CN109728755A - 一种pmsm反演终端滑模控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明对永磁同步电机调速系统提出一种基于负载转矩观测器的反演终端滑模控制方法。采用扩张状态观测器来实时估计负载转矩，将实时估计的负载转矩引入转速环的输出给定q轴电流，形成前馈补偿，增强系统的抗负载扰动的能力。针对电流环设计过程中电机参数的摄动问题，引入高阶终端滑模控制的思想，设计了d、q电流的高阶终端滑模控制方法，使得电流在有限的时间内跟踪电流给定值，保证调速控制系统的稳定性，对电机参数摄动实现鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电动汽车PMSM反演终端滑模控制的方法，尤其是一种基于负载转矩观测器的反演终端滑模控制方法。
背景技术
PMSM全称为permanent magnet synchronous motor，即永磁同步电机，运动控制是目前众多家用电器的关键需求，如烘干机、洗衣机、冰箱、空调和各种厨房器具。为了使这些设备以最佳性能工作，采用经过改进的新型马达控制技术是关键所在。此外，能效的提高不仅有益于所有人，新技术还能够提供更多的优势，如实现更平稳的工作，并大幅度降低噪声水平。
为了提高动静态性能，将反步控制器与模糊控制相结合，应用于永磁同步电动机的速度跟踪控制中，实现了较好的动静态性能，但系统设计较为复杂，并且需要较为丰富的经验。由于永磁同步电机是一个多变量、强耦合、非线性、变参数的复杂对象，并且容易受到外界扰动的影响，传统的线性控制器如PI、PID等控制器已经难以满足高性能的控制要求。
发明内容
针对上述问题，本发明基于负载转矩观测器对永磁同步电机调速系统提出一种PMSM反演终端滑模控制方法，所述方法包括：
获取电机转速值；
获取经过变换的q轴电流值；
基于上述电机转速值、q轴电流值进行负载计算，计算得到负载转矩估计值；
基于上述负载转矩估计值进行反演滑模计算，所述反演滑模计算中，通过引入积分项对给定电机转速值进行跟踪。
进一步的，所述电机转速通过速度传感器获取得到。
可选的，所述变换为先进行Clark变换，然后进行Park变换。
进一步的，所述所述反演滑模计算的输入参数还包括电机转速值、d轴电流值和q轴电流值。
进一步的，所述反演滑模计算中通过引入积分项对给定电机转速值进行跟踪，包括通过引入积分项对电机转速值误差进行跟踪，其中，所述积分项对电机转速值误差进行积分。
可选的，所述反演滑模计算采用非奇异终端滑模计算法。
进一步的，结合电机的转矩方程、运动方程，将负载转矩、转子位置和转速值作为状态
变量，利用增广系统进行运算，通过对负载转矩的稳定性分析获得所述负载转矩估计值。
进一步的，通过d轴电流误差确定所述非奇异终端滑模计算法。
另一方面，本发明还提出一种PMSM反演终端滑模控制装置，包括：
电机转速值获取单元，用于获取电机转速值；
q轴电流值获取单元，用于获取经过变换的q轴电流值；
负载观测器，基于上述电机转速值、q轴电流值进行负载计算，计算得到负
载转矩估计值；
反演滑模控制器，基于上述负载转矩估计值进行反演滑模计算，所述反演滑模计算中，通过引入积分项对给定电机转速值进行跟踪。
另一方面，本发明还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现前述方法中的步骤。
另一方面，本发明还提出一种计算机处理设备，包括存储器和处理器，其中，
所述存储器存储有计算机指令；
所述处理器用于调用并执行所述计算机指令从而实现如前所述的方法。
本发明的技术方案能够达到以下有益的技术效果：
1、提高了调速系统的响应速度和对外界扰动及参数摄动的抑制能力。
2、改善了系统稳态性能，使系统达到无静差跟踪。
3、抑制负载突变带来的影响，提高系统抗负载扰动的能力。
4、消除控制量抖振，使电流环定子电流在有限时间内收敛，减少反演设计对电机参数的敏感性，提高鲁棒性。
