CN111987955A - 用于凸极式永磁同步电机的自适应滑模控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于凸极式永磁同步电机的自适应滑模控制系统及方法，该系统包括：获取电机转子转速参考数据和实时转子转速数据的转速数据获取模块、依据设计的开关增益算法确定自适应开关增益模块、以获取的转速数据为分数阶滑模控制输入以自适应开关增益为非线性补偿实现凸极式永磁同步电机的分数阶滑模速度控制，以及对输出的电流数据实现电流控制的PI电流控制模块。采用上述系统，引入自适应开关增益调整项，解决了现有技术中电机参数不确定性高以及由于固定开关增益过大而导致的输入能量消耗过大的问题，在提高系统鲁棒性的同时又保证运行时在存在参数不确定的实时变化时电机具有快速的暂态性能。

Description

用于凸极式永磁同步电机的自适应滑模控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种用于凸极式永磁同步电机的自适应分数阶滑模控制系统及方法。

背景技术

现有技术中，对于凸极式永磁同步电机控制多采用针对PMSM的非线性控制方法，例如模糊控制，神经网络控制，非线性最优控制或者反馈线性化控制方法，但是上述现有技术存在不可避免的缺陷，无法满足对于凸极式永磁同步电机控制运行的要求，对于模糊控制器，由于模糊规则数量的增加，控制算法相当复杂，难以有效实施，而且没有考虑参数不确定性，无法保障控制效果的质量。神经网络控制虽然可以达到良好的性能，解决系统不确定性的问题，但由于算法复杂，该方法带来的计算负担过大。非线性最优控制器需要PMSM全部的参数信息，数据处理量过大；反馈线性化也无法很好地考虑参数的不确定性，导致存在参数不确定的缺陷，无法保障控制效果的质量。此外，采用固定的开关增益，易出现因开关增益过大导致输入能量消耗过大的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于凸极式永磁同步电机的自适应滑模控制系统及方法，在一个实施例中，所述系统包括：转速数据获取模块，其设置为获取转子转速参考数据，并采集凸极式永磁同步电机的实时转子转速数据；

自适应开关增益确定模块，其设置为依据设计的开关增益算法确定自适应开关增益；

分数阶滑模速度控制模块，其设置为以转子转速参考数据和实时转子转速数据为分数阶滑模控制输入，分别以第一开关增益和第二开关增益为非线性补偿实现凸极式永磁同步电机的自适应分数阶滑模速度控制，其中，所述第一开关增益为预设的开关增益，第二开关增益为确定的自适应开关增益；

PI电流控制模块，其根据分数阶滑模速度控制模块输出的电流数据实现带PI增益的电流控制，确定对应的速度数据并对其进行修正处理获取最终的目标速度。

在一个实施例中，所述转速数据获取模块通过与凸极式永磁电机连接的编码器和脉冲电路获取凸极式永磁电机的实时转子转速数据。

在一个实施例中，所述自适应开关增益调整模块通过以下算法确定自适应开关增益：

式中，η＝[|ω|,1,|e₂|]^T，其中，[|ω|,1,|e₂|]^T为中间计算项，ω表示实时转子转速值，e₂表示电机转子的角速度误差，

表示自适应开关增益的估计值，

表示自适应参数，

表示

项的估计值，h₁＝3p²λ_m/8/J，h₂＝B/J，h₃＝p/2/J，h₁、h₂和h₃均属于中间替代表示项，λ_m表示磁通，J表示转动惯量，B表示粘性摩擦系数，p表示磁极对数，

