CN109412491A - 一种基于双滑模控制的永磁同步电主轴直接转矩调速系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于双滑模控制的永磁同步电主轴直接转矩调速系统及方法，根据永磁同步电主轴的实际转速与给定转速的差值作为PI调节器的给定值，计算出电主轴的转矩；通过采用传感器检测电主轴定子电流和电压，在定子坐标系下观测电主轴的磁链和转矩，并把观测值分别与PI调节器计算出的转矩和给定的磁链进行比较，差值经过双滑模控制器，得到直轴定子电压和交轴定子电压，经过坐标变换、SVPWM变换，作用在主电路逆变器上的功率开关器件，实现永磁同步电主轴的直接转矩控制。本发明结构简单，易于实现，鲁棒性好，具有转矩响应速度快和跟踪误差小的优点，提高了系统的稳定性和零件的加工精度。

Description

一种基于双滑模控制的永磁同步电主轴直接转矩调速系统及 方法

技术领域

本发明属于数控加工技术领域，具体涉及一种基于双滑模控制的永磁同步电主轴直接转矩调速系统及方法。

背景技术

永磁同步电主轴作为高精度数控机床的核心部件之一，具有结构简单、功率因素高、低速性能好、损耗小等优点，在高精度和高可靠性要求场合获得广泛应用。直接转矩控制是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制，与矢量控制不同，直接转矩控制不需要解耦，采用定子磁链定向和空间矢量的概念，通过对定子电压进行积分，直接在定子坐标系下观测电主轴的磁链和转矩，并将此观测值与给定磁链和转矩值通过两个滞环比较，在依据当前的定子磁链矢量的位置从预制的开关状态表中选择相应电压空间矢量，实现了对永磁同步电主轴的直接控制。直接转矩控制虽然省去了电流环，主开关频率也比较低，但是直接转矩控制的永磁同步电主轴启动困难，在负载突变时，电流冲击较大，导致转矩和磁链的脉动大，引起噪声和抖振等问题。

专利201510334532.3，提供了永磁同步变频电动机直接驱动的锤式破碎机，是井下顺槽运输设备中的一种重要设备。传统锤式破碎机的驱动系统一般是异步电动机+减速器+液力耦合器(机械软启动装置)或者是异步电动机+小、大皮带轮+皮带。而本发明结构特征：锤式破碎机的驱动系统就是永磁同步变频电动机，与传统驱动系统相比，永磁同步变频电动机替代异步电动机提供源动力，去掉了减速器或皮带轮及皮带等变速装置和液力耦合器等机械软启动装置等中间环节。本发明的永磁同步变频电动机直接驱动的锤式破碎机启动转矩大、运行平稳，工艺实现简单、可靠，运行过程高效、节能、低噪、免维护，达到节能降耗的目的。

专利201721529638.X，涉及一种高压辊磨永磁直驱系统，属于机械传动技术领域，该系统包括永磁直驱变频电机、高压辊磨设备和系统控制柜，在高压辊磨驱动方式上采用永磁直驱电机的方式，取代原有的异步电机与减速器和万向联轴器联合驱动的方式；驱动电机采用变频调速技术，并利用变频器实现两台电机转速同步；本实用新型的有益效果是，减小了土建面积，保证了两个辊筒速度相同，提升了整个传动系统的传动效率，实现了节能、结构简单、维护量小、实用性强、启动平稳、控制精确。

发明内容

(一)解决的技术问题

为了解决现有永磁同步电主轴传统直接转矩控制策略引起的较大的磁链和转矩的脉动，系统在低速段难以精确控制，以及由于磁链和转矩脉动引起的噪声和抖振等问题，本发明提供了一种基于双滑模控制的永磁同步电主轴直接转矩调速系统及方法，用以减小磁链和转矩的脉动，提高系统的动静态性能，保证了数控加工精度。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基于双滑模控制的永磁同步电主轴直接转矩调速系统，包括主电路、控制电路、信号检测电路；

所述主电路包括逆变器和永磁同步电主轴；

所述控制电路包括转速环调节器、滑模控制器、坐标变换模块、 SVPWM模块、定子磁链电磁转矩估计模块、转子位置速度估计模块；

所述信号检测电路包括传感器；

所述传感器输入端与逆变器和永磁同步电主轴相连，传感器输出端与定子磁链电磁转矩估计模块输入端相连，定子磁链电磁转矩估计模块输出端与滑模控制器输入端相连；转子位置速度估计模块输入端与永磁同步电主轴相连，永磁同步电主轴输出端与转速环调节器输入端相连，转速环调节器输出端与滑模控制器输入端相连；滑模控制器输出端与坐标变换模块输入端相连，坐标变换模块输出端与SVPWM 模块输入端相连，SVPWM模块输出端与逆变器相连。

