CN108306570A - 永磁同步电机直接转矩控制方法及系统 - Google Patents

永磁同步电机直接转矩控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于super‑twisting滑模和EKF观测器的直接转矩控制方法及系统，用于对永磁同步电机的控制，包括以下步骤：测量三相逆变器输出端的电流ia、ib、ic和电压ua、ub、uc；将三相电流和三相电压转换成静止坐标系下的电流iα、iβ和电压uα、uβ后输入到EKF观测器模块中，估算出定子磁链ψs、电机转速n、电磁转矩Te和转子位置θe；计算定子磁链ψs和所述电磁转矩Te与定子磁链给定值和电磁转矩给定值的差值，并将所述差值输入到super‑twisting模块控制得到静止坐标系下的电压将电压输入到SVPWM模块，合成最优电压矢量，控制所述逆变器开关状态来控制电机的运行。本发明提高永磁同步电机的控制性能，减小转矩脉动，同时减小逆变器的开关动作次数。

Description

永磁同步电机直接转矩控制方法及系统
技术领域
本公开涉及电机控制技术领域，具体是一种基于super-twisting滑模和EKF观测器的直接转矩控制系统，可以应用于对永磁同步电机的控制。
背景技术
永磁同步电动机(PMSM)由于自身结构简单，具有转速平稳、动态响应快、过载能力强、可靠性高、结构多样化、应用范围广等优点，已成为研究热点，并得到广泛的应用。
直接转矩控制(DTC)摒弃了传统矢量控制中的解耦思想，而是将转子磁通定向更换为定子磁通定向，取消了旋转坐标变换，减弱了系统对电机参数的依赖性，通过实时检测电机定子电压和电流，计算转矩和磁链的幅值，并分别与转矩和磁链的给定值比较，利用所得差值来控制定子磁链的幅值及该矢量相对于磁链的夹角，由转矩和磁链调节器直接输出所需的空间电压矢量，从而达到磁链和转矩直接控制的目的。但直接转矩控制系统存在转矩和磁链脉动，开关频率变化等缺陷。
发明内容
本公开的一个方面的目的是提供一种基于super-twisting滑模和EKF观测器的直接转矩控制方法，以提高永磁同步电机的控制性能，减小转矩脉动，同时减小逆变器的开关动作次数。super-twisting的中文含义是超扭曲，EKF的中文含义是拓展卡尔曼滤波。
为了实现上述目的，其技术解决方案为：
一种永磁同步电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：
测量三相逆变器输出端的电流ia、ib、ic和电压ua、ub、uc；
将所述三相电流和所述三相电压转换成静止坐标系下的电流iα、iβ和电压uα、uβ后输入到EKF观测器模块中，估算出定子磁链ψs、电机转速n、电磁转矩Te和转子位置θe；
计算所述定子磁链ψs和所述电磁转矩Te与定子磁链给定值和电磁转矩给定值的差值，并将所述差值输入到super-twisting模块控制得到静止坐标系下的电压
将所述电压输入到SVPWM模块，合成最优电压矢量，控制所述逆变器开关状态来控制电机的运行。
本公开的另一个方面的目的是提供一种基于super-twisting滑模和EKF观测器的直接转矩控制系统，以提高永磁同步电机的控制性能，减小转矩脉动，同时减小逆变器的开关动作次数。
为了实现上述目的，其技术解决方案为：
一种永磁同步电机直接转矩控制系统，包括：
与永磁同步电机并联的三相逆变器；
电压和电流检测转换模块，用于检测所述三相逆变器电流ia、ib、ic和电压ua、ub、uc，并将其转换成静止坐标系下的电流iα、iβ和电压uα、uβ；
EKF观测器模块，用于检测所述静止坐标系下的电流iα、iβ和电压uα、uβ估算出定子磁链ψs、电机转速n、电磁转矩Te和转子位置θe；
PI模块，用于检测电机转速n与转速给定值n*的差值而输出转矩给定值
super-twisting模块，用于输入所述电磁转矩Te与转矩给定值的差值和所述定子磁链ψs与定子磁链给定值的差值，输出旋转坐标系下的电压
