基于滑模控制理論的永磁同步電機(jī)的控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于永磁同步電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于滑?？刂评碚摰挠?磁同步電機(jī)的控制方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近幾年，隨著稀土永磁材料和電力功率器件的發(fā)展，永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)以其高性能、高轉(zhuǎn)矩慣量比和高能量密度得到了廣泛的 關(guān)注，特別是永磁材料價(jià)格的下降及磁性能的提高，極大地推動(dòng)了永磁同步電機(jī)的發(fā)展和 應(yīng)用。近年來，在高精度、寬調(diào)速范圍的伺服系統(tǒng)中，永磁同步電機(jī)系統(tǒng)正發(fā)揮著越來越重 要的作用。永磁同步電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，它的應(yīng)用環(huán)境一般較為復(fù)雜 且常常存在各種干擾，同時(shí)存在著參數(shù)攝動(dòng)、負(fù)載擾動(dòng)等不確定性。
[0003] 現(xiàn)有的電機(jī)控制技術(shù)中，矢量控制應(yīng)用最為廣泛。永磁同步電機(jī)矢量控制采用速 度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其中，電流環(huán)往往需要先將三相電流經(jīng)過dq變換，然后 分別進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，將PI調(diào)節(jié)的結(jié)果作為PWM的控制量，經(jīng)PWM算法輸出控制信號，完成對 電機(jī)的控制；速度環(huán)一般加入一些控制策略，近年來隨著現(xiàn)代控制理論、電力功率器件和電 力電子技術(shù)以及其它相關(guān)科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，許多關(guān)于永磁同步電機(jī)速度環(huán)的調(diào)速策略紛 紛被提出，如自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、遺傳算法控制等。盡管如此，傳統(tǒng)的矢 量控制電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，且在運(yùn)行過程中電機(jī)參數(shù)會(huì)隨著工況負(fù)荷等發(fā)生變化，即參數(shù) 攝動(dòng)、負(fù)載擾動(dòng)等，進(jìn)而會(huì)影響電機(jī)的控制精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于滑?？刂评碚摰挠?磁同步電機(jī)的控制方法及系統(tǒng)，能在系統(tǒng)受到干擾和不確定參數(shù)同時(shí)存在的情況下快速有 效地調(diào)節(jié)永磁同步電機(jī)的各項(xiàng)輸入和輸出參數(shù)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，魯棒性高，提高了永磁同 步電機(jī)的控制精度及其運(yùn)行的可靠性。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種永磁同步電機(jī)的控制方法， 其特征在于，包括如下步驟：
[0006] (1)采集永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置Θ、轉(zhuǎn)子角速度ω和三相電流ia、ib和i。，對永 磁同步電機(jī)的三相電流ia、ib和i。進(jìn)行Clark變換和Park變換，得到永磁同步電機(jī)在dq 軸坐標(biāo)系下的等效電流ijP i q;
[0007] (2)利用采集的永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子角速度ω和預(yù)設(shè)的永磁同步電機(jī)的參考轉(zhuǎn) 子角速度ω%得到永磁同步電機(jī)的q軸參考電流(6:為：
[0009] 其中，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kp和k 別為下述步驟（3)中PI控制的比例系數(shù)和積分系 數(shù)，4=1.511151^，1115為極對數(shù)，11^為轉(zhuǎn)子磁鏈， 8為拉普拉斯算子，^為〇^的二階導(dǎo)數(shù)， 為ω#的一階導(dǎo)數(shù)，：為ω的一階導(dǎo)數(shù)，α > 〇為常數(shù)，σ為常數(shù)且1 < σ < 2, v為 非奇異終端滑模變量，sat (V)表示對ν求飽和函數(shù)值，k為常數(shù)且k大于永磁同步電機(jī)矢量 控制系統(tǒng)中有界函數(shù)的上下限絕對值的最大值；
