CN107359837B - 基于滑模观测器和自抗扰的永磁同步电机转矩控制方法 - Google Patents

基于滑模观测器和自抗扰的永磁同步电机转矩控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于滑模观测器和自抗扰控制的永磁同步电机转矩控制系统及方法，其对永磁电机转矩进行快速精确控制。本发明首先设计了一种最小阶扩展磁链滑模观测器；然后设计了一种自抗扰电流控制器；最后将观测器输出的电磁转矩与上位机输出的给定转矩信号作差值输入到PI控制器中；进一步将PI控制器输出的q轴电流信号和观测器输出的dq轴磁链分量输入到自抗扰控制器中，从而构成转矩闭环。本发明所提出的永磁同步电机转矩控制系统及方法，可使电机输出转矩动态响应速度更快，且无超调现象。且本发明将滑模观测器与自抗扰技术相结合，进一步提升了永磁同步电机转矩控制的可靠性和鲁棒性，可广泛应用于以永磁同步电机为驱动系统的场合。

Description

基于滑模观测器和自抗扰的永磁同步电机转矩控制方法
技术领域
本发明属于永磁同步电机控制设备的技术领域，尤其涉及一种基于滑模观测器和自抗扰控制的永磁同步电机转矩控制系统及方法，适用于永磁同步电机转矩的快速高精度控制。
背景技术
永磁同步电机以其体积小、高效率、功率密度大等优点，广泛应用于航空航天、数控机床、电动汽车和轨道牵引等众多对转矩性能要求较高的特种电气传动领域。随着永磁同步电机应用领域范围拓广，其对伺服系统控制的性能也提出了越来越高的要求。高性能永磁同步电机伺服系统控制，要求具有较宽的转矩范围，且在全部转矩范围内能快速准确的输出电磁转矩。
电磁转矩快速响应和低转矩脉动是衡量伺服性能重要的指标之一，因此，与电磁转矩直接相关的电流环动态特性已成为决定伺服系统动态品质的核心因素。传统的电流环控制器为PI控制器，它以鲁棒性、简易性等优点广泛应用于永磁交流电机驱动。但是这类控制器存在积分饱和，且是一个非线性，多输入的耦合系统，在高性能伺服系统中很难满足电流环所需的动态性能。然而，自抗扰电流控制器继承了PI控制器的优点，而且可以抑制超调，并对外界扰动和磁链的变化具有较强的鲁棒性。
由于电机输出转矩的有效观测是构建转矩闭环控制系统的关键。为此，要实现永磁同步电机转矩的高精度控制，则需要有效准确地观测电机的输出转矩。因此，本发明采用了一种基于扩展磁链的滑模观测器来观测电机的输出转矩。该观测器对永磁体失磁、外界扰动及数学模型误差具有很好鲁棒性。
发明内容
本发明提供一种基于滑模观测器和自抗扰控制的永磁同步电机转矩控制系统及方法，目的是解决现有技术中存在缺陷的永磁同步电机转矩的高精度和强鲁棒性控制的技术问题。该装置结合了滑模观测器与自抗扰控制技术，实现了电机输出转矩的快速响应、无超调、高精度控制。
本发明一方面提供一种基于滑模观测器和自抗扰控制的永磁同步电机转矩控制方法，所述方法是基于永磁同步电机控制系统的，包括：
步骤1，建立失磁故障情况下的永磁同步电机数学模型；
步骤2，设计基于最小阶扩展磁链滑模观测器；
步骤3，设计自抗扰电流控制器。
进一步的，步骤1的具体过程为：
步骤1.1，在dq坐标系中建立永磁同步电机数学模型其中，磁链方程为，/>
式中，Rs为定子绕组电阻，Ld、Lq分别为定子绕组的d、q轴电感，ud、uq分别为定子绕组的d、q轴电压，id、iq分别为定子绕组的d、q轴电流，ψr为转子永磁体磁链，ψd、ψq分别为定子绕组的d、q轴磁链分量，ω为转子电角速度，np为转子磁极对数，D为微分算子；
步骤1.2，在dq坐标系中建立失磁故障情况下永磁同步电机数学模型，永磁体失磁后磁链方程变为失磁故障情况下永磁同步电机数学模型为
式中，ψrd、ψrq分别为永磁体磁链在dq坐标系下产生的新的磁链分量；
步骤1.3，对失磁故障情况下的永磁同步电机数学模型进行重构
步骤1.4，在αβ坐标系中建立失磁故障情况下永磁同步电机数学模型uαβ＝Rsiαβ+DLqiαβ+Dψαβ，