dq/αβ坐标变换模块，用于输入所述电压经过旋转变化得到静止坐标系下的电压
SVPWM模块，用于输入所述电压输出控制所述三相逆变器的开关信号。
本公开的一个方面带来的技术效果是，提高永磁同步电机的控制性能，减小转矩脉动，同时减小逆变器的开关动作次数；采用EKF观测器对转速和磁链进行辨识，相比于传统的电压-电流方程，不受电机参数的影响，也不需要专门的速度传感器采集转速；super-twisting滑模控制器中不含随时间变化的变量，可以消除一阶滑模的抖振现象，具有很强的鲁棒性和抗干扰能力。
附图说明
图1为根据本公开的一种永磁同步电机直接转矩控制系统结构示意图。
图2为根据本公开的EKF模块的原理图。
图3为根据本公开的super-twisting模块的原理图。
图4是传统直接转矩控制的定子磁链仿真波形图。
图5是传统直接转矩控制的电磁转矩仿真模型图。
图6是根据本公开的直接转矩控制定子磁链仿真波形图。
图7是根据本公开的直接转矩控制电磁转矩仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细的说明。
如图1所示，一种基于super-twisting滑模和EKF观测器的永磁同步电机直接转矩控制系统，包括：
与永磁同步电机并联的三相逆变器；
电压和电流检测转换模块，用于检测所述三相逆变器电流ia、ib、ic和电压ua、ub、uc，并将其转换成静止坐标系下的电流iα、iβ和电压uα、uβ；
EKF观测器模块，用于检测所述静止坐标系下的电流iα、iβ和电压uα、uβ，然后经过预测阶段、修正阶段和和科尔曼增益三个阶段估计出电机的ψα、ψβ、ωe、θr等参数，然后通过计算得出电机的定子磁链ψs(静止坐标系下)、电机转速n、电磁转矩Te和转子位置θe；
PI模块，用于检测电机转速n与转速给定值n*的差值而输出转矩给定值
super-twisting模块，用于输入所述电磁转矩Te与转矩给定值的差值和所述定子磁链ψs与定子磁链给定值的差值，输出旋转坐标系下的电压
dq/αβ坐标变换模块，用于输入所述电压经过旋转变化得到静止坐标系下的电压
SVPWM模块，用于输入所述电压输出控制所述三相逆变器的开关信号。
如图2所示的EKF观测器模块，以X＝[ψα ψβ ωe θr]T作为状态变量，U＝[uα uβ]T为输入变量，Y＝[iα iβ]T为输出变量，ψα、ψβ为定子磁链ψs在αβ轴的分量，ωe为转子的电角速度，θr为定子磁链和转子磁链之间的相对位置。
用于EKF观测估计的PMSM状态方程为：
式中：其中Rs为定子电阻，Ls为定子电感，ψf为永磁体转子磁链；
将式(1)线性化再离散化处理得：
Ts为采样周期；
离散化后的状态方程：
式(2)中w(k)为由于电机参数变化和线性化、离散化导致的误差，测量噪声矢量v(k)为对电机输入、输出信号测量引起的误差。应用式(2)，给定系统初始状态，按照EKF数字实现算法，通过递推运算，即可以得到每个采样周期的状态估计值。然后这些估计值作为反馈值与给定值进行比较，进行相应的电机控制。具体的EKF实现算法如下表1所示
表1EKF滤波算法过程
如图3所示的super-twisting模块，包括转矩磁链控制器和定子磁链控制器两部分组成，转矩误差控制器根据给定转矩和估计转矩比较输出转矩误差，转矩误差通过super-twisting控制器设计搭建的数学模型可以得到磁链误差控制器根据给定磁链和估计磁链比较输出磁链误差，磁链误差通过super-twisting控制器设计搭建的数学模型可以得到和通过坐标变换得到uα和uβ输入到SVPWM模块。
在dq坐标系下super-twisting模块的具体设计步骤如下：
dq坐标系下PMSM的数学模型为：
式(3)中：ψf为永磁体转子磁链，ωe为电角速度，Rs为定子电阻，Ls为定子电感，ψr＝ψd+jψq为定子磁链(旋转坐标系下)空间矢量，ir＝id+jiq为定子电流空间矢量，ur＝ud+juq为定子电压空间矢量。