[0010] (3)將預(yù)設(shè)的永磁同步電機(jī)的d軸參考電流g;和永磁同步電機(jī)的q軸參考電流ζ 分別與永磁同步電機(jī)在dq軸坐標(biāo)系下的等效電流ijP i q作差后，進(jìn)行PI控制得到dq軸 坐標(biāo)系下的電壓量叫和U q;
[0011] ⑷用于dq軸坐標(biāo)系下的電壓量叫和u q經(jīng)過坐標(biāo)變換以及正弦脈沖寬度調(diào)制得 到永磁同步電機(jī)的三相輸入電壓，驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)運(yùn)行。
[0012] 優(yōu)選地，所述步驟（2)中，非奇異終端滑模變量
[0013] 優(yōu)選地，預(yù)設(shè)永磁同步電機(jī)的d軸參考電流
[0014] 優(yōu)選地，預(yù)設(shè)永磁同步電機(jī)的參考轉(zhuǎn)子角速度為已知常數(shù)或隨時(shí)間變化的已 知量。
[0015] 按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)，其特征在于，包 括：
[0016] 第一模塊，用于米集永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置Θ、轉(zhuǎn)子角速度ω和三相電流ia、i b和i。，對永磁同步電機(jī)的三相電流ia、ib和i。進(jìn)行Clark變換和Park變換，得到永磁同步 電機(jī)在dq軸坐標(biāo)系下的等效電流ijP i q;
[0017] 第二模塊，用于利用采集的永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子角速度ω和預(yù)設(shè)的永磁同步電 機(jī)的參考轉(zhuǎn)子角速度ω%得到永磁同步電機(jī)的q軸參考電流<為：
[0019] 其中，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kp和k 別為下述步驟（3)中PI控制的比例系數(shù)和積分系 數(shù)，4=1.511151^，1115為極對數(shù)，11^為轉(zhuǎn)子磁鏈， 8為拉普拉斯算子，^為〇^的二階導(dǎo)數(shù)， i為ω#的一階導(dǎo)數(shù)，&為ω的一階導(dǎo)數(shù)，α > 〇為常數(shù)，σ為常數(shù)且1 < σ < 2, ν為 非奇異終端滑模變量，sat (V)表示對ν求飽和函數(shù)值，k為常數(shù)且k大于永磁同步電機(jī)矢量 控制系統(tǒng)中有界函數(shù)的上下限絕對值的最大值；
[0020] 第三模塊，用于將預(yù)設(shè)的永磁同步電機(jī)的d軸參考電流?和永磁同步電機(jī)的q軸 參考電流<分別與永磁同步電機(jī)在dq軸坐標(biāo)系下的等效電流ijP i q作差后，進(jìn)行PI控制 得到永磁同步電機(jī)在dq軸坐標(biāo)系下的電壓量^和u q;
[0021] 第四模塊，用于dq軸坐標(biāo)系下的電壓量叫和u q經(jīng)過坐標(biāo)變換以及正弦脈沖寬度 調(diào)制得到永磁同步電機(jī)的三相輸入電壓，驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)運(yùn)行。
[0022] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效 果：
[0023] (1)在永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的速度環(huán)引入非奇異終端滑?？刂疲诜瞧?異終端滑?？刂品椒▽λ俣瓤刂破鬟M(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，得到了較為穩(wěn)定的q軸參考電流；根 據(jù)通用的矢量控制理論，永磁同步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與q軸參考電流成正比例，進(jìn)而使永磁同 步電機(jī)的轉(zhuǎn)速等輸出量能夠在復(fù)雜的工況下跟隨或保持在設(shè)定值，并且其他如轉(zhuǎn)矩、三相 輸出電流等輸出量的響應(yīng)速度及穩(wěn)定性明顯改善，魯棒性得到顯著提高。
[0024] (2)采用了非奇異終端滑?？刂扑惴?，由于非奇異終端滑?？刂葡到y(tǒng)的"結(jié)構(gòu)"并 不固定，而是根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)按照預(yù)定的"滑動(dòng)模態(tài)"的狀態(tài)軌跡滑動(dòng)，因而可以在系統(tǒng)受 到干擾和不確定參數(shù)同時(shí)存在的情況下快速有效地調(diào)節(jié)永磁同步電機(jī)的各項(xiàng)輸入和輸出 參數(shù)，最后使逆變器輸出需要的電壓，使永磁同步電機(jī)的運(yùn)行符合高魯棒性和低抖振的要 求。