根据本发明的一实施例，所述滑模控制器为双滑模控制器。

根据本发明的一实施例，所述转速环调节器为PI调节器，PI调节器设于转速环，根据转速误差自动调制控制器参数。

根据本发明的一实施例，所述双滑模控制器转矩滑模控制器和磁链滑模控制器，转矩滑模控制器根据PI调节器输出实际转矩和转矩估计值的差值作为输入值，磁链滑模控制器根据实际磁链和磁链估计值的差值作为输入值，双滑模控制器输出直轴定子电压u^* _d和交轴定子电压u^* _q。

根据本发明的一实施例，永磁同步电主轴数学建模如下：

α、β两相静止坐标系下永磁同步电主轴的电压方程为：

其中，u_α、u_β为α、β静止坐标下的定子电压，i_α、i_β为α、β静止坐标下的定子电流，R为定子电阻，ω_e为转子角速度，为永磁体磁链；

α、β两相静止坐标系下永磁同步电主轴的磁链方程为：

α、β两相静止坐标系下永磁同步电主轴的电磁转矩方程为：

式中：p_n为永磁同步电主轴的极对数；

滑模控制器建模如下：

定义切换函数：S＝[S₁ S₂]^T

式中：T^*为给定的转矩，ψ^*为给定的磁链平方，T为实际计算出的转矩，ψ为实际计算出的磁链平方；

将切换函数S对时间求导，可得：

结合公式(2)、(3)、(4)、(5)可得矩阵方程：

式中：X，Y为系数矩阵，Z为控制律矩阵，且X＝[X₁ X₂]^T，其中：

设计滑模控制律为

一种基于双滑模控制的永磁同步电主轴直接转矩调速方法，包括以下步骤：

S1、根据永磁同步电主轴的实际转速与给定转速的差值作为PI 调节器的给定值，计算出电主轴的转矩；

S2、根据在定子坐标系下观测电主轴的磁链和转矩，并把观测值分别与PI调节器计算出的转矩和给定的磁链进行比较，差值经过双滑模控制器，得到直轴定子电压u^* _d和交轴定子电压u^* _q；

S3、直轴定子电压u^* _d和交轴定子电压u^* _q经过坐标变换得到电压 u_α ^*和电压u_β ^*；

S4、根据电压u_α ^*和电压u_β ^*经过SVPWM变换，作用在主电路逆变器上的功率开关器件，对永磁同步电主轴的直接转矩控制。

(三)有益效果

本发明的有益效果：一种基于双滑模控制的永磁同步电主轴直接转矩调速系统及方法，采用基于双滑模控制的直接转矩调速替代传统直接转矩调速控制，不仅保证了逆变器开关频率恒定，动态响应快等优点，而且还有效的解决了由传统直接转矩控制带来的磁链和转矩脉动大的问题；滑模控制器克服了滑模控制所产生抖振缺陷，在保证系统鲁棒性的前提下有效的抑制了抖振；本发明与传统直接转矩控制相比，具有动态响应速度快，磁链和转矩脉动小以及较强的鲁棒性等优点，提高了系统的可靠性和零件的加工精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明调速系统结构图。

图2是本发明调速方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1，一种基于双滑模控制的永磁同步电主轴直接转矩调速系统，包括主电路、控制电路、信号检测电路。

主电路包括逆变器和永磁同步电主轴(PMSS)。

控制电路包括转速环调节器、双滑模控制器、坐标变换模块、 SVPWM模块、定子磁链电磁转矩估计模块、转子位置速度估计模块。

信号检测电路包括传感器。

传感器输入端与逆变器和永磁同步电主轴(PMSS)相连，传感器输出端与定子磁链电磁转矩估计模块输入端相连，定子磁链电磁转矩估计模块输出端与双滑模控制器输入端相连；转子位置速度估计模块输入端与永磁同步电主轴(PMSS)相连，永磁同步电主轴(PMSS) 输出端与转速环调节器输入端相连，转速环调节器输出端与双滑模控制器输入端相连；双滑模控制器输出端与坐标变换模块输入端相连，坐标变换模块输出端与SVPWM模块输入端相连，SVPWM模块输出端与逆变器相连。