表示负载转矩扰动最大值，γ表示分数阶滑模正系数，T表示矩阵转置符号，t表示时间，δ表示对应的分数阶滑模面。

进一步地，通过以下算法对

进行修正，以避免速度误差不为0时控制系统的开关增益过大：

式中，

表示

的微分，τ表示积分时间符号。

在一个实施例中，分数阶滑模速度控制模块，通过以下操作以第一开关增益为非线性补偿实现凸极式永磁同步电机的分数阶滑模速度控制：

根据设定的凸极式永磁同步电机的动态模型定义转子速度误差，并选定分数阶滑模面；

依据所述转子速度误差和分数阶滑模面，基于第一开关增益确定分数阶滑模速度控制模块的控制模型。

在一个实施例中，分数阶滑模速度控制模块通过以下操作以第二开关增益为非线性补偿实现凸极式永磁同步电机的自适应分数阶滑模速度控制：

根据设定的凸极式永磁同步电机的动态模型定义转子速度误差，并选定分数阶滑模面；

依据所述转子速度误差和分数阶滑模面，基于第二开关增益确定自适应分数阶滑模速度控制模块的控制模型。

进一步地，定义转子速度误差如下：

选定分数阶滑模面如下：

δ＝γe₁+e₂+(γe₁+e₂)D^r

表示分数阶计算，对于分数阶的微分计算，采用Caputo定义：

其中，n-1≤α≤n,n∈N,

ω表示实时转子转速值，ω_r表示转子转速参考值，e₁表示电机转子的角速度误差的积分，e₂表示电机转子的角速度误差，t表示积分的时间，δ表示分数阶滑模面，γ表示正系数。

在一个实施例中，基于第一开关增益确定分数阶滑模速度控制模块的控制模型如下：

i_qr＝-βδ-ε(t)SGN(δ)

式中，

其中，

η＝[|ω|,1,|e₂|]^T，其中，[|ω|,1,|e₂|]^T为中间计算项，ω表示实时转子转速值，e₂表示电机转子的角速度误差，h₁＝3p²λ_m/8/J，h₂＝B/J，h₃＝p/2/J，h₁、h₂和h₃均属于中间替代表示项，κ＝(L_d-L_q)/λ_m，i_qr表示q轴参考电流，-βδ表示线性PI反馈控制项，ε(t)表示开关增益，ε(t)SGN(δ)表示非线性补偿项，β为任意正数，λ_m表示磁通，J表示转动惯量，B表示粘性摩擦系数，p表示磁极对数，

表示负载转矩扰动最大值，γ表示分数阶滑模正系数，T表示矩阵转置符号，i_dr表示d轴参考电流，L_d表示d轴电感，L_q表示q轴电感，其中，把不连续的符号函数SGN(δ)替换成近似连续的函数δ/(|δ|+k_i)，k_i＞0表示待设计参数，以控制分数阶滑模面切换引起的抖动造成的影响。

在一个实施例中，所述分数阶滑模速度控制模块，基于第二开关增益确定自适应分数阶滑模速度控制模块的控制模型如下：

式中，i_qr表示，

表示自适应开关增益的估计值，-βδ表示线性PI反馈控制项，

表示非线性补偿项，i_dr表示d轴参考电流，L_d表示d轴电感，L_q表示q轴电感κ＝(L_d-L_q)/λ_m。

基于上述任意一个或多个实施例的其他方面，本发明还提供一种用于凸极式永磁同步电机的自适应分数阶滑模控制方法，该方法应用于如上述任意一个或多个实施例中的系统。

与最接近的现有技术相比，本发明还具有如下有益效果：

本发明提供的用于凸极式永磁同步电机的自适应滑模控制系统，包括：依据设计的开关增益算法确定自适应开关增益模块、以获取的转速数据为分数阶滑模控制输入以自适应开关增益为非线性补偿实现凸极式永磁同步电机的分数阶滑模速度控制，以及对输出的电流数据实现电流控制的PI电流控制模块。采用本发明的自适应分数阶滑模控制系统，引入自适应开关增益调整项，解决了现有技术中电机参数不确定性高以及由于固定开关增益过大而导致的输入能量消耗过大的问题，在提高系统鲁棒性的同时，又提高了电机在严重的参数变化情况下精确的速度跟踪能力，保证了电机运行时在存在参数不确定的实时变化时具有快速的暂态性能。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明一实施例提供的用于凸极式永磁同步电机的自适应滑模控制系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中用于凸极式永磁同步电机的自适应滑模控制系统的系统控制逻辑框图；

图3是本发明实施例分数阶滑模速度控制模块实现包含自适应开关增益调整项的分数阶滑模控制的设计逻辑框图；

图4是本发明另一实施例提供的用于凸极式永磁同步电机的自适应分数阶滑模控制方法的流程示意图；

图5是本发明实施例中用于凸极式永磁同步电机的自适应分数阶滑模控制方法控制q轴电流的逻辑明细图。

图6是本发明实施例中用于凸极式永磁同步电机的自适应分数阶滑模控制方法控制d轴电流以及实现MPTA的逻辑明细图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