附图说明
图1为本发明实施例的流程示意图；
图2(a)为PI控制算法的永磁同步电机调速系统的仿真电机转速波形；
图2(b)为PI控制算法的永磁同步电机调速系统的仿真电磁转矩波形；
图3(a)为本发明控制方法的永磁同步电机调速系统仿真电机转速波形；
图3(b)为本发明控制方法的永磁同步电机调速系统仿真电磁转矩波形；
图3(c)为本发明控制方法中基于负载观测器的负载转矩估计。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种PMSM反演终端滑模控制的方法，反演滑模控制器输出d轴电压和q轴电压，通过Park逆变换变成直轴电压Ua和交轴电压Uβ，通过矢量控制(SVPWM)，输送到逆变器中，逆变器输出A，B，C三相电流，首先通过Clark变换，将三相电流变换为静止的iβ和iα，iβ为β轴上的电流，iα为α轴的电流，再经过Park旋转变换成id和iq，id和iq分别为d轴和q轴上的电流，将id和iq反馈回反演滑模控制器中，永磁同步电机通过速度检测，将检测后的速度与Park变换后的iq送入负载观测器，负载观测器得到负载转矩TL，反馈回反演滑模控制器，形成前馈补偿。
负载观测器得到负载转矩TL方式如下：结合电机的转矩方程、运动方程，将负载转矩、转子位置和转速作为状态变量，获得以下增广系统：
建立扩展转矩观测器
式中：为电机转子机械角速度的导数，ω为电机转子机械角速度，为电机转子机械角速度估计值，为电机转子机械角速度估计值的导数，为负载转矩的导数，为负载转矩的估计值，为负载转矩的估计值的导数，k1>0，k2>0，k1，k2为转矩观测器的系数，ud，uq为d、q轴定子电压，id，iq为d、q轴定子电流，R为定子电阻，φr为永磁磁通，L为定子电感，p为极对数，J为转动惯量，B为粘滞摩擦系数；
通过观测器的稳定性分析可以得到TL：
由增广系统与扩展转矩观测器的公式，可得观测误差方程为
其中，为ω的真实值与估计值的误差，为TL的真实值与估计值的误差，为ω的真实值与估计值误差的导数，为TL的真实值与估计值的误差的导数，
取Lyapunov函数
V0为Lvapunov函数，为初始状态，则
为V0的导数，由上式可知，观测误差能渐进地趋近于零，即
反演终端滑模控制方法中包含反演算法和终端滑模控制算法，而反演算法又称反推算法的，当反推到速度跟踪误差这一步中的速度误差函数中引入积分项，若无积分项，跟踪给定的转速存在误差。反演终端滑模控制方法就是针对电动机转速跟踪问题的：
利用反演算法对永磁同步电机调速系统设计如下：
定义速度跟踪误差为
eω＝ω*-ω
eω为速度跟踪误差，ω*是给定转速；
对上式求导可得
为了使得速度跟踪误差趋于零，iq是q轴电流，假定它为虚拟控制函数，设计速度误差的Lyapunov函数为
式中：ki为正常数，V1为转速误差，为转速误差的积分，
对速度误差的Lyapunov函数求导可得
其中，为V1的导数，为eω的导数，根据上式可设计虚拟控制律
式中，kω为正常数，是q轴的给定电流。
定义q轴跟踪电流误差eq
eq＝iq *-iq
则
eq为q轴跟踪误差，为q轴给定电流，iq是实际的q轴电流，q轴跟踪电流误差公式表明电流跟踪误差收敛到零，则可以保证转速误差构成的子系统收敛到零。
为了使得eq在有限的时间内收敛到零，提高系统的收敛速度和稳态误差，并且当系统存在参数摄动和外界干扰具有鲁棒性，采用如下非奇异终端滑模面；
式中：γ1是大于0的常数，p1,q1为正奇数，且1＜p1/q1＜2，sq为q轴非奇异终端滑模面，为eq的导数，假设在tr时刻，sq收敛到零，则由上式可知，eq和将在有限的时间内收敛为零，收敛时刻为：
其中，tr为系统状态从Sq≠0到Sq＝0的时间，ts为收敛时间。
选取所述非奇异终端滑模面，并设计如下控制律
uq＝uqeq+uqsw
