CN108683370A - 一种基于自适应滑模观测器的无刷直流电机转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于自适应滑模观测器的无刷直流电机转矩控制方法，属于电机转矩控制领域。本发明对传统滑模控制器中切换函数做出了改进，很好地抑制了传统滑模观测器带来的“抖振”现象，同时还解决了非奇异终端滑模观测器中出现的收敛速度在系统离平衡点处较远时变慢的现象，所涉及的系统对电机参数和外界干扰有很好的自适应效果。本发明为了抑制直接转矩控制中出现的转矩脉动，保持系统稳定，所涉及的非奇异终端自适应滑模观测器为无刷直流电机直接转矩控制提供了一种可行的方案。

Description

一种基于自适应滑模观测器的无刷直流电机转矩控制方法

技术领域

本发明属于电机转矩控制领域，特别涉及一种基于自适应滑模观测器的无刷直流电机转矩控制方法。

背景技术

直接转矩控制技术通过直接控制电动机中的转矩来达到控制电机的效果，在直接转矩控制中关键是得到实时的转矩值，而转矩值与反电动势值有关，因此获取反电动势在直接转矩控制中显得尤其重要。

滑模观测器是一种比较特殊的非线性控制系统结构，通过切换开关，使系统从切换控制结构转换到等效控制结构，最终使得系统在有限的时间内稳定在平衡点。由于存在结构切换过程，使得滑模观测器存在较大的系统“抖振”；针对这种情况，现有技术中提出了终端滑模的概念，能在很大程度上解决线性滑模的渐进收敛和系统“抖振”的缺点，但在平衡点处存在奇异现象；现有技术中还有一种滑模观测器，虽然解决了平衡处的奇异问题和消除了系统的“抖振”，但是在远离平衡点时系统收敛速度变慢动态性能变差而且系统的抗外界干扰的能力不足。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，提出了一种基于自适应滑模观测器的无刷直流电机转矩控制方法，消除了系统的“抖振”，同时又使得系统远离平衡点时的收敛速度变快，系统的抗干扰性能和动态性能得到改善。

一种基于自适应滑模观测器的无刷直流电机转矩控制方法，应用于无刷直流电机控制系统，所述系统包括转矩控制器模块、转矩计算模块、非奇异终端自适应滑模观测器模块、转矩滞环控制器模块、矢量控制专家系统模块、Clark电流变换模块、Clark电压变换模块及角速度计算模块，所述方法包括以下步骤：

步骤1，采集无刷直流电机中的转子实时位置θ，所述角速度计算模块计算得到所述无刷直流电机的角速度w_e；

步骤2，将角速度w_e和给定角速度做差，将角速度差值Δw_e通过所述转矩控制器模块得到所述电机的给定转矩

步骤3，采集所述无刷直流电机的三相电压值u_a、u_b、u_c和三相电流值i_a、i_b、i_c，所述Clark电压变换模块根据所述三相电压值得到静止坐标系下的电压u_α、u_β，所述Clark电流变换模块根据所述三相电流值得到静止坐标系下的电流i_α、i_β；

步骤4，根据得到的静止坐标系下的电压u_α、u_β和电流i_α、i_β，所述非奇异终端自适应滑模观测器模块得到估计电流进而得到反电势的值e_α、e_β；

步骤5，根据所述非奇异终端自适应滑模观测器模块得到的反电势的值e_α、e_β和所述Clark电流变换模块输出的静止坐标系下的电流i_α、i_β以及所述角速度计算模块输出的w_e，所述转矩计算模块计算得到实时转矩T_e；

步骤6，将所述实时转矩T_e和给定转矩做差，得到转矩差值ΔT_e和转矩差值变化率通过所述非奇异终端自适应滑模观测器模块自适应更新系统；

步骤7，根据所述转矩差值ΔT_e，所述转矩滞环控制器模块输出控制参数τ；

步骤8，根据所述控制参数τ和转子实时位置θ，通过所述矢量控制专家系统，得到下一时刻的电压矢量，以调整所述无刷直流电机的转速达到预设值。

进一步地，所述步骤3包括以下流程：

将采集到的所述无刷直流电机的三相电压值u_a、u_b、u_c通过所述Clark电压变换模块变换得到静止坐标系下的电压u_α、u_β，将采集到的所述无刷直流电机的三相电流值i_a、i_b、i_c通过所述Clark电流变换模块变换得到静止坐标系下的电流i_α、i_β，其中，Clark变换的矩阵为