转速环调节器为PI调节器，PI调节器设于转速环，根据转速误差自动调制控制器参数。

转子位置速度估计模块采用了基于主动控制方法设计了转子位置观测器，通过设计观测器控制策略，得到电主轴的反电动势，从而求得转子位置与转速的估计值。

双滑模控制器，转矩滑模控制器根据PI调节器输出实际转矩和转矩估计值的差值作为输入值，磁链滑模控制器根据实际磁链和磁链估计值的差值作为输入值，双滑模控制器输出直轴定子电压u^* _d和交轴定子电压u^* _q。使用磁链和转矩双滑模控制器可以有效减小传统直接转矩控制较大的磁链和转矩脉动，有效的增强系统的鲁棒性。

由双滑模控制器得到的直轴定子电压u^* _d和交轴定子电压u^* _q，经过坐标变换得到电压u_α ^*和电压u_β ^*，经SVPWM算法变换，作用在主电路逆变器的功率开关器件上，实现永磁同步电主轴的直接转矩控制。

永磁同步电主轴数学建模如下：

α、β两相静止坐标系下永磁同步电主轴的电压方程为：

其中，u_α、u_β为α、β静止坐标下的定子电压，i_α、i_β为α、β静止坐标下的定子电流，R为定子电阻，ω_e为转子角速度，为永磁体磁链。

α、β两相静止坐标系下永磁同步电主轴的磁链方程为：

α、β两相静止坐标系下永磁同步电主轴的电磁转矩方程为：

式中：p_n为永磁同步电主轴的极对数。

基于指数趋近律来设计双滑模控制器，在保证系统鲁棒性的前提下能够有效抑制滑模控制器带来的抖振，再选取李亚普诺夫函数证明所选取的滑模面函数的稳定性，保证了基于指数趋近律设计的双滑模控制器能够提高系统的动态性能。

滑模控制器建模如下：

定义切换函数：S＝[S₁ S₂]^T

式中：T^*为给定的转矩，ψ^*为给定的磁链平方，T为实际计算出的转矩，ψ为实际计算出的磁链平方。

将切换函数S对时间求导，可得：

结合公式(2)、(3)、(4)、(5)可得矩阵方程：

式中：X，Y为系数矩阵，Z为控制律矩阵。且X＝[X₁ X₂]^T，其中：

选取李亚普若夫函数

L＝S²/2 (9)

并对时间求导，得

为了保证设计滑模控制律为

将公式(11)代入公式(10)，得

因S1和K₁S₁+K₂sign(S₁)符号相同，故

S₁(K₁S₁+K₂sign(S₁))＞0 (13)

同理可知，

S₂(K₃S₂+K₄sign(S₂))＞0 (14)

由此证明保证了双滑膜控制系统的稳定性，说明系统能实现滑模运动。系统状态运动到切换面上，即满足S₁＝T^*-T和 S₂＝ψ^*-ψ，保证了实际磁链和转矩能跟踪各自的给定值，解决滑模控制器的抖振问题，并且有效的减小了传统直接转矩带来较大的磁链和转矩脉动，增强系统的动态性能和鲁棒性。

本发明基于双滑模控制的永磁同步电主轴直接转矩调速系统，结构简单，易于实现，鲁棒性好，具有转矩响应速度快和跟踪误差小的优点，提高了系统的稳定性，有效地改善了系统的动、静态性能。

结合图2，一种基于双滑模控制的永磁同步电主轴直接转矩调速方法，包括以下步骤：

S1、根据永磁同步电主轴的实际转速与给定转速的差值作为PI 调节器的给定值，计算出电主轴的转矩；

S2、根据在定子坐标系下观测电主轴的磁链和转矩，并把观测值分别与PI调节器计算出的转矩和给定的磁链进行比较，差值经过双滑模控制器，得到直轴定子电压u^* _d和交轴定子电压u^* _q；

S3、直轴定子电压u^* _d和交轴定子电压u^* _q经过坐标变换得到电压 u_α ^*和电压u_β ^*；

S4、根据电压u_α ^*和电压u_β ^*经过SVPWM变换，作用在主电路逆变器上的功率开关器件，对永磁同步电主轴的直接转矩控制。

双滑模控制器通过确定适当的滑模面函数，采用磁链和转矩两个滑模控制策略，在消除滑模控制系统抖振现象的同时实现转速误差状态变量的有限时间收敛，从而获得系统所需的电压u^* _d和电压u^* _q。

基于双滑模控制的永磁同步电主轴直接转矩调速系统及方法，涉及数控加工系统永磁同步电主轴单元，用以解决由传统直接转矩控制带来较大磁链和脉动等问题，并增强了系统的鲁棒性和提高了零件的加工精度。根据永磁同步电主轴的实际转速与给定转速的差值作为 PI调节器的给定值，计算出电主轴的转矩；通过采用传感器检测电主轴定子电流和电压，在定子坐标系下观测电主轴的磁链和转矩，并把观测值分别与PI调节器计算出的转矩和给定的磁链进行比较，差值经过双滑模控制器，得到直轴定子电压和交轴定子电压，经过坐标变换和SVPWM变换，作用在主电路逆变器上的功率开关器件，实现永磁同步电主轴的直接转矩控制。

