e进行计算后获取 ) 到速度环 PI 调节器 2 ； 速 度环 PI 调节器 2 输出交轴电流给定第一阶段的值到第二加法器 3 ； CLARK 变换模块 10 输出静止坐标系下定子两相电流 i、 i到 PARK。
32、 逆变换模块 11 ； PARK 逆变换模块 11 输出 实际交轴电流 iq到负载力矩辨识滑模观测器 13 和第四加法器 6 中， 并输出实际直轴电流 id到负载力矩辨识滑模观测器 13 和第三加法器 5 中 ； 负载力矩辨识滑模观测器 13 输出负 载力矩观测值 TL到负载力矩辨识值前馈补偿系数单元 4 ； 负载力矩辨识值前馈补偿系数单 元 4 输出交轴电流给定第二阶段值到第二加法器 3 ； 第二加法器 3 输出最终的交轴电流 给定值到第四加法器 6 ； 第四加法器 6 输出误差值到电流环 PI 调节器 7 ； 第三加法器 5 输出误差值 ( 误差值通过上位系统向第三加法器 5 输入直轴电流。
33、给定值再由第三 加法器 5 对直轴电流给定值和实际直轴电流 id进行计算后获得 ) 到电流环 PI 调节器 7 ； 电流环PI调节器7输出交轴电压给定和直轴电压给定到PARK变换模块8 ； PARK变换 模块 8 输出静止两相坐标系下电压分量 U、 U到空间矢量调制模块 9 ； 空间矢量调制模块 9 输出六路 PWM 波到整流 / 三相逆变器模块 16， 整流 / 三相逆变器模块 16 控制永磁同步电 机 17 运行。 0023 以上所述的负载力矩辨识滑模观测器 13 包括基于 PMSM 数学模型的电流观测器 18、 第五加法器19、 饱和函数模块20、 低通滤波器21、 反馈增益模块23、 。
34、第六加法器24、 乘法 器 22 和负载转矩观测值模块 25。连接关系如下所述 ： 0024 PARK 逆变换模块 11 输出实际交轴电流 iq和实际直轴电流 id到基于 PMSM 数学模 型的电流观测器18 ； 基于PMSM数学模型的电流观测器18输出转子估算速度到第五加法 器 19 ； 速度计算模块 14 输出电机实际转速 e到第五加法器 19 ； 第五加法器 19 输出转速 差到饱和函数模块 20， 函数模块 20 输出控制函数 Zs到低通滤波器 21 和第六加法器 24 ； 低通滤波器 21 输出等效控制函数 Zes到乘法器 22 ； 反馈增益模块 23 输出反馈增益 l 到乘 法器 。
35、22 ； 乘法器 22 输出的数值 lZes到第六加法器 24 ； 第六加法器 24 输出负载转矩初始 说 明 书 CN 103997272 A 8 5/7 页 9 值到负载转矩观测值模块 25 和基于 PMSM 数学模型的电流观测器 18 ； 负载转矩观测值模块 25 输出负载力矩观测值 TL到负载力矩辨识值前馈补偿系数单元 4。 0025 本发明所述的永磁同步电机的负载扰动补偿装置在运行时的步骤如下 ： 0026 永磁同步电机 17 运行的时候， 通过内置的位置传感器 12 获取转子位置 r， 并分 别输入到 PARK 变换模块 8、 PARK 逆变换模块 11 以及速度计算模块 14 ；。
36、 同时， 内置的电流传 感器 15 获取永磁同步电机 17 的定子两相电流 iA、 iB， 并输入 CLARK 变换模块 10 ； 0027 转子位置 r经过速度计算模块 14 计算后得出电机转子电机实际转速 e， 并将 电机实际转速 e输入到第一加法器 1 和和负载力矩辨识滑模观测器 13 ； 第一加法器 1 通 过上位系统输入电机参考转速ref， 由此， 可以通过电机实际转速e和电机参考转速ref 计算出误差值 ； 0028 误差值输入到速度环 PI 调节器 2 ； 速度环 PI 调节器 2 计算后得出交轴电流给 定第一阶段的值并输入第二加法器 3 ； 0029 定子两相电流iA、 iB经。
37、过CLARK变换模块10计算后得出静止坐标系下定子两相电 流 i、 i， 并输入到 PARK 逆变换模块 11 ； 0030 静止坐标系下定子两相电流i、 i通过PARK逆变换模块11计算后得出实际交轴 电流 iq和实际直轴电流 id， 并分别将实际交轴电流 iq输入到负载力矩辨识滑模观测器 13 和第四加法器 6 中， 将实际直轴电流 id输入到负载力矩辨识滑模观测器 13 和第三加法器 5 中 ； 0031 电机实际转速 e、 实际交轴电流 iq和实际直轴电流 id经过负载力矩辨识滑模观 测器 13 计算后得出负载力矩观测值 TL， 并输入负载力矩辨识值前馈补偿系数单元 4 ； 0032 。
38、负载力矩观测值 TL经过负载力矩辨识值前馈补偿系数单元 4 计算后得出交轴电 流给定第二阶段值并输入到第二加法器 3 ； 0033 交轴电流给定第二阶段值和交轴电流给定第一阶段的值通过第二加法器 3 得出最终的交轴电流给定值并输入到第四加法器 6 ； 0034 实际交轴电流 iq和交轴电流给定值通过第四加法器 6 得出误差值， 并输入到 电流环 PI 调节器 7 ； 0035 通过上位系统向第三加法器 5 输入直轴电流给定值直轴电流给定值 和实际直轴电流 id通过第三加法器 5 得出误差值， 并输入到电流环 PI 调节器 7 ； 0036 误差值和误差值通过电流环PI调节器7计算后得出交轴电压。