式中，uαβ＝[uα uβ]T为定子绕组α、β轴电压，iαβ＝[iα iβ]T为定子绕组α、β轴电流，ψαβ＝[ψα ψβ]T为α、β坐标轴的扩展磁链，θ为转子电角度，Te为电磁转矩，ψs为定子磁链矢量，np为定子极对数，其中，/>Dψαβ＝ωJψαβ；
进一步的，步骤2的具体过程为：
步骤2.1，构建以扩展磁链为状态变量的状态空间表达式
式中，y为输出向量；
步骤2.2，设计扩展磁链滑模状态观测器
式中，和/>分别为ψαβ和y的观测值；
步骤2.3，电磁转矩的实时观测
步骤2.4，dq轴磁链分量的实时观测
进一步的，步骤3的具体过程为：
步骤3.1，在dq坐标系下以定子电流为状态变量，建立失磁故障情况下的永磁同步电机电流模型
步骤3.2，建立失磁故障情况下永磁同步电机数学模型的规范化形式其中，扰动项，/>参数项，/>
步骤3.3，设计省略非线性跟踪微分器的自抗扰电流控制器，非线性状态误差反馈取为，控制项为，/>其中，/>
本发明另一方面提供一种基于滑模观测器和自抗扰控制的永磁同步电机转矩控制系统，所述系统包括：扩展磁链滑模观测器，所述扩展磁链滑模观测器包括滑模观测器、dq磁链分量观测单元、定子磁链观测单元、电磁转矩观测单元；滑模观测器的输出端分别与dq磁链分量观测单元和定子磁链观测单元的输入端连接；定子磁链观测单元的输出端与电磁转矩观测单元的输入端连接；dq磁链分量观测单元的输出端与自抗扰控制器连接；
其中，滑模观测器，用于根据αβ轴的电压电流信号uα、uβ、iα、iβ和速度信号ω，来获取αβ轴的磁链分量观测值
dq磁链分量观测单元，用于根据滑模观测器输出的αβ轴磁链分量观测值和d轴的电流信号id、角度信号θ，来获取dq轴的磁链分量观测值/>
定子磁链观测单元，用于根据滑模观测器输出的αβ轴磁链分量观测值和αβ轴的电流信号iα、iβ，来获取αβ轴的定子磁链分量观测值/>
电磁转矩观测单元，用于根据定子磁链观测单元输出的αβ轴定子磁链分量观测值和αβ轴的电流信号iα、iβ，来获取电机的电磁转矩反馈值/>
进一步的，所述系统还包括：自抗扰电流控制器，所述自抗扰电流控制器包括非线性跟踪微分单元、扩张状态观测单元、状态误差反馈控制律模块；非线性跟踪微分单元的输出端与扩张状态观测单元的输入端连接；扩张状态观测单元的输出端与状态误差反馈控制律模块的输入端连接；所述扩张状态观测单元的输入端还与dq磁链分量观测单元的输出端连接；
其中，自抗扰电流控制器，用于根据dq磁链分量观测单元输出的dq轴磁链分量观测值和dq轴电流的反馈信号id、iq，上位机输出的d轴电流给定信号/>PI控制器输出的q轴电流给定信号/>来获取控制永磁同步电机所需的电压值ud、uq；
进一步的，所述系统还包括：PI控制器；所述PI控制器用于根据扩展磁链滑模观测器输出的电磁转矩观测值和上位机1输出的给定转矩信号TL的差值，来获取q轴电流的给定信号/>
本实施例提供的基于滑模观测器和自抗扰控制的永磁同步电机转矩控制系统及方法，可使永磁同步电机的输出转矩动态响应速度更快，且无超调现象，实现了永磁同步电机转矩的快速精确控制。且将滑模观测器与自抗扰控制技术相结合，进一步提升了永磁同步电机转矩控制的可靠性和鲁棒性。本发明可广泛应用于以永磁同步电机为驱动系统的场合。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。
图1为根据本发明实施例一的基于滑模观测器和自抗扰控制的永磁同步电机转矩控制方法的流程示意图；
图2为根据本发明实施例二的基于滑模观测器和自抗扰控制的永磁同步电机转矩控制系统的原理示意图；
图3为根据本发明实施例三的系统结构示意图；
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例一
本实施例的永磁同步电机转矩控制方法的执行主体是滑模观测器和自抗扰电流控制器，图1为根据本发明实施例一的基于滑模观测器和自抗扰控制的永磁同步电机转矩控制方法的流程示意图。如图1所示，本实施例提供基于滑模观测器和自抗扰控制的永磁同步电机转矩控制方法，所述方法是基于永磁同步电机控制系统的，包括：