本发明与传统直接转矩控制相比，具有动态响应速度快，磁链和转矩脉动小以及较强的鲁棒性等优点，提高了系统的可靠性和零件的加工精度。

综上所述，本发明实施例，基于双滑模控制的永磁同步电主轴直接转矩调速系统及方法，采用基于双滑模控制的直接转矩调速替代传统直接转矩调速控制，不仅保证了逆变器开关频率恒定，动态响应快等优点，而且还有效的解决了由传统直接转矩控制带来的磁链和转矩脉动大的问题；滑模控制器克服了滑模控制所产生抖振缺陷，在保证系统鲁棒性的前提下有效的抑制了抖振。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于双滑模控制的永磁同步电主轴直接转矩调速系统，其特征在于：包括主电路、控制电路、信号检测电路；

所述主电路包括逆变器和永磁同步电主轴；

所述控制电路包括转速环调节器、滑模控制器、坐标变换模块、SVPWM模块、定子磁链电磁转矩估计模块、转子位置速度估计模块；

所述信号检测电路包括传感器；

所述传感器输入端与逆变器和永磁同步电主轴相连，传感器输出端与定子磁链电磁转矩估计模块输入端相连，定子磁链电磁转矩估计模块输出端与滑模控制器输入端相连；转子位置速度估计模块输入端与永磁同步电主轴相连，永磁同步电主轴输出端与转速环调节器输入端相连，转速环调节器输出端与滑模控制器输入端相连；滑模控制器输出端与坐标变换模块输入端相连，坐标变换模块输出端与SVPWM模块输入端相连，SVPWM模块输出端与逆变器相连。

2.如权利要求1所述的一种基于双滑模控制的永磁同步电主轴直接转矩调速系统，其特征在于：所述滑模控制器为双滑模控制器。

3.如权利要求2所述的一种基于双滑模控制的永磁同步电主轴直接转矩调速系统，其特征在于，所述转速环调节器为PI调节器，PI调节器设于转速环，根据转速误差自动调制控制器参数。

4.如权利要求3所述的一种基于双滑模控制的永磁同步电主轴直接转矩调速系统，其特征在于，所述双滑模控制器转矩滑模控制器和磁链滑模控制器，转矩滑模控制器根据PI调节器输出实际转矩和转矩估计值的差值作为输入值，磁链滑模控制器根据实际磁链和磁链估计值的差值作为输入值，双滑模控制器输出直轴定子电压u^* _d和交轴定子电压u^* _q。

5.如权利要求4所述的一种基于双滑模控制的永磁同步电主轴直接转矩调速系统，其特征在于，永磁同步电主轴数学建模如下：

α、β两相静止坐标系下永磁同步电主轴的电压方程为：

其中，u_α、u_β为α、β静止坐标下的定子电压，i_α、i_β为α、β静止坐标下的定子电流，R为定子电阻，ω_e为转子角速度，为永磁体磁链；

α、β两相静止坐标系下永磁同步电主轴的磁链方程为：

α、β两相静止坐标系下永磁同步电主轴的电磁转矩方程为：

式中：p_n为永磁同步电主轴的极对数；

滑模控制器建模如下：

定义切换函数：S＝[S₁ S₂]^T

式中：T^*为给定的转矩，ψ^*为给定的磁链平方，T为实际计算出的转矩，ψ为实际计算出的磁链平方；

将切换函数S对时间求导，可得：

结合公式(2)、(3)、(4)、(5)可得矩阵方程：

式中：X，Y为系数矩阵，Z为控制律矩阵，且X＝[X₁ X₂]^T，其中：

设计滑模控制律为

6.如权利要求1所述的一种基于双滑模控制的永磁同步电主轴直接转矩调速方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据永磁同步电主轴的实际转速与给定转速的差值作为PI调节器的给定值，计算出电主轴的转矩；

S2、根据在定子坐标系下观测电主轴的磁链和转矩，并把观测值分别与PI调节器计算出的转矩和给定的磁链进行比较，差值经过双滑模控制器，得到直轴定子电压u^* _d和交轴定子电压u^* _q；

S3、直轴定子电压u^* _d和交轴定子电压u^* _q经过坐标变换得到电压u_α ^*和电压u_β ^*；

S4、根据电压u_α ^*和电压u_β ^*经过SVPWM变换，作用在主电路逆变器上的功率开关器件，对永磁同步电主轴的直接转矩控制。