电磁转矩方程为：
式(4)中，pn为电机的极对数。
当定子磁链矢量的方向与d轴方向一致时，磁链幅值表达式为：
ψr＝∫(ud-Rid)dt (5)
基于Super-twisting的磁链控制器为：
式(6)中：为磁链控制器计算得到的d轴电压分量，usd为定子电压在d轴的分量；磁链的滑膜面函数其中为定子磁链给定值；且增益Kp和Ki满足式(7)的稳定条件，
其中Km为李雅普诺夫稳定性判别系数；C为常数，可取正整数。
同理，基于Super-twisting的转矩控制器为：
式(8)中，为磁链控制器计算得到的q轴电压分量，usq为定子电压在q轴的分量，转矩的滑膜面函数其中，为转矩给定值，Te为实际转矩，且增益Kp和Ki满足式(7)的稳定条件，式(6)和式(8)中的r为0或0.5。
本发明另一个实施例公开了一种基于super-twisting滑模和EKF观测器的永磁同步电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：
测量三相逆变器输出端的电流ia、ib、ic和电压ua、ub、uc；
将所述三相电流和所述三相电压转换成静止坐标系下的电流iα、iβ和电压uα、uβ后输入到EKF观测器模块中，估算出定子磁链ψs、电机转速n、电磁转矩Te和转子位置θe；
计算所述定子磁链ψs和所述电磁转矩Te与定子磁链给定值和电磁转矩给定值的差值，并将所述差值输入到super-twisting模块控制得到静止坐标系下的电压
将所述电压输入到SVPWM模块，合成最优电压矢量，控制所述逆变器开关状态来控制电机的运行。
该方法中EKF观测器模块和super-twisting模块的设计如前所述，这里不在赘述。
本公开也进行了实验验证，实验条件给定转速1500r/min，负载转矩为0起动，在0.2s时突加转矩1.5N ·m，仿真时间为0.4s。图4和图5是传统直接转矩控制下的磁链和转矩波形图，图6和图7是本公开控制下的磁链和转矩波形图，从图5和图7中对比可以看出，基于本公开的方法下，可以有效降低转矩脉动和磁链脉动，增强了系统的鲁棒性，提高了系统的稳定性。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
测量三相逆变器输出端的电流ia、ib、ic和电压ua、ub、uc；
将所述三相电流和所述三相电压转换成静止坐标系下的电流iα、iβ和电压uα、uβ后输入到EKF观测器模块中，估算出定子磁链ψs、电机转速n、电磁转矩Te和转子位置θe；
计算所述定子磁链ψs和所述电磁转矩Te与定子磁链给定值和电磁转矩给定值的差值，并将所述差值输入到super-twisting模块控制得到静止坐标系下的电压
将所述电压输入到SVPWM模块，合成最优电压矢量，控制所述逆变器开关状态来控制电机的运行。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，所述EKF观测器模块的设计步骤包括：
以X＝[ψα ψβ ωe θr]T作为状态变量，U＝[uα uβ]T为输入变量，Y＝[iα iβ]T为输出变量，ψα、ψβ为定子磁链ψs在αβ轴的分量，ωe为转子的电角速度，θr为定子磁链和转子磁链之间的相对位置；
用于EKF观测估计的PMSM状态方程为：
式中：
其中Rs为定子电阻，Ls为定子电感，ψf为永磁体转子磁链；
将式(1)线性化再离散化处理得：
其中Ts为采样周期；
离散化后的状态方程：
式(2)中w(k)为由于电机参数变化和线性化、离散化导致的误差，测量噪声矢量v(k)为对电机输入、输出信号测量引起的误差。
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，在dq坐标系下建立所述super-twisting模块，具体包括以下步骤：
dq坐标系下PMSM的数学模型为：