式中：uq为q轴非奇异终端滑模控制器，uqeq为q轴等效控制，uqsw为q轴切换控制，kq＞0为趋近律的比例增益，εq＞0为符号函数sgn(s)的增益。
面贴式PMSM采用磁场定向的控制方式，即直轴参考电流：
id *＝0
ed＝id *-id＝-id
id *跟踪参考电流，id是d轴电流，ed是d轴电流误差；
选取如下非奇异终端滑模面
式中：γ2为大于零的常数，p2,q2为正奇数，且1＜p2/q2＜2，sd为d轴非奇异终端滑模面。
选取所述非奇异终端滑模面，并设计如下控制律
ud＝udeq+udsw
udeq＝-Lpωiq+Rid
式中ud为d轴非奇异终端滑模控制器，udeq为d轴等效控制，udsw为d轴切换控制，kd>0为d轴趋近律的比例增益，εd>0为符号函数sgn(s)的增益。反演终端滑模控制方法包含反演算法和非奇异终端滑模控制方法，其具体实现是先进行反演设计然后最后一步引入非奇异终端滑模控制方法，其目的是使电流在有限时间内跟踪电流给定值，保证调速控制系统稳定性，对电机参数摄动实现鲁棒性。
本发明还提供了一种PMSM反演终端滑模控制装置，包括反演滑模控制器，永磁同步电机，负载观测器，其中永磁同步电机检测速度值，负载观测器输出负载转矩估计值和电机转子机械角速度，将上述永磁同步电机检测到的速度值，负载观测器输出的负载转矩估计值，电机转子机械角速度以及反馈电流值输入反演滑模控制器中，实现对输入反演滑模控制器中的给定速度的跟踪。
本发明中的PMSM反演终端滑模控制装置还包括逆变器、Clark变换模块、Park变换模块，反演滑模控制器输出d轴电压和q轴电压，通过Park逆变换变成直轴电压Uα和交轴电压Uβ，通过矢量控制，输送到逆变器中，逆变器输出A，B，C三相电流，首先通过Clark变换，将三相电流变换为静止的iβ和iα，iβ为β轴上的电流，iα为α轴的电流，再经过Park变换模块变换成id和iq，id和iq分别为d轴和q轴上的电流，其作为反馈电流值。
负载观测器得到负载转矩TL方式如下：结合电机的转矩方程、运动方程，将负载转矩、转子位置和转速作为状态变量，获得以下增广系统：
建立扩展转矩观测器
式中：为电机转子机械角速度的导数，ω为电机转子机械角速度，为电机转子机械角速度估计值，为电机转子机械角速度估计值的导数，为负载转矩的导数，为负载转矩的估计值，为负载转矩的估计值的导数，k1>0，k2>0，k1，k2为转矩观测器的系数，ud，uq为d、q轴定子电压，id，iq为d、q轴定子电流，R为定子电阻，φr为永磁磁通，L为定子电感，p为极对数，J为转动惯量，B为粘滞摩擦系数；
通过观测器的稳定性分析可以得到TL：
由增广系统与扩展转矩观测器的公式，可得观测误差方程为
其中，为ω的真实值与估计值的误差，为TL的真实值与估计值的误差，为ω的真实值与估计值误差的导数，为TL的真实值与估计值的误差的导数，
取Lyapunov函数
V0为Lvapunov函数，为初始状态，则
为V0的导数，由上式可知，观测误差能渐进地趋近于零，即
本发明中的PMSM反演终端滑模控制装置还包括反演算法模块，其利用反演算法对永磁同步电机调速系统设计如下：
定义速度跟踪误差为
eω＝ω*-ω
eω为速度跟踪误差，ω*是给定转速；
对上式求导可得
为了使得速度跟踪误差趋于零，iq是q轴电流，假定它为虚拟控制函数，设计速度误差的Lyapunov函数为
式中：ki为正常数，V1为转速误差，为转速误差的积分，
对速度误差的Lyapunov函数求导可得
其中，为V1的导数，为eω的导数，根据上式可设计虚拟控制律
式中，kω为正常数，是q轴的给定电流；
定义q轴跟踪电流误差eq
eq＝iq *-iq
则
eq为q轴跟踪误差，为q轴给定电流，iq是实际的q轴电流，q轴跟踪电流误差公式表明电流跟踪误差收敛到零，则可以保证转速误差构成的子系统收敛到零。
