CN111614294A - 一种基于终端滑模的永磁同步电机矢量控制方法 - Google Patents

一种基于终端滑模的永磁同步电机矢量控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于永磁同步电机控制技术领域，涉及了一种基于终端滑模的永磁同步电机矢量控制方法，其主要特点是：在传统的永磁同步电机磁场定向控制策略基础上，针对速度控制环，设计了一种基于终端滑模的控制器，实现系统速度的快速准确跟踪控制，并且，根据永磁同步电机在转速同步旋转坐标系统下的状态模型，将q轴电流的控制整合到速度控制环节中，实现转速和q轴电流的一次性综合控制，仅对d轴电流实施独立控制，从而使控制过程得以简化。与传统PID控制方法相比，本发明设计的控制策略具有转速调节响应速度快、无超调、精度高、稳定性好等优点。为永磁同步电机的控制提供了一种新思路，具有良好的工程应用前景。

Description

一种基于终端滑模的永磁同步电机矢量控制方法
技术领域
本发明涉及一种永磁同步电机的控制方法，尤其涉及一种基于终端滑模技术和永磁同步电机磁场定向控制技术的控制方法。
背景技术
传统的永磁同步电机矢量控制方法中，常采用PI控制器实现转速和电流的跟踪控制。而永磁同步电机是一个典型的多变量、强耦合、非线性的系统，PI控制虽简单易行，并可以在一定程度上满足系统控制要求，但对系统模型的依赖性较强，当系统受到外部扰动或出现参数摄动时，难以达到高精度的控制效果，系统的鲁棒性较差。滑模变结构控制对系统数学模型精度要求不高，对系统参数摄动、外部扰动具有强鲁棒性，被大量地应用于永磁同步电机的控制中。常用的滑模变结构控制方法采用线性的滑模面函数，系统的状态在无限时间后到达平衡点，并且控制量存在抖振。
发明内容
针对传统的基于PI控制器的永磁同步电机矢量控制策略鲁棒性差和线性滑模面系统平衡时间无限长的问题，提出一种基于终端滑模控制的永磁同步电机矢量控制方法。
为了达到上述目的，本发明解决技术问题采取的技术方案是：
一种基于终端滑模控制的永磁同步电机矢量控制方法，包括下列步骤：
(1)建立永磁同步电机的数学模型，永磁同步电机(Permanent Magnet SynchronousMotor，PMSM)在dq下的数学模型为表示为：
Figure BSA0000210977880000011
对于表面式PMSM，有Ld＝Lq＝L，转矩方程为：
Figure BSA0000210977880000012
运动方程为：
Figure BSA0000210977880000013
式中，ud、uq分别为定子d、q轴电压；id、iq分别为定子d、q轴电流；Ld、Lq分别为定子d、q轴电感；R为定子电阻；Ψf为永磁体磁链；ω为转子电角速度；Te，TL分别为电磁转矩和负载转矩；J为转动惯量；np为电机极对数。
(2)基于终端滑模(Terminal Sliding Mode，TSM)的永磁同步电机控制器设计
选择PMSM速度偏差为系统状态变量，即：
Figure BSA0000210977880000014
选择终端滑模面为：
Figure BSA0000210977880000015
其中：β＞0，p，q均为正奇数，且有0＜q/p＜1
为减小滑模控制中的抖振，选择指数趋近律的滑模控制方式，即令：
Figure BSA0000210977880000021
由式(6)可得
Figure BSA0000210977880000022
由式(2)、(3)可得
Figure BSA0000210977880000023
联立式(1)、(5)、(6)、(7)，并忽略速度参考值瞬时突变和负载转矩扰动的影响，可得
Figure BSA0000210977880000024
式(8)即为速度环的终端滑模控制器公式，该式除了实现系统转速的跟踪控制，同时包含了传统矢量控制策略中定子q轴电流控制，即通过该速度控制器直接得到系统的q轴指令电压。
本发明中，d轴电流的控制，仍采用传统的PI控制器。
本发明中，步骤(2)所述的终端滑模面函数可使系统状态在有限的时间内收敛到零，克服了线性滑模面下状态渐进收敛的缺点，优化了系统的动态性能，具有相应速度快、稳定跟踪精度高等优点。
本文提供了一种基于终端滑模的永磁同步电机矢量控制方法，在传统的永磁同步电机磁场定向控制策略基础上，针对速度控制环，设计了一种基于终端滑模的控制器，实现系统速度的快速准确跟踪控制，并且，根据永磁同步电机在转速同步旋转坐标系统下的状态模型，将q轴电流的控制整合到速度控制环节中，实现转速和q轴电流的一次性综合控制，仅对d轴电流实施独立控制，从而使控制过程得以简化。相对于传统的PI控制方法，本发明提供的控制方法转速调节响应速度快、无超调、精度高，对转矩突变具有良好的鲁棒性，具有良好的系统稳定性。
附图说明
图1：本发明控制系统原理图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的一种基于终端滑模的永磁同步电机矢量控制方法进一步的详细说明。
图1为本发明的一种基于终端滑模的永磁同步电机矢量控制方法的系统原理图。结合图1叙述本发明的基于终端滑模的永磁同步电机矢量控制方法，包括下列步骤：
(1)建立永磁同步电机的数学模型，永磁同步电机(Permanent Magnet SynchronousMotor，PMSM)在dq下的数学模型为表示为：
Figure BSA0000210977880000025
对于表面式PMSM，有Ld＝Lq＝L，转矩方程为：
Figure BSA0000210977880000031
运动方程为：
Figure BSA0000210977880000032
式中，ud、uq分别为定子d、q轴电压；id、iq分别为定子d、q轴电流；Ld、Lq分别为定子d、q轴电感；R为定子电阻；Ψf为永磁体磁链；ω为转子电角速度；Te，TL分别为电磁转矩和负载转矩；J为转动惯量；np为电机极对数。
(2)基于终端滑模的永磁同步电机控制器设计
选择PMSM速度偏差为系统状态变量，即：
Figure BSA0000210977880000033
选择终端滑模面为：
Figure BSA0000210977880000034
其中：β＞0，p，q均为正奇数，且有0＜q/p＜1
为减小滑模控制中的抖振，选择指数趋近律的滑模控制方式，即令：
Figure BSA0000210977880000035
由式(6)可得
Figure BSA0000210977880000036
由式(2)、(3)可得
Figure BSA0000210977880000037
联立式(1)、(5)、(6)、(7)，并忽略速度参考值瞬时突变和负载转矩扰动的影响，可得
Figure BSA0000210977880000038
式(8)即为速度环的终端滑模控制器公式，该式除了实现系统转速的跟踪控制，同时包含了传统矢量控制策略中定子q轴电流控制，即通过该速度控制器直接得到系统的q轴指令电压。
本发明中，d轴电流的控制，仍采用传统的PI控制器。
本发明中，步骤(2)所述的终端滑模面函数可使系统状态在有限的时间内收敛到零，克服了线性滑模面下状态渐进收敛的缺点，优化了系统的动态性能，具有相应速度快、稳定跟踪精度高等优点。