无刷直流电机在αβ轴上的电流状态方程为

其中，i_α、i_β为定子电流在静止坐标系αβ轴上的分量，u_α、u_β为定子电压在静止坐标系αβ轴上的分量，e_α、e_β为无刷直流电机的反电动势值。

进一步地，所述步骤4包括以下流程：

根据得到的静止坐标系下的电压u_α、u_β和电流i_α、i_β，所述非奇异终端自适应滑模观测器模块得到估计电流进而得到反电势的值e_α、e_β，所述非奇异终端自适应滑模观测器模块的表达式为

其中，为所述非奇异终端自适应滑模观测器模块计算得出的估计电流，R为定子相电阻，L为定子相电感，v_α、v_β为预设的观测器控制率；

将所述非奇异终端自适应滑模观测器模块的表达式方程和所述电流状态方程做差，得到定子电流误差的方程表达式

其中，和为定子电流在静止坐标系αβ轴上的观测误差分量，e_α、e_β为反电动势。

进一步地，所述步骤4还包括以下流程：

所述系统的滑模切换面的表达式为

其中，为定子电流的观测误差，p、q为正奇数，且t＞1，g(ΔT_e)和为自适应系统函数，ΔT_e为转矩差值，为转矩差值的变化率，

进一步地，所述步骤4还包括以下流程：

控制率v_α、v_β的表达式为

v＝v_eq+v_n

其中，式中，λ＞0，μ＞0。

进一步地，所述步骤5包括以下流程：

所述转矩计算模块中转矩计算公式为

其中，p为所述无刷直流电机的极对数。

进一步地，所述步骤6包括以下流程：

g(ΔT_e)和为自适应系统函数，表达式为

式中，σ＞0，η＞0，ξ＞1，m和n为已知正常数。

进一步地，所述步骤7包括以下流程：

所述转矩滞环控制器的表达式为

其中，为已知的正常数。

进一步地，所述步骤8包括以下流程：

所述矢量控制专家系统模块根据所述控制参数τ控制转矩变化，根据所述转子实时位置θ得到转子的当前位置，得到下一时刻的电压矢量，调整所述无刷直流电机的转速以达到预设值。

进一步地，所述步骤8包括以下流程：

当τ＝1时，增加转矩；当τ＝0时，转矩不变；当τ＝-1时，减小转矩。

本发明的有益效果：本发明提出的一种基于自适应滑模观测器的无刷直流电机转矩控制方法，对传统滑模控制器中切换函数做出了改进，很好地抑制了传统滑模观测器带来的“抖振”现象，同时还解决了非奇异终端滑模观测器中出现的收敛速度在系统离平衡点处较远时变慢的现象，所涉及的系统对电机参数和外界干扰有很好的自适应效果。本发明为了抑制直接转矩控制中出现的转矩脉动，保持系统稳定，所涉及的非奇异终端自适应滑模观测器为无刷直流电机直接转矩控制提供了一种可行的方案。

附图说明

图1为本发明实施例的无刷直流电机控制系统的结构示意图。

图2为本发明实施例的流程图。

图中：10-无刷直流电机控制系统；110-转矩控制器模块；120-转矩计算模块；130-非奇异终端自适应滑模观测器模块；140-转矩滞环控制器模块；150-矢量控制专家系统模块；160-Clark电流变换模块；170-Clark电压变换模块；180-角速度计算模块；20-无刷直流电机。

具体实施方式

本发明所要解决的技术问题，就是得到准确实时的反电动势，从而得到具体实时的转矩值。为了抑制直接转矩控制中出现的转矩脉动，保持系统稳定。

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。

本发明提出了一种基于自适应滑模观测器的无刷直流电机20转矩控制方法，应用于无刷直流电机控制系统10，请参阅图1，无刷直流电机控制系统10包括转矩控制器模块110、转矩计算模块120、非奇异终端自适应滑模观测器模块130、转矩滞环控制器模块140、矢量控制专家系统模块150、Clark电流变换模块160、Clark电压变换模块170及角速度计算模块180，无刷直流电机控制系统10与无刷直流电机20电性连接。

请参阅图2，本发明提出的控制方法通过以下步骤实现：

步骤1，采集无刷直流电机20中的转子实时位置θ，所述角速度计算模块180计算得到所述无刷直流电机20的角速度w_e。

本实施例中，角速度计算模块180中的计算公式为

步骤2，将角速度w_e和给定角速度做差，将角速度差值Δw_e通过所述转矩控制器模块110得到所述电机的给定转矩

步骤3，采集所述无刷直流电机20的三相电压值u_a、u_b、u_c和三相电流值i_a、i_b、i_c，所述Clark电压变换模块170根据所述三相电压值得到静止坐标系下的电压u_α、u_β，所述Clark电流变换模块160根据所述三相电流值得到静止坐标系下的电流i_α、i_β。