式(3)中：ψf为永磁体转子磁链，ωe为电角速度，Rs为定子电阻，Ls为定子电感，ψr＝ψd+jψq为定子磁链空间矢量，ir＝id+jiq为定子电流空间矢量，ur＝ud+juq为定子电压空间矢量；
电磁转矩方程为：
式(4)中，pn为电机的极对数；
当定子磁链矢量的方向与d轴方向一致时，磁链幅值表达式为：
ψr＝∫(ud-Rid)dt (5)
基于Super-twisting的磁链控制器为：
式(6)中：为磁链控制器计算得到的d轴电压分量，usd为定子电压在d轴的分量；磁链的滑膜面函数其中为定子磁链给定值；且增益Kp和Ki满足式(7)的稳定条件，
Km为李雅普诺夫稳定性判别系数，C为常数；
同理，基于Super-twisting的转矩控制器为：
式(8)中，为磁链控制器计算得到的q轴电压分量，usq为定子电压在q轴的分量，转矩的滑膜面函数其中，为转矩给定值，Te为实际转矩，且增益Kp和Ki满足式(7)的稳定条件，式(6)和式(8)中的r为0或0.5。
4.一种永磁同步电机直接转矩控制系统，其特征在于，包括：
与永磁同步电机并联的三相逆变器；
电压和电流检测转换模块，用于检测所述三相逆变器电流ia、ib、ic和电压ua、ub、uc，并将其转换成静止坐标系下的电流iα、iβ和电压uα、uβ；
EKF观测器模块，用于检测所述静止坐标系下的电流iα、iβ和电压uα、uβ估算出定子磁链ψs、电机转速n、电磁转矩Te和转子位置θe；
PI模块，用于检测电机转速n与转速给定值n*的差值而输出转矩给定值
super-twisting模块，用于输入所述电磁转矩Te与转矩给定值的差值和所述定子磁链ψs与定子磁链给定值的差值，输出旋转坐标系下的电压
dq/αβ坐标变换模块，用于输入所述电压经过旋转变化得到静止坐标系下的电压
SVPWM模块，用于输入所述电压输出控制所述三相逆变器的开关信号。
5.根据权利要求4所述的永磁同步电机直接转矩控制系统，其特征在于，所述EKF观测器模块：
以X＝[ψα ψβ ωe θr]T作为状态变量，U＝[uα uβ]T为输入变量，Y＝[iα iβ]T为输出变量，ψα、ψβ为定子磁链在αβ轴的分量，ωe为转子的电角速度，θr为定子磁链和转子磁链之间的相对位置；
用于EKF观测估计的PMSM状态方程为：
式中：
其中Rs为定子电阻，Ls为定子电感，ψf为永磁体转子磁链；
将式(9)线性化再离散化处理得：
其中Ts为采样周期；
离散化后的状态方程：
式(10)中w(k)为由于电机参数变化和线性化、离散化导致的误差，测量噪声矢量v(k)为对电机输入、输出信号测量引起的误差。
6.根据权利要求4所述的永磁同步电机直接转矩控制系统，其特征在于，在dq坐标系下建立所述super-twisting模块：
dq坐标系下PMSM的数学模型为：
式(11)中：ψf为永磁体转子磁链，ωe为电角速度，Rs为定子电阻，Ls为定子电感，ψr＝ψd+jψq为定子磁链空间矢量，ir＝id+jiq为定子电流空间矢量，ur＝ud+juq为定子电压空间矢量；
电磁转矩方程为：
式(12)中，pn为电机的极对数；
当定子磁链矢量的方向与d轴方向一致时，磁链幅值表达式为：
ψr＝∫(ud-Rid)dt (13)
基于Super-twisting的磁链控制器为：
式(14)中：为磁链控制器计算得到的d轴电压分量，usd为定子电压在d轴的分量；磁链的滑膜面函数其中为定子磁链给定值；且增益Kp和Ki满足式(15)的稳定条件，
其中Km为李雅普诺夫稳定性判别系数，C为常数；
同理，基于Super-twisting的转矩控制器为：
式(16)中，为磁链控制器计算得到的q轴电压分量，usq为定子电压在q轴的分量，转矩的滑膜面函数其中，为转矩给定值，Te为实际转矩，且增益Kp和Ki满足式(7)的稳定条件，式(6)和式(8)中的r为0或0.5。
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