基于狀態(tài)觀測器實現(xiàn)轉(zhuǎn)速及負載轉(zhuǎn)矩估計的直流調(diào)速系統(tǒng)

摘 要： 在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，需要傳感器檢測電流和轉(zhuǎn)速的反饋值。介紹了運用狀態(tài)觀測器理論設(shè)計出的一種能夠估計轉(zhuǎn)速和負載轉(zhuǎn)矩參數(shù)的二維觀測器，并介紹了將估值運用到直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計中從而實現(xiàn)負載轉(zhuǎn)矩的擾動補償，使仿真結(jié)果達到了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞： 直流調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速 負載轉(zhuǎn)矩 觀測器

目前直流調(diào)速系統(tǒng)廣泛采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)回路，轉(zhuǎn)速檢測元件有測速發(fā)電機和光電碼盤。直流測速發(fā)電機存在造價高、碳刷需經(jīng)常維護、不易在現(xiàn)有系統(tǒng)上加裝等問題；光電碼盤也有造價高、需與電機軸彈性連接等問題。在構(gòu)成轉(zhuǎn)速負反饋時，通過狀態(tài)觀測器實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的估值是一種可行的途徑。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，負載轉(zhuǎn)矩作為一個外加擾動量而存在。例如，雷達在大風(fēng)環(huán)境下，天線執(zhí)行電機的負載轉(zhuǎn)矩受風(fēng)阻力矩的影響而改變；機床加工零件時，在加工工件的切削過程中，負載力矩要發(fā)生變化，并引起轉(zhuǎn)速的波動或加工誤差。負載轉(zhuǎn)矩的測量是十分困難的，通過負載轉(zhuǎn)矩觀測器估值，可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的測量，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩變化的擾動補償。

通過建立直流電機系統(tǒng)的狀態(tài)方程，運用降維觀測器理論，可實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速和負載轉(zhuǎn)矩觀測的狀態(tài)估值，并可進行電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)和負載轉(zhuǎn)矩的擾動補償。

１ 直流電機系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和負載力矩的降維觀測器估值

圖1是直流電機的結(jié)構(gòu)圖，其中，電機電樞回路電磁時間常數(shù)tl=l/r；電樞電感l(wèi)=11.7mh；電樞等效內(nèi)阻r=1.8ω；反電勢系數(shù)ｃｅ=0.56vs/rad；轉(zhuǎn)矩系數(shù)ｃｍ=0.51nm/a；j=0.027。由結(jié)構(gòu)圖可列出電機狀態(tài)方程：

在電機負載擾動變化緩慢的條件下，將電機負載轉(zhuǎn)矩作常值擾動處理，得：  容易證明，n的秩為3，由能觀測性判據(jù)，此系統(tǒng)狀態(tài)完全能觀測。系統(tǒng)取三個狀態(tài)變量，如果估計三個狀態(tài)變量，則需要設(shè)計一個三維觀測器，考慮到執(zhí)行電機的電樞電流ｉａｘ３容易檢測，而角速度ω（ｘ１）和負載轉(zhuǎn)矩ｍｌ（ｘ２）不易檢測，因此可以利用輸入電壓ｕｄ和系統(tǒng)輸出ｙ（ｘ３）設(shè)計一個二維降維觀測器，由降維觀測器的設(shè)計原則，將狀態(tài)矩陣按兩組分塊，其中，

２ 直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及設(shè)計思想

圖２為調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖中as表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，采用pi調(diào)節(jié)，傳遞函數(shù)，表示pwm變換裝置的放大倍數(shù)，bc表示負載轉(zhuǎn)矩的微分補償環(huán)節(jié)，設(shè)其傳遞函數(shù)為φ（ｓ）可列出：

在未加微分補償環(huán)節(jié)時，當ml向上躍變，由于只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器對負載擾動有抑制作用，將引起轉(zhuǎn)速大幅下降，電樞電流大幅上升；采用微分補償環(huán)節(jié)后，由于對ml進行了微分補償，電動機轉(zhuǎn)速下降較小，電樞電流上升幅度也減小，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性好。

通過對系統(tǒng)進行仿真，可以看到微分補償前后轉(zhuǎn)速和電樞電流變化情況，仿真曲線如圖3所示。