本实施例中，将采集到的所述无刷直流电机20的三相电压值u_a、u_b、u_c通过所述Clark电压变换模块170变换得到静止坐标系下的电压u_α、u_β，将采集到的所述无刷直流电机20的三相电流值i_a、i_b、i_c通过所述Clark电流变换模块160变换得到静止坐标系下的电流i_α、i_β，其中，Clark变换的矩阵为

无刷直流电机20在αβ轴上的电流状态方程为

其中，i_α、i_β为定子电流在静止坐标系αβ轴上的分量，u_α、u_β为定子电压在静止坐标系αβ轴上的分量，e_α、e_β为无刷直流电机20的反电动势值。

步骤4，根据得到的静止坐标系下的电压u_α、u_β和电流i_α、i_β，所述非奇异终端自适应滑模观测器模块130得到估计电流进而得到反电势的值e_α、e_β。

本实施例中，根据得到的静止坐标系下的电压u_α、u_β和电流i_α、i_β，所述非奇异终端自适应滑模观测器模块130得到估计电流进而得到反电势的值e_α、e_β，所述非奇异终端自适应滑模观测器模块130的表达式为

其中，为所述非奇异终端自适应滑模观测器模块130计算得出的估计电流，R为定子相电阻，L为定子相电感，v_α、v_β为预设的观测器控制率；

将所述非奇异终端自适应滑模观测器模块130的表达式方程和所述电流状态方程做差，得到定子电流误差的方程表达式

其中，和为定子电流在静止坐标系αβ轴上的观测误差分量，e_α、e_β为反电动势。

本实施例中，所述系统的滑模切换面的表达式为

其中，为定子电流的观测误差，p、q为正奇数，且t＞1，g(ΔT_e)和为自适应系统函数，ΔT_e为转矩差值，为转矩差值的变化率，

本实施例中，控制率v_α、v_β的表达式为

v＝v_eq+v_n

其中，式中，λ＞0，μ＞0。

构造Lyapunov函数为，对Lyapunov函数求导，表达式为

说明系统是稳定的。

步骤5，根据所述非奇异终端自适应滑模观测器模块130得到的反电势的值e_α、e_β和所述Clark电流变换模块160输出的静止坐标系下的电流i_α、i_β以及所述角速度计算模块180输出的w_e，所述转矩计算模块120计算得到实时转矩T_e；

本实施例中，所述转矩计算模块120中转矩计算公式为

其中，p为所述无刷直流电机20的极对数。

步骤6，将所述实时转矩T_e和给定转矩做差，得到转矩差值ΔT_e和转矩差值变化率通过所述非奇异终端自适应滑模观测器模块130自适应更新系统。

本实施例中，g(ΔT_e)和为自适应系统函数，表达式为

式中，σ＞0，η＞0，ξ＞1，m和n为已知正常数。

步骤7，根据所述转矩差值ΔT_e，所述转矩滞环控制器模块140输出控制参数τ。

本实施例中，所述转矩滞环控制器的表达式为

其中，为已知的正常数。

步骤8，根据所述控制参数τ和转子实时位置θ，通过所述矢量控制专家系统，得到下一时刻的电压矢量，以调整所述无刷直流电机20的转速达到预设值。

本实施例中，所述矢量控制专家系统模块150根据所述控制参数τ控制转矩变化，根据所述转子实时位置θ得到转子的当前位置，二者结合，得到下一时刻的电压矢量，调整所述无刷直流电机20的转速以达到预设值。

当τ＝1时，增加转矩；当τ＝0时，转矩不变；当τ＝-1时，减小转矩。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于自适应滑模观测器的无刷直流电机转矩控制方法，应用于无刷直流电机控制系统，其特征在于，所述系统包括转矩控制器模块、转矩计算模块、非奇异终端自适应滑模观测器模块、转矩滞环控制器模块、矢量控制专家系统模块、Clark电流变换模块、Clark电压变换模块及角速度计算模块，所述方法包括以下步骤：

步骤1，采集无刷直流电机中的转子实时位置θ，所述角速度计算模块计算得到所述无刷直流电机的角速度w_e；

步骤2，将角速度w_e和给定角速度做差，将角速度差值Δw_e通过所述转矩控制器模块得到所述电机的给定转矩

步骤3，采集所述无刷直流电机的三相电压值u_a、u_b、u_c和三相电流值i_a、i_b、i_c，所述Clark电压变换模块根据所述三相电压值得到静止坐标系下的电压u_α、u_β，所述Clark电流变换模块根据所述三相电流值得到静止坐标系下的电流i_α、i_β；