Claims (1)

1.一种基于终端滑模控制的永磁同步电机矢量控制方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)建立永磁同步电机的数学模型，永磁同步电机(Permanent Magnet SynchronousMotor，PMSM)在dq下的数学模型为表示为：
Figure FSA0000210977870000011
对于表面式PMSM，有Ld＝Lq＝L，转矩方程为：
Figure FSA0000210977870000012
运动方程为：
Figure FSA0000210977870000013
式中，ud、uq分别为定子d、q轴电压；id、iq分别为定子d、q轴电流；Ld、Lq分别为定子d、q轴电感；R为定子电阻；Ψf为永磁体磁链；ω为转子电角速度；Te，TL分别为电磁转矩和负载转矩；J为转动惯量；np为电机极对数。
(2)基于终端滑模(Terminal Sliding Mode，TSM)的永磁同步电机控制器设计
选择PMSM速度偏差为系统状态变量，即：
Figure FSA0000210977870000014
选择终端滑模面为：
Figure FSA0000210977870000015
其中：β＞0，p，q均为正奇数，且有0＜q/p＜1
为减小滑模控制中的抖振，选择指数趋近律的滑模控制方式，即令：
Figure FSA0000210977870000016
由式(6)可得
Figure FSA0000210977870000017
由式(2)、(3)可得
Figure FSA0000210977870000018
联立式(1)、(5)、(6)、(7)，并忽略速度参考值瞬时突变和负载转矩扰动的影响，可得
Figure FSA0000210977870000019
式(8)即为速度环的终端滑模控制器公式，该式除了实现系统转速的跟踪控制，同时包含了传统矢量控制策略中定子q轴电流控制，即通过该速度控制器直接得到系统的q轴指令电压。
本发明中，d轴电流的控制，仍采用传统的PI控制器。
本发明中，步骤(2)所述的终端滑模面函数可使系统状态在有限的时间内收敛到零，克服了线性滑模面下状态渐进收敛的缺点，优化了系统的动态性能，具有相应速度快、稳定跟踪精度高等优点。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112104279A (zh) * 2020-09-23 2020-12-18 中国人民解放军陆军工程大学 一种基于非线性终端滑模算法的轮毂电机控制方法
CN113890439A (zh) * 2021-10-20 2022-01-04 浙江工业大学 一种小型文化服务综合体内伺服系统有限时间控制方法
CN114629395A (zh) * 2022-03-16 2022-06-14 北京理工大学 一种无电流传感器的电机驱动策略

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CN113890439B (zh) * 2021-10-20 2023-07-04 浙江工业大学 一种小型文化服务综合体内伺服系统有限时间控制方法
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