步骤1，建立失磁故障情况下的永磁同步电机数学模型；
步骤2，设计基于最小阶扩展磁链滑模观测器；
步骤3，设计自抗扰电流控制器。
进一步的，步骤1的具体过程为：
步骤1.1，在dq坐标系中建立永磁同步电机数学模型其中，磁链方程为，/>
式中，Rs为定子绕组电阻，Ld、Lq分别为定子绕组的d、q轴电感，ud、uq分别为定子绕组的d、q轴电压，id、iq分别为定子绕组的d、q轴电流，ψr为转子永磁体磁链，ψd、ψq分别为定子绕组的d、q轴磁链分量，ω为转子电角速度，np为转子磁极对数，D为微分算子；
步骤1.2，在dq坐标系中建立失磁故障情况下永磁同步电机数学模型，永磁体失磁后磁链方程变为失磁故障情况下永磁同步电机数学模型为
式中，ψrd、ψrq分别为永磁体磁链在dq坐标系下产生的新的磁链分量；
步骤1.3，对失磁故障情况下的永磁同步电机数学模型进行重构
步骤1.4，在αβ坐标系中建立失磁故障情况下永磁同步电机数学模型uαβ＝Rsiαβ+DLqiαβ+Dψαβ，
式中，uαβ＝[uα uβ]T为定子绕组α、β轴电压，iαβ＝[iα iβ]T为定子绕组α、β轴电流，ψαβ＝[ψα ψβ]T为α、β坐标轴的扩展磁链，θ为转子电角度，Te为电磁转矩，ψs为定子磁链矢量，np为定子极对数，其中，/>Dψαβ＝ωJψαβ；
进一步的，步骤2的具体过程为：
步骤2.1，构建以扩展磁链为状态变量的状态空间表达式
式中，y为输出向量；
步骤2.2，设计扩展磁链滑模状态观测器
式中，和/>分别为ψαβ和y的观测值；
步骤2.3，电磁转矩的实时观测
步骤2.4，dq轴磁链分量的实时观测
进一步的，步骤3的具体过程为：
步骤3.1，在dq坐标系下以定子电流为状态变量，建立失磁故障情况下的永磁同步电机电流模型
步骤3.2，建立失磁故障情况下永磁同步电机数学模型的规范化形式
其中，扰动项，/>参数项，/>
步骤3.3，设计省略非线性跟踪微分器的自抗扰电流控制器，非线性状态误差反馈取为，控制项为，/>其中，/>
实施例二
图2为根据本发明实施例二的基于滑模观测器和自抗扰控制的永磁同步电机转矩控制系统的原理示意图，如图2所示，所述系统包括：扩展磁链滑模观测器7、自抗扰电流控制器8、PI控制器9、上位机1、上位机2；自抗扰电流控制器8的输入端分别与扩展磁链滑模观测器7的输出端、上位机2的输出端、PI控制器9的输出端连接，PI控制器9的输入端与上位机1的输出端、扩展磁链滑模观测器7的输出端连接。
所述扩展磁链滑模观测器7包括：滑模观测器71、定子磁链观测单元72、电磁转矩观测单元73、dq磁链分量观测单元74；滑模观测器71的输出端分别与定子磁链观测单元72的输入端、dq磁链分量观测单元74的输入端连接，电磁转矩观测单元73的输入端与定子磁链观测单元72的输出端连接，dq磁链分量观测单元74的输出端与扩张状态观测单元82的输入端连接。
所述自抗扰电流控制器8包括：非线性跟踪微分单元81、扩张状态观测单元82、状态误差反馈控制律模块83；非线性跟踪微分单元81的输出端与扩张状态观测单元82的输入端连接，扩张状态观测单元82的输出端与状态误差反馈控制律模块83的输入端连接。
图2可知，基于滑模观测器和自抗扰控制的永磁同步电机转矩控制系统的具体实现步骤如下：
1、首先将电机的αβ轴电压电流信号uα、uβ、iα、iβ和转速信号ω输入到滑模观测器71中；
2、滑模观测器71根据输入的电机信息，将计算出αβ轴磁链分量观测值
3、定子磁链观测单元72根据滑模观测器71输出的αβ轴磁链分量观测值和电机的αβ轴电流信号iα、iβ，来计算出αβ轴的定子磁链分量观测值/>
4、电磁转矩观测单元73根据定子磁链观测单元72输出的αβ轴定子磁链分量观测值和电机的αβ轴电流信号iα、iβ，来计算出电机的电磁转矩反馈值/>
5、将电磁转矩观测单元73输出的电磁转矩反馈值与上位机1输出的给定转矩值作差值输入到PI控制器9中，PI控制器9根据转矩偏差信号来获取q轴电流的给定信号/>
6、dq磁链分量观测单元74根据滑模观测器71输出的αβ轴磁链分量观测值和电机的d轴电流信号id、角度信号θ，来计算出dq轴的磁链分量观测值/>
