CN106208858A - 一种永磁同步电机控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种永磁同步电机控制系统，由主电路和控制电路构成，控制电路包括位置检测电路，转速控制外环模块，转矩控制内环模块、电流环模块和空间矢量脉宽调制模块。主要在转速控制外环模块中加入积分型变指数滑模变结构控制器，位于转速外环的积分型变指数滑模变结构控制器，是以转子角速度与给定的转速之差作为输入信号，输出转矩指令控制信号。本发明还提供了一种永磁同步电机控制方法。本发明将积分型变指数滑模变结构控制方法在永磁同步电机矢量控制中进行应用，可以有效降低滑模抖振，增强系统鲁棒性，提高系统动态响应品质。

Description

一种永磁同步电机控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制领域，特别涉及一种永磁同步电机控制系统及其控制方法。

背景技术

矢量控制是一种高性能的交流变频调速技术，广泛运用于永磁同步电机变频调速中。矢量控制基本思想是通过坐标变换将定子电流分解成励磁分量和转矩分量，从而对转子磁链和电磁转矩进行解耦控制，加快了系统的响应速度。永磁同步电机的矢量控制根据不同应用领域其主要方法有：id＝0控制、恒磁链控制、最大转矩电流控制、弱磁控制等。近几年对先进控制策略的研究非常活跃，各种新型控制算法运用于永磁同步电机调速系统中。传统的PI调节器受系统参数扰动和外部扰动等因素大，实际生产中对控制系统控制精度、响应速度以及抗干扰性的要求越来越高，传统PI控制器的永磁同步电机控制系统已经难以满足生产对系统的特性要求。

滑模变结构控制的原理，是根据系统所期望的动态特性来设计系统的切换超平面，通过滑动模态控制器使系统状态从超平面之外向切换超平面收束。系统一旦到达切换超平面，控制作用将保证系统沿切换超平面到达系统原点，这一沿切换超平面向原点滑动的过程称为滑模控制。由于系统的特性和参数只取决于设计的切换超平面而与外界干扰没有关系，所以滑模变结构控制具有很强的鲁棒性。

然而滑模抖振的存在一方面会影响系统控制精度，另一方面也会使控制系统产生振荡，破坏控制系统的性能。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供了一种有效减弱滑模抖振，提高系统鲁棒性，稳定性和动态品质的基于积分型变指数滑模变结构的永磁同步电机控制系统。

技术方案：本发明提供了一种永磁同步电机控制系统，包括主电路和控制电路，所述控制电路包括位置检测电路，转速控制外环模块，转矩控制内环模块、电流环模块和空间矢量脉宽调制模块；其中，所述位置检测电路用于检测转子的位置；所述转速控制外环模块用于控制电机的转速；所述转矩控制内环模块控制电机的转矩；所述电流环模块将转矩控制信号与反馈信号比较的结果进行PI控制和park逆变换；所述空间矢量脉宽调制模块输出六路PWM波到主电路中；所述位置检测电路将检测到的转子位置进行角速度计算；将计算得到的角速度传输到转速控制外环模块中，与给定转速信号相比较后,经过转速控制外环模块的调节,得到转矩指令信号，转矩指令信号作为转矩控制内环模块的给定信号与反馈信号进行比较；在电流环模块中将比较结果进行PI控制，同时,经过坐标变换后,通过空间矢量脉宽调制模块进行调制，输出六路整流电源至主电路中的逆变器中，再由逆变器逆变后对电机供电。

进一步，所述转速控制外环模块中包括滑膜变结构控制器，所述滑膜变结构控制器在转速控制外环中，以转子角速度ω与给定转速ω*之间的转速差ω₁作为输入信号，根据公式得到转矩控制信号i_q；其中，J为转动惯量，B为电机的摩擦系数，ω是转子角速度，ω₁是转速差，s(t)是滑模面，T_e为实时转矩值，T_L表示负载转矩，下标L表示负载，ε、k、c均为正的常数，n_p为电机的极对数，ψ_r为永磁体与定子交链磁链。