现有技术中，对于凸极式永磁同步电机的控制多采用针对PMSM的非线性控制方法，例如模糊控制，神经网络控制，非线性最优控制或者反馈线性化控制方法，但是上述现有技术存在不可避免的缺陷，无法满足对于凸极式永磁同步电机控制运行的要求，对于模糊控制器，由于模糊规则数量的增加，控制算法相当复杂，难以有效实施，而且没有考虑参数不确定性，无法保障控制效果的质量。神经网络控制虽然可以达到良好的性能，解决系统不确定性的问题，但由于算法复杂，该方法带来的计算负担过大。非线性最优控制器需要PMSM全部的参数信息，数据处理量过大；反馈线性化也无法很好地考虑参数的不确定性，导致存在参数不确定的缺陷，无法保障控制效果的质量。此外，采用固定的开关增益，易出现因开关增益过大导致输入能量消耗过大的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种用于凸极式永磁同步电机的自适应分数阶滑模控制系统，以减弱凸极式永磁同步电机的参数不确定性，提高电机在严重的参数变化情况下精确的速度跟踪能力，另外加入自适应开关增益整定项，能够有效解决由于固定开关增益过大而导致的输入能量消耗过大的问题。下面参考附图对本发明各个实施例进行说明。

实施例一

图1示出了本发明实施例一提供的用于凸极式永磁同步电机的自适应分数阶滑模控制系统的结构示意图，参照图1可知，该系统包括：

转速数据获取模块11，其设置为获取转子转速参考数据，并采集凸极式永磁同步电机的实时转子转速数据。

图2示出了本发明实施例中用于凸极式永磁同步电机的自适应分数阶滑模控制系统的系统控制逻辑框图，如图2所示，转速数据获取模块通过与凸极式永磁电机(PMSMpermanent-magnet synchronous motor)连接的编码器和脉冲电路(QEP QuadratureEncoder Pulse)获取凸极式永磁电机的实时转子转速数据。

本系统的整个控制器设计主要分为两个部分，分别是不含自适应开关增益项的分数阶滑模控制器设计和包含自适应开关增益项的分数阶滑模控制器设计，实际应用中通过李雅普诺夫函数(Lyapunov stability)证明上述两部分分数阶滑模控制器设计的稳定性。

本发明的系统在使用分数阶滑模控制的基础上，加入自适应开关增益调整项，提高系统鲁棒性的同时又保证了电机在运行过程中存在参数不确定的实时变化时具有快速的暂态性能，其中，自适应开关增益项的分数阶滑模控制器设计需要基于确定的自适应开关增益调整项实现，因此，本发明的系统包括：自适应开关增益确定模块，其设置为依据设计的开关增益算法确定自适应开关增益；

自适应开关增益调整模块13通过以下算法确定自适应开关增益：

式中，η＝[|ω|,1,|e₂|]^T，属于代替原有中间复杂项的简化计算，其中，[|ω|,1,|e₂|]^T为中间计算项，ω表示实时转子转速值，e₂表示电机转子的角速度误差，

表示自适应开关增益的估计值，

表示自适应参数，

表示

项的估计值，h₁＝3p²λ_m/8/J，h₂＝B/J，h₃＝p/2/J，h₁、h₂和h₃均属于中间替代表示项，λ_m表示磁通，J表示转动惯量，B表示粘性摩擦系数，p表示磁极对数，

表示负载转矩扰动最大值，γ表示分数阶滑模正系数，T表示矩阵转置符号，t表示时间，δ表示对应的分数阶滑模面，τ表示积分时间符号。

进一步地，通过以下算法对

进行修正，以避免速度误差不为0时控制系统的开关增益过大：

式中，

表示

的微分，τ表示积分时间符号。

进一步地，系统包括分数阶滑模速度控制模块15，其设置为以转子转速参考数据和实时转子转速数据为分数阶滑模控制输入，分别以第一开关增益和第二开关增益为非线性补偿实现凸极式永磁同步电机的分数阶滑模速度控制，其中，所述第一开关增益为预设的开关增益，第二开关增益为确定的自适应开关增益。