7、将PI控制器9输出的q轴电流的给定信号上位机2输出的d轴电流的给定信号dq磁链分量观测单元74输出的dq轴磁链分量观测值/>来计算出控制永磁同步电机1所需要的电压值ud、uq。
实施例三
本实施例是在实施例一的基础上进行的补充说明。
图3为根据本发明实施例二的系统结构示意图，要实现所述系统，还需要：永磁同步电机1、信号采集单元2、三相桥式逆变电路3、SVPWM模块4、光电编码器5、坐标变换模块6、逆Park变换模块10；坐标变换模块6的输出端分别与扩展磁链滑模观测器7的输入端、自抗扰电流控制器8的输入端、逆Park变换模块10的输入端连接，逆Park变换模块10的输出端与SVPWM模块4的输入端连接，SVPWM模块4的输出端与三相桥式逆变电路3的输入端连接，三相桥式逆变电路3的输出端与信号采集单元2的输入端连接，信号采集单元2的输出端与坐标变换模块6的输入端连接。
具体的，逆Park变换模块10，用于根据dq轴电压信号和角度信号θ，获取αβ轴电压信号；SVPWM模块4，用于根据αβ轴电压信号，获取6路PWM调制波；三相桥式逆变电路3，用于根据6路PWM调制波，获取控制永磁同步电机所需的三相交流电；信号采集单元2，用于实时采集三相静止坐标系下的电压电流信号ia、ib、uab、ubc；光电编码器5，用于实时检测电机的角度信号θ和转速信号ω；坐标变换模块6，用于根据三相静止坐标系下的电压电流信号ia、ib、uab、ubc和角度信号θ，获取αβ轴系下的电压电流信号iα、iβ、uα、uβ和dq轴系下的电流信号id、iq。
图3可知，基于滑模观测器和自抗扰控制的永磁同步电机转矩控制系统的具体实施步骤如下：
1、首先将光电编码器5检测得到的电机角度信号θ和信号采集单元2得到三相静止坐标系下的电压电流信号ia、ib、uab、ubc输入到坐标变换模块6中，来获取αβ轴系下的电压电流信号iα、iβ、uα、uβ和dq轴系下的电流信号id、iq；
2、将坐标变换模块6输出的电压电流信号uα、uβ、iα、iβ、id和光电编码器5检测得到的电机角度信号θ、转速信号ω输入扩展磁链滑模观测器7中，来获取dq轴的磁链分量观测值和电磁转矩反馈值/>
3、将PI控制器9输出的q轴电流的给定信号扩展磁链滑模观测器7输出的dq轴磁链分量观测值/>上位机2输出的d轴电流的给定信号/>坐标变换模块6输出的电流信号id、iq输入自抗扰电流控制器8中，来获取控制永磁同步电机的电压ud、uq；
4、逆Park变换模块10根据自抗扰电流控制器8输出的电压值ud、uq和光电编码器5检测得到的角度信号θ，来获取αβ轴的电压信号uα、uβ；
5、SVPWM模块4根据逆Park变换模块10输出的αβ轴电压信号uα、uβ，来获取6路PWM调制波；
6、三相桥式逆变电路3根据SVPWM模块4输出的6路PWM调制波，来获取控制永磁同步电机1的三相交流电，从而可实现永磁同步电机1转矩快速精确控制的目的。
本实施例提供的基于滑模观测器和自抗扰控制的永磁同步电机转矩控制系统及方法，能在永磁体失磁及外部存在扰动的情况下，实现永磁同步电机转矩的快速精确控制。且本发明将滑模观测器与自抗扰控制技术相结合，进一步提升了永磁同步电机转矩控制的可靠性和鲁棒性。本发明可广泛应用于以永磁同步电机为驱动系统的场合。虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (5)

1.一种基于滑模观测器和自抗扰的永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，建立失磁故障情况下的永磁同步电机数学模型；所述步骤1的具体过程为：
步骤1.1，在dq坐标系中建立永磁同步电机数学模型
其中，磁链方程为/>式中，Rs为定子绕组电阻，Ld、Lq分别为定子绕组的d、q轴电感，ud、uq分别为定子绕组的d、q轴电压，id、iq分别为定子绕组的d、q轴电流，ψr为转子永磁体磁链，ψd、ψq分别为定子绕组的d、q轴磁链分量，ω为转子电角速度，D为微分算子；