进一步，所述位置检测电路中采用增量式光电编码器。

本发明还提供了一种采用上述永磁同步电机控制系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：位置检测电路检测转子的位置，并根据公式ω＝dθ/dt计算得到转子角速度ω；

步骤2：转速控制外环模块采用积分型变指数滑模变结构控制器对步骤1计算得到的转子角速度ω与给定转速信号相比较的结果进行调节,得到转矩控制信号i_q；

步骤3：步骤2得到的转矩控制信号i_q作为转矩控制内环模块的给定信号与反馈信号进行比较；

步骤4：步骤3得到的比较结果直接输入到电流环模块中进行PI控制和park逆变换；

步骤5：步骤4中经过park逆变换的信号通过空间矢量脉宽调制模块进行调制，输出六路整流电源至主电路中的逆变器中。

进一步，所述步骤3中的反馈信号的获得方法为：对逆变器输出的三相电流依次进行clark变换和park变换得到反馈信号。

有益效果：与现有技术相比，本发明采用基于积分型变指数滑模控制器，能够使电流环的控制不受永磁同步电机的参数变化及外部扰动的影响，减少系统稳定时的波动，提高稳态精度。同时本发明采用变指数趋近律，大大减弱系统的高频抖振，提高了系统的稳定性。本发明提供的系统具有很强的鲁棒性，调节精度高。

附图说明

图1为初始时本发明系统示意图；

图2为本发明工作时的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1～2所示，以立式包装机系统为例，电机带动闸刀切割包装膜。本实施例中采用的永磁同步电机控制系统中包括主电路和控制电路，控制电路包括位置检测电路，转速控制外环模块，转矩控制内环模块、电流环模块和空间矢量脉宽调制模块，位置检测电路先检测到的转子位置，再根据转子的位置进行角速度计算，将计算得到的角速度传输到转速控制外环模块中，计算得到的角速度与给定转速信号进行比较并调节，将调节后的结果输出到转矩控制内环模块中，调节后的结果作为转矩控制内环模块的给定信号与反馈信号进行比较，在电流环模块中将比较结果进行PI控制，同时,经过坐标变换后,通过空间矢量脉宽调制模块进行调制，输出六路整流电源至主电路中的逆变器中，再由逆变器逆变后对电机供电。其中，主电路是由逆变器对来自SVPWM的六路整流电源进行逆变后，再对电机进行供电。SVPWM模块是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。

其中，位置检测电路用来实时检测转子位置角θ，并根据公式ω＝dθ/dt得到转子角速度ω。位置检测电路中采用增量式光电编码器，检测转子的相位角。

转速控制外环模块中采用积分型变指数滑模变结构控制器，将给定转速ω^*与测量得到的转速ω之差ω₁进入滑模面滑动，这样可以避免系统参数和外界扰动造成影响。具体实施中，以转子角速度ω与给定转速ω^*之间的转速差ω₁作为转速控制外环模块的输入信号，转速控制外环模块的输出信号是转矩指令控制信号，其中，输入信号ω₁与转矩控制信号i_q的关系是：

$s\left(t\right)={\mathrm{\ω}}_1+c{\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_{1}dt;$

$\mathrm{sgn}\&lsqb;s\left(t\right)\&rsqb;=\left\{\begin{array}{cc}+1& s\left(t\right)=0\\ 0& s\left(t\right)>0\\ -1& s\left(t\right)<0\end{array}\right.;$

$i_q=\frac{2J}{3n_p{\mathrm{\&psi;}}_r}\&lsqb;\mathrm{\&epsiv;}\left|{\mathrm{\&omega;}}_1\right|\mathrm{sgn}\&lsqb;s\left(t\right)\&rsqb;+ks\left(t\right)+\frac{B}{J}\mathrm{\&omega;}+\frac{1}{J}{T}_L+{\mathrm{c\&omega;}}_1\&rsqb;;$