本发明提出一种基于反演终端滑模控制策略，在反演设计速度控制中加入积分项，同时利用负载转矩观测器实时估计负载转矩，把转矩估计值作为前馈电流补偿。为了验证提出策略的有效性，利用MATLAB/SIMULINK对永磁同步电机矢量控制系统进行数值仿真，与传统PI控制方法进行对比。电机空载启动TL＝0；给定初始参考转速为斜坡给定，上升时间为0.05s，稳定终值为100rad/s。在0.08s～0.1s时，负载转矩突变为2N/m。在0.1s时突然卸掉负载。
图2为PI控制算法的永磁同步电机调速系统的仿真波形，其中，图2(a)为电机转速波形，图2(b)为电磁转矩波形，图3为本发明控制方法的永磁同步电机调速系统仿真波形，其中，图3(a)为电机转速波形，图3(b)为电磁转矩波形，图3(c)为基于负载观测器的负载转矩估计。
本发明的实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现上述实施例中所述的方法中的步骤。本发明的实施例还提供了一种计算机处理设备，包括处理器和计算机可读存储介质，其中计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现上述实施例中所述的方法中的步骤。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种永磁同步电机反演终端滑模控制方法，其特征在于，包括：
获取电机转速值；
获取经过变换的q轴电流值；
基于上述电机转速值、q轴电流值进行负载计算，计算得到负载转矩估计值；
基于上述负载转矩估计值进行反演滑模计算，所述反演滑模计算中，通过引入积分项对给定电机转速值进行跟踪。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机反演终端滑模控制方法，其特征在于：所述电机转速值通过速度传感器检测得到。
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机反演终端滑模控制方法，其特征在于：所述变换为先进行Clark变换，然后进行Park变换。
4.根据权利要求1所述的永磁同步电机反演终端滑模控制方法，其特征在于：所述反演滑模计算的输入参数还包括电机转速值、d轴电流值和q轴电流值。
5.根据权利要求1所述的永磁同步电机反演终端滑模控制方法，其特征在于：所述反演滑模计算中，通过引入积分项对给定电机转速值进行跟踪，包括：通过引入积分项对电机转速值误差进行跟踪，其中，所述积分项对电机转速值误差进行积分。
6.根据权利要求5所述的永磁同步电机反演终端滑模控制方法，其特征在于：所述反演滑模计算采用非奇异终端滑模计算法。
7.根据权利要求1所述的永磁同步电机反演终端滑模控制方法，其特征在于，所述负载计算包括：
结合电机的转矩方程、运动方程，将负载转矩、转子位置和转速值作为状态变量，利用增广系统进行运算，通过对负载转矩的稳定性分析获得所述负载转矩估计值。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过d轴电流误差确定所述非奇异终端滑模计算法。
9.一种永磁同步电机反演终端滑模控制装置，其特征在于包括：
电机转速值获取单元，用于获取电机转速值；
q轴电流值获取单元，用于获取经过变换的q轴电流值；
负载观测器，基于上述电机转速值、q轴电流值进行负载计算，计算得到负载转矩估计值；
反演滑模控制器，基于上述负载转矩估计值进行反演滑模计算，所述反演滑模计算中，通过引入积分项对给定电机转速值进行跟踪。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现根据权利要求1-8中任一项所述的方法中的步骤。
11.一种计算机处理设备，其特征在于，包括存储器和处理器，其中，
所述存储器存储有计算机指令；
所述处理器用于调用并执行所述计算机指令从而实现如权利要求1-8中任一项所述的方法。
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