交流伺服電機負載轉矩的在線辨識

0負載扭矩在線觀測高性能通信系統(tǒng)不僅應快速響應調用命令，而且應確保在外部有大量干擾和對象特性發(fā)生變化時保持響應性能。也就是說，當外部參數(shù)發(fā)生變化時，系統(tǒng)必須具有很強的抗干擾性，并且它的動態(tài)特性不會隨著外部參數(shù)的變化而發(fā)生變化。但是,負載轉矩與轉動慣量一樣,是一個很難直接測量的非電物理量,因此需要對其進行在線觀測。文獻提出了一種異步電機的負載轉矩觀測和補償方法;文獻提出了永磁同步電機(PermanentMagnetSynchronousMotor,簡為PMSM)的負載轉矩觀測方法,但其補償存在一定的局限性。電磁轉矩與電機交軸電流存在直接的線性關系,而電機轉速又較易測量,因而使負載轉矩的觀測成為可能。為此,本文設計了一個簡單的負載觀測器,可實時檢測負載轉矩的變化,然后對定子電流進行動態(tài)補償。1軸承誤差識別與速度補償原理1.1ff的計算和轉化由文獻,永磁同步電機的運動方程為Jdωmdt+Bωm=Te?Tl(1)Jdωmdt+Bωm=Τe-Τl(1)定義TF為除電磁轉矩之外的所有轉矩之和,即TF=Bωm+Tl(2)ΤF=Bωm+Τl(2)則FF=Te?Jdωmdt(3)FF=Τe-Jdωmdt(3)又因為Te=32pΨfiq(4)Τe=32pΨfiq(4)式(1)中的加速轉矩分量可以寫成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,電機極對數(shù)p、永磁體磁鏈Ψf、轉動慣量J和刷新周期都可認為是常數(shù),則式(3)可以轉化為TF=k1iq?k2Δn(7)ΤF=k1iq-k2Δn(7)其中:k1=32pΨf；(8)k2=J9.55?Δt。k1=32pΨf；(8)k2=J9.55?Δt。采用模型參考自適應辨識方法,通過式(3)和(4),很容易觀測負載轉矩的變化。1.2溫度對系統(tǒng)防擾系統(tǒng)穩(wěn)定運行的影響負載擾動作用在電流環(huán)之后,只能靠轉速調節(jié)器產生抗擾作用。將負載觀測器的輸出引入電流調節(jié)器的輸入端,作為系統(tǒng)擾動的補償控制輸入,則當負載發(fā)生突變時,負載觀測器的輸出將補償因負載突變而引起的速度變化,從而改善速度環(huán)的動態(tài)響應性能。負載觀測器的輸出是作為擾動的補償控制引入的,因而可作為電流調節(jié)器的給定輸入。將電流環(huán)等效為一階慣性環(huán)節(jié),并將電機負載的輸入作用點前移到電流輸入端,如圖1所示。圖1(a)示出了電流環(huán)用一階慣性環(huán)節(jié)等效情況下,負載轉矩為零時速度環(huán)的動態(tài)結構圖;圖1(b)為有負載TFR作用的同時將觀測到的負載TF作用點前移后的等效動態(tài)結構圖。負載觀測的結果,可認為辨識得到的負載轉矩等于實際系統(tǒng)負載轉矩,即TF=TFR。根據(jù)圖1的結構框圖,利用運算規(guī)則,可以直接寫出調速系統(tǒng)的靜特性方程式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為系統(tǒng)特征多項式,kI=32p2ΨfkΙ=32p2Ψf。由式(9)可知,只要補償系數(shù)β選擇適當,表示電流補償作用的kIβsD(s)TFkΙβsD(s)ΤF就可以補償另一項(Tis+1)sD(s)TF(Τis+1)sD(s)ΤF帶來的靜態(tài)速降,自然就可以達到減小瞬時轉速靜差的目的。這種基于擾動量的補償控制在參數(shù)選擇恰到好處時可使靜差為0,稱為全補償。由式(9)的靜特性方程,可以求出全補償?shù)臈l件。令kIβsD(s)TF=(Tis+1)sD(s)TF(10)kΙβsD(s)ΤF=(Τis+1)sD(s)ΤF(10)得全補償條件β=Tis+1kI=Tis+13p2Ψf/2=β0(11)β=Τis+1kΙ=Τis+13p2Ψf/2=β0(11)式中,β0稱為全補償時的臨界反饋系數(shù)。若β<β0,則閉環(huán)系統(tǒng)仍存在靜差,稱欠補償;若β>β0,則系統(tǒng)靜特性上翹,稱過補償。調速系統(tǒng)中一般不允許存在過補償現(xiàn)象。即使對于全補償這種臨界狀態(tài),如果參數(shù)發(fā)生變化,也會偏到過補償?shù)那闆r,不僅使系統(tǒng)靜特性上翹,還會出現(xiàn)動態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象。在實際調速系統(tǒng)中,速度的瞬態(tài)全補償是無意義的:自動控制系統(tǒng)的本身即具有自動調節(jié)功能,系統(tǒng)在一定程度上減小瞬態(tài)速降,即可大大縮短擾動后的恢復時間。圖2即可證明此問題。圖2示出了系統(tǒng)穩(wěn)定運行中突加負載的轉速響應圖,實線部分為突加負載未補償時的速度變化曲線,此時電機轉速產生一瞬態(tài)降落,而后經調節(jié)器調節(jié)恢復至原運行狀態(tài)。