式中，c表示积分常数，t表示时间，J为转动惯量，B为电机的摩擦系数，ω是转子角速度，ω₁是转速差，s(t)是滑模面，T_e为实时转矩值，ε、k是正的常数，T_L表示负载转矩，下标L表示负载。然后根据公式得到实时转矩T_e。

得到转矩控制信号i_q之后，在转矩控制内环模块中对转矩控制信号i_q和反馈信号进行比较，将比较结果输入到电流环模块依次进行PI控制和park逆变换，变换到两相静止αβ坐标系下，得到两相静止αβ坐标系下的正交电压u_α、u_β，其中，和分别表示系统未运行时永磁同步电机定子三相电流在dq坐标系下的初始值；u_d ^*、u_q ^*分别表示系统未运行时永磁同步电机定子三相电压在dq坐标下的初始值；分别为给定电机转速时系统t＝0时刻的两相静止αβ坐标系下的正交电压。将其输入SVPWM模块，U_dc为直流母线电压，再由逆变器对于来自SVPWM的六路整流电源逆变后对电机进行供电。对逆变之后的三相电流采样得到i_a、i_b、i_c，通过矢量变换，变换到dq坐标系下。反馈信号是先对三相电流i_a、i_b、i_c进行clark变换得到i_α、i_β，再进行park变换得到的i_d、i_q。

本实施例中的滑模变结构控制器的工作原理：

一、建立永磁同步电机数学模型：

dq坐标系下的永磁同步电机数学模型，其电压方程为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_s+L_{d}p& -{\mathrm{\&omega;}}_e{L}_q\\ {\mathrm{\&omega;}}_e{L}_d& R_s+L_{q}p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+{\mathrm{\&omega;}}_e\left[\begin{array}{c}0\\ {\mathrm{\&psi;}}_r\end{array}\right];$

式中：u_d、u_q分别为d轴和q轴上的电压；i_d、i_q分别为d轴和q轴上的电流；L_d、L_q分别为直、交轴电感；R_s为电机的定子绕组的电阻；ω_e为电机的电角速度；ψ_r为永磁体与定子交链磁链；p为微分符号。

永磁同步电机的转矩方程为：

$T_e=\frac{3}{2}{n}_p\&lsqb;{\mathrm{\&psi;}}_r{i}_q+(L_d-L_q)i_d{i}_q\&rsqb;;$

式中：T_e为永磁同步电机的转矩；n_p为电机的极对数。对于面贴式永磁同步电机(下文简称，SPMSM)，有L_d＝L_q＝L，转矩方程可以简化为：

$T_e=\frac{3}{2}{n}_p{\mathrm{\&psi;}}_r{i}_q;$

永磁同步电机运动方程为：

$T_e-T_L-B\mathrm{\&omega;}=J\frac{{\mathrm{d\&omega;}}_m}{dt};$

式中：T_L为负载转矩；ω_m为电机的机械角速度；B为电机的摩擦系数；J为电机转动惯量。

二、设计滑模面

设计合适的滑模面，可以保证滑模变结构控制的鲁棒性强，动态品质良好。积分型滑模面可以保证状态量从初始时刻到最终时刻都具有良好的鲁棒性，在相当大的范围内抗扰动能力强。

设计积分型滑模面为：

三、求取控制率

为提高系统的动态品质，采用指数趋近律来设计控制器，但是基于指数趋近律的滑模控制器，缺点在于其控制器输出为高频带状，使系统出现较大幅度的高频抖振，大大降低了系统的稳定性。为了弥补其自身的缺陷，本发明对其进行改进，采用变指数趋近律，形式如下：

s'＝-ε|ω₁|sgn[s(t)]-ks(t)；

式中ε、k均为正的常数，s’为求导后的滑模面。

由此可得：

$i_q=\frac{2J}{3n_p{\mathrm{\&psi;}}_r}\&lsqb;\mathrm{\&epsiv;}\left|{\mathrm{\&omega;}}_1\right|\mathrm{sgn}\&lsqb;s\left(t\right)\&rsqb;+ks\left(t\right)+\frac{B}{J}\mathrm{\&omega;}+\frac{1}{J}{T}_L+{\mathrm{c\&omega;}}_1\&rsqb;;$