[0025] (3)通過非奇異終端滑模的滑動(dòng)模態(tài)設(shè)計(jì)規(guī)避了傳統(tǒng)滑?？刂破娈惉F(xiàn)象（在應(yīng)用 中的某個(gè)特定區(qū)域，控制輸入會(huì)出現(xiàn)無窮大的情況）的發(fā)生，提高了永磁同步電機(jī)系統(tǒng)運(yùn) 行的可靠性。
【附圖說明】
[0026] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的基于滑?？刂评碚摰挠来磐诫姍C(jī)的控制方法的原理示 意圖；
[0027] 圖2是定轉(zhuǎn)子繞組坐標(biāo)變換示意圖；
[0028] 圖3是永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)速度環(huán)的原理示意圖；
[0029] 圖4是永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速波形圖；
[0030] 圖5是永磁同步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0032] 本發(fā)明的目的是克服永磁同步電機(jī)在復(fù)雜工況下面臨的各種參數(shù)和負(fù)載干擾，導(dǎo) 致其控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、控制效果差的缺陷，提供了一種動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、自適應(yīng)能力強(qiáng)、控 制精度高的永磁同步電機(jī)控制方法。該方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)永磁同步電機(jī)的精確控制，而且 能夠在參數(shù)和負(fù)載出現(xiàn)變化時(shí)實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的快速響應(yīng)。
[0033] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的基于滑?？刂评碚摰挠来磐诫姍C(jī)的控制方法包括 如下步驟：
[0034] (1)采集永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置Θ、轉(zhuǎn)子角速度ω和三相電流ia、ib和i。，對永 磁同步電機(jī)的三相電流ia、ib和i。進(jìn)行Clark變換和Park變換，得到永磁同步電機(jī)在dq 軸坐標(biāo)系下的等效電流ijP i q。
[0035] 根據(jù)矢量控制理論，永磁同步電機(jī)的各個(gè)物理量都需要經(jīng)過坐標(biāo)變換，最終在兩 相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq軸坐標(biāo)系）下進(jìn)行控制。定轉(zhuǎn)子繞組坐標(biāo)變換如圖2所示。
[0037] (2)設(shè)定永磁同步電機(jī)的參考轉(zhuǎn)子角速度ω#和d軸參考電流/〕，其中，0，參 考轉(zhuǎn)子角速度可以為常數(shù)，也可以隨時(shí)間變化。
[0038] (3)利用永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子角速度ω和參考轉(zhuǎn)子角速度ω%在永磁同步電機(jī) 的矢量控制系統(tǒng)中通過如下方程進(jìn)行速度控制，得到永磁同步電機(jī)的q軸參考電流ζ s
[0040] 其中，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，<和k i分別為永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中的PI控制器的 比例系數(shù)和積分系數(shù)，kf = 1. 5η ρ Φ f，Φ f為轉(zhuǎn)子磁鏈，η p為極對數(shù)，s為拉普拉斯算子，^ 為參考轉(zhuǎn)子角速度的二階導(dǎo)數(shù)，y為參考轉(zhuǎn)子角速度的一階導(dǎo)數(shù)，&為轉(zhuǎn)子角速度 ω的一階導(dǎo)數(shù)，α > 0為常數(shù)，σ為常數(shù)（1 < σ < 2)，v為非奇異終端滑模變量/滑模 面，sat (ν)表示對ν求飽和函數(shù)值，k為常數(shù)，其取值應(yīng)當(dāng)大于永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng) 中有界函數(shù)的上下限絕對值的最大值。α和k可以根據(jù)永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的函數(shù) 模型取值，也可以直接取為1〇5到10 6數(shù)量級的常數(shù)，非奇異終端滑?？刂品椒ㄗ阋允顾俣?控制的最終結(jié)果收斂至理想值。
[0041] 上述方程的推導(dǎo)過程如下：
[0042] 通用的dq軸坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)的基本數(shù)學(xué)模型如下：
[0044] 其中，Rs為定子電阻，L