【负载观测】永磁同步电机的负载观测及前馈补偿

前言：闲来无事，看了看电机负载转矩观测及前馈补偿的文章，发现可以把电机的负载转矩给观测出来同时将观测出来的负载转矩作为干扰给前馈补偿回去，这样可以显著地提高电机转速的平稳性。用了一点时间看懂负载转矩观测的文章及完成了对应的仿真，也算做了一点事情，特在此记录。

完成步骤：

Step1. 永磁同步电机的矢量控制控制模型
Step2. 转动惯量辨识
- 仿真结果：
Step3. 负载力矩观测
- 当设置负载力矩为step突变函数时(在1s时，负载由5N突变为10N)负载力矩观测结果：
Step4. 负载力矩前馈补偿仿真结果
- 4.1 负载为step函数时(在1s时，负载由5N突变为10N)负载补偿前后的电机转速(给定转速1800r/min)：
- 4.2 负载为正弦函数时负载补偿前后的电机转速(给定转速1500r/min)：
Step5. 总结

Step1. 永磁同步电机的矢量控制控制模型

学电机的基本操作，这里先把矢量控制模型搭好。

Step2. 转动惯量辨识

由于负载力矩的计算公式中是含有转动惯量这一参数的，所以需要先把转动惯量辨识出来。这里采用遗忘因子最小二乘法辨识转动惯量。

输入转子速度和电磁力矩，输出转动惯量，即得辨识到的转动惯量J。

仿真结果：

辨识到的转动惯量为0.000621417
真实电机参数：
结论：可得辨识效果准确，在1s时出现抖动是因为负载力矩为step突变函数，导致在突变时刻电机的转动惯量会产生一个突变，不过随后很快的恢复到了标准值。

Step3. 负载力矩观测

设置负载力矩观测器，输入电磁力矩，转子速度和上一步辨识到的转动惯量，你可能不信，在观测负载力矩的同时还能观测出电角速度。

当设置负载力矩为step突变函数时(在1s时，负载由5N突变为10N)负载力矩观测结果：

结论：在0.1s之后系统便能够迅速的观测出负载转矩，且稳态误差很小，稳态误差还可以通过调参来进一步降低。当我把负载力矩设为正弦函数时仿真结果是一样的，误差很小，很快能辨识出来，可得负载力矩观测方法是正确的，到这一步大部分工作已完成。

Step4. 负载力矩前馈补偿仿真结果

将观测出来的负载力矩前馈补偿到电流环前：

4.1 负载为step函数时(在1s时，负载由5N突变为10N)负载补偿前后的电机转速(给定转速1800r/min)：

4.2 负载为正弦函数时负载补偿前后的电机转速(给定转速1500r/min)：

结论：蓝色线是负载转矩补偿前，红色线是负载转矩补偿后，可以看到，由于电机的负载力矩突变或是正弦的负载力矩的变化，电机转速也会受到较大的影响，两次结果均表明，如果能将观测到的负载力矩作为干扰给前馈补偿回去，那么会大大的减小负载力矩带来的电机转速变化。

Step5. 总结

在电机矢量控制系统中，电流环的跟踪速度远大于速度环的跟踪速度(一般为十倍以上)。因此当负载转矩发生扰动之后，转速环会经历较长的时间才能作出反应，这样就导致电机的转速受到较大影响。
如果能将观测到的负载转矩对电机的电流环进行前馈补偿，从而使扰动直接作用于电流给定，则可以加快系统对扰动的响应速度，使得电机的输出转矩迅速变化，快速平衡了负载扰动，从而使得转速受到的影响较小。
最后此次仿真圆满成功！