因为：即可以计算得到实时转矩值T_e。

与现有的积分型滑模面，常规指数趋近律来设计滑模变结构控制器相比，本发明将变指数趋近律和积分滑模面结合，加快了系统趋向滑模面的时间，同时在即将达到滑模面时不再以固定速度到达，而是根据当前趋近速度变化，使趋近平稳，可以减弱滑模抖振，提高响应时间，鲁棒性强。变指数趋近律可以加快系统到达滑模面的时间，在趋近滑模面时速度逐渐降低，可以很好的抑制滑模抖振，提高响应速度。当前技术系统响应时间为0.2s，采用本发明提供的方法电机转速能够在0.1s内响应给定转速，并且由于积分滑模消除了稳态误差，超调为0。当有外界扰动时，原有技术有10r/min的波动，本发明只有3r/min的波动，鲁棒性强。采用本发明提供的永磁同步电机控制系统的立式包装机的生产效率有了很大的提升，由原来的一分钟包装100件提高到120件。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种永磁同步电机控制系统，其特征在于：包括主电路和控制电路，所述控制电路包括位置检测电路，转速控制外环模块，转矩控制内环模块、电流环模块和空间矢量脉宽调制模块；其中，所述位置检测电路用于检测转子的位置；所述转速控制外环模块用于控制电机的转速；所述转矩控制内环模块控制电机的转矩；所述电流环模块将转矩控制信号与反馈信号比较的结果进行PI控制和park逆变换；所述空间矢量脉宽调制模块输出六路PWM波到主电路中；所述位置检测电路将检测到的转子位置进行角速度计算；将计算得到的角速度传输到转速控制外环模块中，与给定转速信号相比较后,经过转速控制外环模块的调节,得到转矩指令信号，转矩指令信号作为转矩控制内环模块的给定信号与反馈信号进行比较；在电流环模块中将比较结果进行PI控制，同时,经过坐标变换后,通过空间矢量脉宽调制模块进行调制，输出六路整流电源至主电路中的逆变器中，再由逆变器逆变后对电机供电。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述转速控制外环模块中包括滑膜变结构控制器，所述滑膜变结构控制器在转速控制外环中，以转子角速度ω与给定转速ω*之间的转速差ω₁作为输入信号，根据公式输出转矩控制信号i_q；其中，J为转动惯量，B为电机的摩擦系数，ω是转子角速度，ω₁是转速差，s(t)是滑模面，T_L表示负载转矩，下标L表示负载。ε、k、c均为正的常数，n_p为电机的极对数，ψ_r为永磁体与定子交链磁链。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述位置检测电路中采用增量式光电编码器。

4.一种采用权利要求1所述的永磁同步电机控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：位置检测电路检测转子的位置，并根据公式ω＝dθ/dt计算得到转子角速度ω；

步骤2：转速控制外环模块采用积分型变指数滑模变结构控制器对步骤1计算得到的转子角速度ω与给定转速信号相比较的结果进行调节,得到转矩控制信号i_q；

步骤3：步骤2得到的转矩控制信号i_q作为转矩控制内环模块的给定信号与反馈信号进行比较；

步骤4：步骤3得到的比较结果直接输入到电流环模块中进行PI控制和park逆变换；

步骤5：步骤4中经过park逆变换的信号通过空间矢量脉宽调制模块进行调制，输出六路整流电源至主电路中的逆变器中。

5.根据权利要4所述的永磁同步电机控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤3中的反馈信号的获得方法为：对逆变器输出的三相电流依次进行clark变换和park变换得到反馈信号。