39、给定和直轴 电压给定并输入到 PARK 变换模块 8 ； 0037 转子位置 r、 交轴电压给定和直轴电压给定经过 PARK 变换模块 8 计算后得 出静止两相坐标系下电压分量 U、 U， 并输入空间矢量调制模块 9 ； 0038 空间矢量调制模块9得出六路PWM波， 并输入整流/三相逆变器模块16， 整流/三 相逆变器模块 16 控制永磁同步电机 17 运行。 0039 以上所述的步骤中， 实际交轴电流iq和实际直轴电流id经过负载力矩辨识滑模观 说 明 书 CN 103997272 A 9 6/7 页 10 测器 13 计算后得出负载力矩观测值 TL的步骤如下 ： 0040 基于PMSM数。
40、学模型的电流观测器18输出转子估算速度到第五加法器19 ； 速度 计算模块 14 输出电机实际转速 e到第五加法器 19 ； 0041 第五加法器 19 通过转子电机实际转速 e和转子估算速度计算后， 得出转速 差并把转速差输入到饱和函数模块 20， 由饱和函数模块 20 计算后得出控制函数 Zs， 并分别将控制函数 Zs输入到低通滤波器 21 和第六加法器 24 ； 控制函数 Zs经过低通滤波器 21(Zes Zsc/(s+c)， c为低通滤波器截止频率， s 为复变量 ) 通过计算得出等效控 制函数 Zes， 并输入到乘法器 22 ； 反馈增益模块 23 输出反馈增益 l 到乘法器 22 。
41、； 乘法器 22 通过等效控制函数 Zes和反馈增益 l 计算后得出数值 lZes， 并输入到第六加法器 24 ； 控制 函数 Zs和数值 lZes经过第六加法器 24 计算后得出 Zs+lZes， 并将该值分别输入负载转 矩观测值模块 25 和基于 PMSM 数学模型的电流观测器 18 ； 0042 负载转矩观测值模块25通过得出负载力矩观测值TL， 并输入负载 力矩辨识值前馈补偿系数单元 4。以上公式中 ： l 为估算负载力矩的反馈增益系数， TL为估 算转矩值， Zes为等效控制函数， Zs为控制函数 (s 代表 和 )， pn为极对数， J 为转动惯 量。 0043 以上所述的基于 P。
42、MSM 数学模型的电流观测器 18 通过 PARK 逆变换模块 11 输出实 际交轴电流 iq、 实际直轴电流 id以及负载转矩初始值获取转子速度 0044 以上所述的负载转矩观测值模块 25 的计算公式通过如下的步骤 推导 ： 0045 永磁同步电机 17 在 dq 两相坐标下的电压方程为 ： 0046 0047 上式中， ud、 uq分别为定子直轴电压和定子交轴电压 ； R 为定子电阻 ； Ld、 Lq分别为 定子直轴电感和定子交轴电感 ； id、 iq为旋转坐标系下定子电流矢量， f为转子永磁体产 生的磁势 ； e为给定转速， p 为微分式子 ； 0048 永磁同步电机 17 的转矩方程。
43、为 ： 0049 0050 上式中， Ld、 Lq分别为定子直轴电感和定子交轴电感 ； id、 iq为旋转坐标系下定子电 流矢量， f为转子永磁体产生的磁势 ； Te为电磁转矩 ； Pn为电机极对数 ； 0051 永磁同步电机 17 的运动方程为 ： 0052 0053 上式中， ud、 uq分别为定子直轴电压和定子交轴电压 ； R 为定子电阻 ； Ld、 Lq分别为 定子直轴电感和定子交轴电感 ； f为转子永磁体产生的磁势 ； J 为转动惯量 ； Te、 TL分别为 说 明 书 CN 103997272 A 10 7/7 页 11 电磁转矩和负载转矩 ； B 为粘滞摩擦系数 ； r为电机机械。
44、角速度 ； Pn为电机极对数。 0054 因为电气时间常数远小于机械时间常数， 可以认为在控制周期内负载转矩恒定， 综合式 (1)- 式 (3)， 得到永磁同步电机状态方程如式 (4) 所示 ： 0055 0056 其中e为电机转子实际角速度， Pn为电机极对数 ； f为转子永磁体产生的磁势 ； id、 iq为旋转坐标系下定子电流矢量， Ld、 Lq分别为定子直轴电感和定子交轴电感 ； J 为转动 惯量 ； TL为负载转矩 ； B 为粘滞摩擦系数。 0057 以负载转矩和转子电角速度作为状态变量， 构造的传统负载力矩辨识滑模观测器 速度估算的公式如下 ： 0058 0059 式中 ：为饱和函数。
45、， k 为滑模增益 ； l 为估算力矩值反馈增益 ； 为电机转子估算角速度， Zes由控制函数 Zs经低通滤波器滤波而得， 称为等效控制函数， 即 0060 Zes Zsc/(s+c) (6) 0061 式 (6) 中 c为低通滤波器截止频率， 用式 (5) 减式 (4) 得滑模观测器的误差动 态方程如下所示 ： 0062 0063 根据滑模控制理论， 定义如下的滑模面 ： 0064 0065 当系统进入稳态， 在滑模面上进行滑动时， 满足可得 0066 0067 最后， 还需要注意的是， 以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然， 本发明 不限于以上实施例， 还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直 接导出或联想到的所有变形， 均应认为是本发明的保护范围。 说 明 书 CN 103997272 A 11 1/1 页 12 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103997272 A 12 。