CN107370436A - 一种基于Super‑twisting滑模的直接转矩控制系统 - Google Patents

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杨鑫
迟长春
贾竹青
耿晋中
李明明
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Abstract

一种基于Super‑twisting滑模的直接转矩控制系统，用于对永磁同步电机的控制，其特征在于，所述控制系统三相逆变器与永磁同步电机之间并联连接；定子磁链和转矩估算模块根据测量得到的三相逆变器电压、电流进行估算；PI速度调节器的输入为转速差值输出为给定转矩值；Super‑twisting控制器模块，输入为转矩差值和定子磁链差值，输出为静止坐标下的uα、uβ；SVPWM控制器模块，输入为静止坐标下的uα、uβ输出为三相逆变器的开关信号；三相逆变器模块，输入为逆变器开关信号输出为三相交流电，通过对三相逆变器开关状态的控制，实现对永磁同步电机转速的控制。

Description

一种基于Super-twisting滑模的直接转矩控制系统
技术领域
本发明属于永磁同步电机技术领域，特别涉及一种基于Super-twisting滑模的直接转矩控制系统。
背景技术
永磁同步电机(PMSM)拥有机械效率高、功率因数高、出力大等明显优势，已经被应用到越来越多的高性能场合所使用，发展前景巨大，成为近年来电气传动领域的研究热点。直接转矩控制没有矢量控制的复杂坐标变换，可以直接对转矩进行控制(DTC)，且动态性能良好，并越来越多地应用于各种对电机性能要求较高的场合。
然而，永磁同步电机具有多变量、非线性和强耦合的特点，若要提高控制性能，必须克服不确定因素和非线性对系统性能造成的影响，同时直接转矩控制存在较大的转矩脉动和磁链脉动等问题。现有的技术，主要通过：
(1)增加零矢量抑制转矩脉动，和
(2)利用电压空间矢量调制技术合成最优电压矢量控制逆变器开关抑制转矩脉动，DTC系统采用PI调节器。实践中会有以下缺点：
对于(1)点，增加零矢量虽然可以减小转矩脉动，然而可供选择的电压矢量表是有限的，并不能从根本上消除转矩脉动，
对于(2)点，电压空间矢量调制技术虽然可以根据需要合成任意最优电压空间矢量，并选用PI控制器控制转矩误差，PI调节器虽然具有结构简单、稳定性较好等优点，但其鲁棒性较差，致使系统的抗干扰能力较差，因此有必要加以改进。
发明内容
本发明提供了一种基于Super-twisting滑模的直接转矩控制系统，以解决现有永磁同步电机控制系统的缺陷。Super-twisting的中文含义是超螺旋。
一种基于Super-twisting滑模的直接转矩控制系统，用于对永磁同步电机的控制，所述控制系统包括Super-twisting控制器模块、SVPWM控制模块、PI速度调节器、定子磁链和转矩估算模块和三相逆变器模块，
三相逆变器与永磁同步电机之间并联连接；
定子磁链和转矩估算模块根据测量得到的三相逆变器电压、电流进行估算；
PI速度调节器的输入为转速差值输出为给定转矩值；
Super-twisting控制器模块，输入为转矩差值和定子磁链差值，输出为静止坐标下的uα、uβ；
SVPWM控制器模块，输入为静止坐标下的uα、uβ输出为三相逆变器的开关信号；
三相逆变器模块，输入为逆变器开关信号输出为三相交流电，通过对三相逆变器开关状态的控制，实现对永磁同步电机转速的控制，
其中，Super-twisting控制器模块的设计步骤包括：
在d-q坐标系下建立直接转矩控制的Super-twisting控制器设计，d-q坐标系下的PMSM电压方程：
(1)式中：ud、uq分别定子电压的d-q轴分量；
id、iq分别为定子电流的d-q轴分量；
ψd、ψq为定子磁链的d-q轴电感分量；
定子磁链方程为：
(2)式中：Ld、Lq分别为d-q轴电感分量，表贴式电机定子电感满足Ld＝Lq＝Ls，
电磁转矩方程为：
由式(3)和动态转矩方程可得
根据式(1)、式(2)可得：
根据定子磁链矢量d-q轴坐标系可知，令ψs＝ψsd，则为定子磁链连续导函数为：
式中：Rs、Ls、id、iq、ωm都为有界函数，满足有限时间收敛条件，
Super-twisting磁链控制器能够设计为：
式中：滑模变量是磁链误差且增益KP和KI满足式(8)的稳定条件，
同理，电机电磁转矩连续导函数为：
将式(4)、式(5)带入电磁转矩二阶连续导函数可得：
式中：Pn、ψf、Ls、Rs、ωm、J、B、iq、id、ud、uq都为有界函数，满足有限时间内收敛条件，
Super-twisting转矩控制器设计如下：
(11)式中：滑模变量是转矩误差且增益KP和KI满足上式(8)的稳定条件。
本发明为了进一步抑制永磁同步电机直接转矩控制的转矩脉动和磁链脉动，减小PI控制器对电机参数的敏感性，增强控制系统的鲁棒性，在原有的直接转矩控制系统中加入Super-twisting滑模控制模块使得系统的速度跟踪能力更强，减小系统转矩脉动，增强控制系统的鲁棒性。
本发明是基于Super-twisting滑模的直接转矩控制方法，为永磁同步电机直接转矩控制技术的发展提供了有利的影响，为永磁同步电机的控制方法提供了更多的选择。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1是本发明的基于Super-twisting滑模的直接转矩控制系统的框图。
图2是本发明的Super-twisting控制器的原理图。
图3是本发明实验中的基于现有PI控制器下的转矩波形图。
图4是本发明实施例的Super-twisting控制器下的转矩波形图。
具体实施方式
在本实施方式中，如图1所示，电机为永磁同步电机。控制装置采用Super-twisting滑模的直接转矩控制，以电机作为对象进行控制。
本发明的控制系统如图1所示，利用Super-twisting控制器代替传统直接转矩控制中的转矩PI控制器和参考电压矢量估算模块，通过测量逆变器输出端的三相电流ia、ib、ic和三相电压ua、ub、uc，经坐标变换得到iα、iβ和uα、uβ输入到磁链观测器，估算出定子磁链ψα、ψβ、和转子位置θe，通过计算得到观测的定子磁链ψs和电磁转矩Te，与给定值的差值通过Super-twisting控制得到Uα、Uβ，通过SVPWM模块合成最优电压矢量，控制逆变器开关状态来控制电机。
如图2所示Super-twisting控制器，由两部分组成包括转矩误差控制器和定子磁链误差控制器，转矩误差控制器根据给定转矩与估算转矩通过比较器输出转矩误差，转矩误差通过Super-twisting控制器设计方程搭建的数学模型可以得到ud；磁链误差控制器根据给定磁链与估算磁链通过比较器输出磁链误差，磁链误差通过Super-twisting控制器设计方程搭建的数学模型可以得到ud、uq。ud、uq通过坐标变化模块可以得到Uα、Uβ输入到SVPWM模块。
本发明设计了一种基于Super-twisting滑模的直接转矩控制方法，由于Super-twisting滑模控制器中不包含随时间变化的变量，因此控制系统不受电机运行参数干扰的影响，有很强的鲁棒性。
并且本发明方法也进行了实验验证，实验条件给定转速500r/min，负载转矩为零负载启动，在0.03s时突然增加转矩10N.m，仿真时间为0.06s。图3为基于PI控制器下的PMSM直接转矩控制电机转矩实验波形，图4为本发明提供的基于Super-twisting滑模的直接转矩控制转矩实验波形。从图3和图4对比可以看出基于本发明的方法下，可以有效地降低转矩脉动和磁链脉动，并且增强了系统的了鲁棒性，提高了系统的稳定性。
值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims (1)