恢復時間的長短與調速系統(tǒng)的機械特性相關:機械特性硬則恢復時間短;機械特性軟則恢復時間長。虛線部分為加入了負載擾動補償后的響應曲線,由于存在實時補償作用,轉速受負載改變影響較小,瞬態(tài)速降得到有效抑制,擾動恢復時間也大大縮短。2不同補償規(guī)則下的性能比較調速系統(tǒng)某時刻突加負載,負載轉矩的辨識與轉速補償效果如圖3所示,圖3中曲線自上而下分別為電磁轉矩Te、負載轉矩辨識值TF、a相反饋電流iaf和電機轉速n。圖3(a)為補償前波形,可以看出,在負載突加時刻,電機轉速有所降落,由原來的2000r/min下降為1990r/min左右,而后系統(tǒng)經自動調節(jié)速度信號返回到2000r/min(由于只關注速度瞬時變化,仿真只給出當前較短時間的響應波形,未給出轉速回升的趨勢。為了較好地說明負載擾動補償控制的作用效果,仿真與實驗中系統(tǒng)所置機械特性較軟)。經圖3(b)補償后,電機轉速瞬態(tài)速降得到有效抑制(約為2r/min左右),補償效果明顯。若補償系數(shù)β選擇不當,就會出現(xiàn)如圖4所示的欠補償(圖4(a))和過補償(圖4(b))情況。與圖3相對應,圖5為某時刻負載突卸的辨識補償圖。其中:圖5(a)為補償環(huán)節(jié)不參與作用時系統(tǒng)響應波形圖,此時速度瞬態(tài)靜差大約為10r/min;圖5(b)為加入補償環(huán)節(jié)后,速降有了明顯減小,約減小為2r/min,這可以從補償前后的波形圖中看出。只要選擇合適的β值,將觀測到的負載轉矩值按β值補償?shù)诫娏鳝h(huán)輸入端,就可以實現(xiàn)轉速變化的補償,系統(tǒng)的抗干擾性能和魯棒性能也隨之提高。但是,補償控制可以補償一部分瞬態(tài)速降以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性,但不能指望它實現(xiàn)無靜差控制,這部分工作可由外環(huán)的反饋控制實現(xiàn)。3負載補償環(huán)節(jié)對負載觀測結果的影響根據(jù)式(7),在軟件伺服系統(tǒng)中,對實際運行中的電機負載轉矩進行觀測。實驗中負載的突加突卸是通過發(fā)電機帶阻性負載完成的:將兩臺同型號電機的同軸相連,一臺作為交流伺服系統(tǒng)的驅動電機,一臺作為發(fā)電機使用,通過調節(jié)空開接可調電阻箱的阻值,可改變負載電流的大小。本實驗電機空載轉速以1500r/min穩(wěn)定運行。負載觀測算法中存在速度微分環(huán)節(jié),需進行濾波處理。圖6示出了引入濾波環(huán)節(jié)前后速度微分信號的變化。可見,引入濾波環(huán)節(jié)后,速度微分信號中的高頻電磁干擾信號已基本濾除,為下一步轉矩信號的觀測打下了基礎。圖7示出了電機在動態(tài)過程中負載轉矩的觀測值。可以看出,負載觀測值基本不受電機速度動態(tài)過程的影響,反映了實際負載轉矩的改變。該實驗中電機空載。將負載觀測器的輸出引入電流調節(jié)器的輸入端,作為系統(tǒng)擾動的補償控制輸入。根據(jù)如圖1所示原理,當負載變化時,負載觀測器的輸出將及時提高或降低系統(tǒng)對電機力矩電流的動態(tài)要求,補償因負載突變而帶來的轉速變化。圖示8出了電機空載時突加額定負載(3.8A)時電機轉速的動態(tài)響應波形圖。圖8(a)為負載觀測結果不參與調節(jié)時的轉速響應波形,電機在不加負載補償環(huán)節(jié)時轉速有較大的瞬時動態(tài)速降;圖8(b)為負載觀測值參與調節(jié)后的電機轉速響應波形,此時轉速的動態(tài)速降已基本得到補償,說明調速系統(tǒng)加入補償環(huán)節(jié)后系統(tǒng)抗擾能力提高較大。圖8(a)中,突加負載后轉速由1500r/min下降為1395r/min,經圖8(b)補償后,轉速僅有不到10r/min的降落,為1492r/min,說明負載補償環(huán)節(jié)的引入減小了動態(tài)速降,有效抑制了負載擾動帶來的轉速變化。負載電流為3.3A時負載突卸補償效果如圖9所示。圖9(a)為負載觀測值不參與補償調節(jié),圖9(b)為加入補償環(huán)節(jié)后的速度響應圖。圖9(a)中,電機帶負載最低轉速為1439r/min,卸去負載后電機轉速恢復為1500r/min,有61r/min的瞬態(tài)速降;加入圖9(b)的補償環(huán)節(jié)后,負載突卸前轉速為1495r/min,突卸后電機轉速重新回到空載轉速,說明系統(tǒng)加入負載后具有很好的抗擾動能力。從實驗結果可以看出,把負載觀測器的輸出引入系統(tǒng)控制環(huán)中作為擾動補償控制信號,可以有效地抑制因負載擾動引起的速度變化,從而改善速度環(huán)動態(tài)影響性能,提高其靜特性硬度。實驗過程中還應注意適當選擇補償?shù)诫娏骺刂贫说碾娏鳌ｋ?/p>