具体的，在一个实施例中，所述分数阶滑模速度控制模块通过以下操作以第一开关增益为非线性补偿实现凸极式永磁同步电机的分数阶滑模速度控制：

根据设定的凸极式永磁同步电机的动态模型定义转子速度误差，并选定分数阶滑模面；

依据所述转子速度误差和分数阶滑模面，基于第一开关增益确定分数阶滑模速度控制模块的控制模型，即不含自适应开关增益项的分数阶滑模控制模型。

在一个实施例中，系统的分数阶滑模速度控制模块，通过以下操作以第二开关增益为非线性补偿实现凸极式永磁同步电机的分数阶滑模速度控制：

根据设定的凸极式永磁同步电机的动态模型定义转子速度误差，并选定分数阶滑模面；

依据所述转子速度误差和分数阶滑模面，基于第二开关增益确定自适应分数阶滑模速度控制模块的控制模型，即含自适应开关增益项的分数阶滑模控制模型。

定义转子速度误差如下：

选定分数阶滑模面如下：

δ＝γe₁+e₂+(γe₁+e₂)D^r

表示分数阶计算；对于分数阶的微分计算，采用Caputo定义：

其中，n-1≤α≤n,n∈N,

式中，ω表示实时转子转速值，ω_r表示转子转速参考值，e₁表示电机转子的角速度误差的积分，e₂表示电机转子的角速度误差，t表示积分的时间,τ表示积分时间符号,δ表示分数阶滑模面，γ表示正系数。

基于第一开关增益确定分数阶滑模速度控制模块15的控制模型如下：

i_qr＝-βδ-ε(t)SGN(δ)

式中，

其中，

η＝[|ω|,1,|e₂|]^T，属于代替原有复杂项的简化计算，[|ω|,1,|e₂|]^T为中间计算项，h₁＝3p²λ_m/8/J，h₂＝B/J，h₃＝p/2/J，h₁、h₂和h₃均属于中间替代表示项，κ＝(L_d-L_q)/λ_m，i_qr表示q轴参考电流，-βδ表示线性PI反馈控制项，ε(t)表示开关增益，ε(t)SGN(δ)表示非线性补偿项，β为任意正数，λ_m表示磁通，J表示转动惯量，B表示粘性摩擦系数，p表示磁极对数，

表示负载转矩扰动最大值，γ表示分数阶滑模正系数，T表示矩阵转置符号，i_dr表示d轴参考电流，L_d表示d轴电感，L_q表示q轴电感，其中，把不连续的符号函数SGN(δ)替换成近似连续的函数δ/(|δ|+k_i)，k_i＞0表示待设计参数，以控制分数阶滑模面切换引起的抖动造成的影响。

在一个实施例中，系统的分数阶滑模速度控制模块15，基于第二开关增益确定自适应分数阶滑模速度控制模块的控制模型如下：

式中，i_qr表示表示q轴参考电流，

表示自适应开关增益的估计值，-βδ表示线性PI反馈控制项，

表示非线性补偿项，i_dr表示表示d轴参考电流，L_d表示d轴电感，L_q表示q轴电感，κ表示(L_d-L_q)/λ_m。

结合实际应用，给定凸极式永磁同步电机在d-q坐标系下的动态模型：

上述动态模型中，

表示，h₁表示，h₁＝3p²λ_m/8/J，h₂表示，h₂＝B/J，h₃表示，h₃＝p/2/J，T_L表示负载转矩，λ_m表示磁通，J表示转动惯量，B表示粘性摩擦系数，p表示磁极对数，

表示负载转矩扰动最大值。

基于上式(1)所示的凸极式PMSM在d-q坐标系下的动态模型，本发明的分数阶滑模速度控制模块15通过以下步骤设计不含自适应开关增益项的分数阶滑模控制器：

定义转子速度误差：

分数阶滑模面选为：

δ＝γe₁+e₂+(γe₁+e₂)D^r (3)

分数阶滑模控制器可表示为：

i_qr＝-βδ-ε(t)SGN(δ) (4)

其中，-βδ为线性PI反馈控制项，实现误差的指数衰减。ε(t)SGN(δ)为非线性补偿项，保证电机对负载变化以及其它参数不确定性的不敏感。因此，当控制输出i_qr使得分数阶滑模面为0，保证了速度跟踪能力。ε(t)为开关增益，保证稳定性，在有限时间内运动到分数阶滑模面：