步骤4，根据得到的静止坐标系下的电压u_α、u_β和电流i_α、i_β，所述非奇异终端自适应滑模观测器模块得到估计电流进而得到反电势的值e_α、e_β；

步骤5，根据所述非奇异终端自适应滑模观测器模块得到的反电势的值e_α、e_β和所述Clark电流变换模块输出的静止坐标系下的电流i_α、i_β以及所述角速度计算模块输出的w_e，所述转矩计算模块计算得到实时转矩T_e；

步骤6，将所述实时转矩T_e和给定转矩T_e ^*做差，得到转矩差值ΔT_e和转矩差值变化率通过所述非奇异终端自适应滑模观测器模块自适应更新系统；

步骤7，根据所述转矩差值ΔT_e，所述转矩滞环控制器模块输出控制参数τ；

步骤8，根据所述控制参数τ和转子实时位置θ，通过所述矢量控制专家系统，得到下一时刻的电压矢量，以调整所述无刷直流电机的转速达到预设值。

2.如权利要求1所述的基于自适应滑模观测器的无刷直流电机转矩控制方法，其特征在于，所述步骤3包括以下流程：

将采集到的所述无刷直流电机的三相电压值u_a、u_b、u_c通过所述Clark电压变换模块变换得到静止坐标系下的电压u_α、u_β，将采集到的所述无刷直流电机的三相电流值i_a、i_b、i_c通过所述Clark电流变换模块变换得到静止坐标系下的电流i_α、i_β，其中，Clark变换的矩阵为

无刷直流电机在αβ轴上的电流状态方程为

其中，i_α、i_β为定子电流在静止坐标系αβ轴上的分量，u_α、u_β为定子电压在静止坐标系αβ轴上的分量，e_α、e_β为无刷直流电机的反电动势值。

3.如权利要求2所述的基于自适应滑模观测器的无刷直流电机转矩控制方法，其特征在于，所述步骤4包括以下流程：

根据得到的静止坐标系下的电压u_α、u_β和电流i_α、i_β，所述非奇异终端自适应滑模观测器模块得到估计电流进而得到反电势的值e_α、e_β，所述非奇异终端自适应滑模观测器模块的表达式为

其中，为所述非奇异终端自适应滑模观测器模块计算得出的估计电流，R为定子相电阻，L为定子相电感，v_α、v_β为预设的观测器控制率；

将所述非奇异终端自适应滑模观测器模块的表达式方程和所述电流状态方程做差，得到定子电流误差的方程表达式

其中，和为定子电流在静止坐标系αβ轴上的观测误差分量，e_α、e_β为反电动势。

4.如权利要求3所述的基于自适应滑模观测器的无刷直流电机转矩控制方法，其特征在于，所述步骤4还包括以下流程：

所述系统的滑模切换面的表达式为

其中，为定子电流的观测误差，p、q为正奇数，且和为自适应系统函数，ΔT_e为转矩差值，为转矩差值的变化率，

5.如权利要求3所述的基于自适应滑模观测器的无刷直流电机转矩控制方法，其特征在于，所述步骤4还包括以下流程：

控制率v_α、v_β的表达式为

v＝v_eq+v_n

其中，式中，

6.如权利要求3所述的基于自适应滑模观测器的无刷直流电机转矩控制方法，其特征在于，所述步骤5包括以下流程：

所述转矩计算模块中转矩计算公式为

其中，p为所述无刷直流电机的极对数。

7.如权利要求6所述的基于自适应滑模观测器的无刷直流电机转矩控制方法，其特征在于，所述步骤6包括以下流程：

g(ΔT_e)和为自适应系统函数，表达式为

式中，σ＞0，η＞0，ξ＞1，m和n为已知正常数。

8.如权利要求7所述的基于自适应滑模观测器的无刷直流电机转矩控制方法，其特征在于，所述步骤7包括以下流程：

所述转矩滞环控制器的表达式为

其中，为已知的正常数。

9.如权利要求8所述的基于自适应滑模观测器的无刷直流电机转矩控制方法，其特征在于，所述步骤8包括以下流程：

所述矢量控制专家系统模块根据所述控制参数τ控制转矩变化，根据所述转子实时位置θ得到转子的当前位置，得到下一时刻的电压矢量，调整所述无刷直流电机的转速以达到预设值。

10.如权利要求9所述的基于自适应滑模观测器的无刷直流电机转矩控制方法，其特征在于，所述步骤8包括以下流程：

当τ＝1时，增加转矩；当τ＝0时，转矩不变；当τ＝-1时，减小转矩。