1.一种基于Super-twisting滑模的直接转矩控制系统，用于对永磁同步电机的控制，其特征在于，所述控制系统包括Super-twisting控制器模块、SVPWM控制模块、PI速度调节器、定子磁链和转矩估算模块和三相逆变器模块，
三相逆变器与永磁同步电机之间并联连接；
定子磁链和转矩估算模块根据测量得到的三相逆变器电压、电流进行估算；
PI速度调节器的输入为转速差值输出为给定转矩值；
Super-twisting控制器模块，输入为转矩差值和定子磁链差值，输出为静止坐标下的uα、uβ；
SVPWM控制器模块，输入为静止坐标下的uα、uβ输出为三相逆变器的开关信号；
三相逆变器模块，输入为逆变器开关信号输出为三相交流电，通过对三相逆变器开关状态的控制，实现对永磁同步电机转速的控制，
其中，Super-twisting控制器模块的设计步骤包括：
在d-q坐标系下建立直接转矩控制的Super-twisting控制器设计，d-q坐标系下的PMSM电压方程：
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>u</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>s</mi> </msub> <msub> <mi>i</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>d&amp;psi;</mi> <mi>q</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>u</mi> <mi>q</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>s</mi> </msub> <msub> <mi>i</mi> <mi>q</mi> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>d&amp;psi;</mi> <mi>q</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
(1)式中：ud、uq分别定子电压的d-q轴分量；
id、iq分别为定子电流的d-q轴分量；
ψd、ψq为定子磁链的d-q轴电感分量；
定子磁链方程为：
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(2)式中：Ld、Lq分别为d-q轴电感分量，表贴式电机定子电感满足Ld＝Lq＝Ls，
电磁转矩方程为：
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由式(3)和动态转矩方程可得
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根据式(1)、式(2)可得：
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根据定子磁链矢量d-q轴坐标系可知，令ψs＝ψsd，则为定子磁链连续导函数为：
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式中：Rs、Ls、id、iq、ωm都为有界函数，满足有限时间收敛条件，
Super-twisting磁链控制器能够设计为：
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式中：滑模变量是磁链误差且增益KP和KI满足式(8)的稳定条件，
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同理，电机电磁转矩连续导函数为：
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将式(4)、式(5)带入电磁转矩二阶连续导函数可得：
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式中：Pn、ψf、Ls、Rs、ωm、J、B、iq、id、ud、uq都为有界函数，满足有限时间内收敛条件，
Super-twisting转矩控制器设计如下：
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>u</mi> <mi>q</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>P</mi> </msub> <mo>|</mo> <msub> <mi>s</mi> <msub> <mi>T</mi> <mi>e</mi> </msub> </msub> <msup> <mo>|</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> </msup> <mi>sgn</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>s</mi> <msub> <mi>T</mi> <mi>e</mi> </msub> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mover> <mi>u</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>q</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mover> <mi>u</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>q</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>I</mi> </msub> <mi>sgn</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>s</mi> <msub> <mi>T</mi> <mi>e</mi> </msub> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>11</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
(11)式中：滑模变量是转矩误差且增益KP和KI满足上式(8)的稳定条件。
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