步骤1.2，在dq坐标系中建立失磁故障情况下永磁同步电机数学模型，永磁体失磁后磁链方程变为失磁故障情况下永磁同步电机数学模型为
式中，ψrd、ψrq分别为永磁体磁链在dq坐标系下产生的新的磁链分量；
步骤1.3，对失磁故障情况下的永磁同步电机数学模型进行重构
步骤1.4，在αβ坐标系中建立失磁故障情况下永磁同步电机数学模型
式中，uαβ＝[uα uβ]T为定子绕组α、β轴电压，iαβ＝[iα iβ]T为定子绕组α、β轴电流，ψαβ＝[ψα ψβ]T为α、β坐标轴的扩展磁链，θ为转子电角度，Te为电磁转矩，ψs为定子磁链矢量，np为定子极对数，其中，
Dψαβ＝ωJψαβ；
步骤2，设计最小阶扩展磁链滑模观测器；所述步骤2的具体过程为：
步骤2.1，构建以扩展磁链为状态变量的状态空间表达式
式中，y为输出向量；
步骤2.2，设计扩展磁链滑模状态观测器
式中，和/>分别为ψαβ和y的观测值；/>为αβ轴磁链分量观测值；
步骤2.3，电磁转矩的实时观测
步骤2.4，dq轴磁链分量的实时观测
步骤3，设计自抗扰电流控制器。
2.根据权利要求1所述基于滑模观测器和自抗扰的永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：
步骤3.1，在dq坐标系下以定子电流为状态变量，建立失磁故障情况下的永磁同步电机电流模型
步骤3.2，建立失磁故障情况下永磁同步电机数学模型的规范化形式
其中，扰动项为参数项为/>
步骤3.3，设计省略非线性跟踪微分器的自抗扰电流控制器，非线性状态误差反馈取为其中，/>为d轴电流给定信号，/>为q轴电流给定信号；控制项为其中，/>式中，/>为dq轴磁链分量观测值。
3.一种基于滑模观测器和自抗扰的永磁同步电机转矩控制系统，其特征在于，采用权利要求1-2中任一项记载的一种基于滑模观测器和自抗扰的永磁同步电机转矩控制方法，包括：扩展磁链滑模观测器，所述扩展磁链滑模观测器包括滑模观测器、dq磁链分量观测单元、定子磁链观测单元、电磁转矩观测单元；滑模观测器的输出端分别与dq磁链分量观测单元和定子磁链观测单元的输入端连接；定子磁链观测单元的输出端与电磁转矩观测单元的输入端连接；dq磁链分量观测单元的输出端与自抗扰控制器连接；
其中，滑模观测器，用于根据αβ轴的电压电流信号uα、uβ、iα、iβ和速度信号ω，来获取αβ轴的磁链分量观测值
dq磁链分量观测单元，用于根据滑模观测器输出的αβ轴磁链分量观测值 和d轴的电流信号id、角度信号θ，来获取dq轴的磁链分量观测值/>定子磁链观测单元，用于根据滑模观测器输出的αβ轴磁链分量观测值/>和αβ轴的电流信号iα、iβ，来获取αβ轴的定子磁链分量观测值/>电磁转矩观测单元，用于根据定子磁链观测单元输出的αβ轴定子磁链分量观测值/>和αβ轴的电流信号iα、iβ，来获取电机的电磁转矩反馈值/>。
4.根据权利要求3所述的一种基于滑模观测器和自抗扰的永磁同步电机转矩控制系统，其特征在于，还包括：自抗扰电流控制器，所述自抗扰电流控制器包括非线性跟踪微分单元、扩张状态观测单元、状态误差反馈控制律模块；非线性跟踪微分单元的输出端与扩张状态观测单元的输入端连接；扩张状态观测单元的输出端与状态误差反馈控制律模块的输入端连接；所述扩张状态观测单元的输入端还与dq磁链分量观测单元的输出端连接；
其中，自抗扰电流控制器，用于根据dq磁链分量观测单元输出的dq轴磁链分量观测值和dq轴电流的反馈信号id、iq，上位机输出的d轴电流给定信号/>PI控制器输出的q轴电流给定信号iq *，来获取控制永磁同步电机所需的电压值ud、uq。
5.根据权利要求4所述的一种基于滑模观测器和自抗扰的永磁同步电机转矩控制系统，其特征在于，还包括：PI控制器；所述PI控制器用于根据扩展磁链滑模观测器输出的电磁转矩观测值和上位机1输出的给定转矩信号TL的差值，来获取q轴电流的给定信号/>
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