需要说明的是，实际应用中，为了减弱在分数阶滑模面切换时引起的抖动而带来的不利影响，把不连续的符号函数SGN(δ)替换成近似连续的函数δ/(|δ|+k_i)，k_i＞0为待设计参数。结合图2中显示的信息，可知，i_qr由速度环输出得到，i_dr通过最大转矩电流比的方法得到，具体如下：

要注意的是，如果不知道h_i的精确值，但是h_im≤h_i≤h_iM的范围知道，那么开关增益(5)就不能使用，用下式替换：

这个开关增益的值比(5)式大得多，会使输出能耗增大，所以也不用。

基于此，图3示出了本发明实施例中分数阶滑模速度控制模块实现包含自适应开关增益调整项的分数阶滑模控制的设计逻辑框图，如图3所示，本发明的自适应分数阶滑模速度控制模块通过以下步骤设计含自适应开关增益项的分数阶滑模控制器：

基于上述式(5)确定带自适应项的控制器为：

其中，-βδ为线性PI反馈控制项，实现误差的指数衰减。ε(t)SGN(δ)为非线性补偿项，保证电机对负载变化以及其它参数不确定性的不敏感。

其自适应开关增益调整项是利用下式(9)的估计值，因为其精确值未知，估计的开关增益值

通过下式实时获得：

式中，

为自适应参数，其值实时的决定了开关增益

的值。从(9)式中可以看出ε是通过分数阶滑模面δ乘以η之和估算，这样没有引入电气或者机械参数，也就是不需要电机具体的参数。

从(9)式中可以看出，当速度误差不为0时，

可能会无限增加，结果可能会在控制系统中造成很大的开关增益，因此需要对

进行修正：

当误差小于规定值τ时，其值为0，避免了开关增益估计值的无限增加，且由于自适应开关增益作为在线估计，可以有效解决固定开关增益存在的问题。

系统通过自适应开关增益确定模块以及分数阶滑模速度控制模块实现凸极式永磁同步电机的分数阶滑模控制后，将其输出的q轴电流信号i_qr以及根据最大转矩电流比的方法得到的d轴电流信号i_dr作为PI电流控制模块的输入，实现带有PI增益的电流控制，因此，本发明系统包括：PI电流控制模块17，其根据分数阶滑模速度控制模块输出的电流数据实现带PI增益的电流控制，确定对应的速度数据并对其进行修正处理获取最终的目标速度。

进一步地，在一个实施例中，本发明的PI电流控制模块17在将q轴电流信号或d轴电流信号输入PI电流控制器之前，包括以下操作：

判断当前的q轴电流信号或d轴电流信号是否超过设定的电流信号上限，若超过，则将信号上限值作为当前电流信号值，并将其输入PI电流控制器，否则，直接将获得的当前电流信号值输入PI电流控制器。

具体的，在一个实施例中，本发明的PI电流控制模块将PI电流控制器输出的当前q轴速度信号或当前d轴速度信号与各自对应的速度信号上限值进行比较，若当前速度信号值不低于对应的速度信号上限值，则将速度信号上限值作为当前速度信号，用于控制电机运行，否则，直接将得到的当前速度信号用于控制电机运行。

本发明实施例提供的用于凸极式永磁同步电机的自适应滑模控制系统中，各个模块或单元结构可以根据实际应用需求独立运行或组合运行，以实现相应的技术效果。

采用本发明以上实施例中所述的自适应分数阶滑模控制系统，在使用分数阶滑模控制的基础上，加入自适应开关增益调整项，有效降低了凸极式永磁同步电机的参数不确定性，并且解决了现有技术中由于固定开关增益过大而导致的输入能量消耗过大的问题，提高系统鲁棒性的同时又保证了电机在运行过程中存在参数不确定的实时变化时具有快速的暂态性能。

实施例二

基于上述一个或多个实施例的其他方面，本发明还提供了一种用于凸极式永磁同步电机的自适应分数阶滑模控制方法，该方法应用于如上述任意一个或多个实施例所述的系统。

具体的，图4示出了本发明实施例提供的用于凸极式永磁同步电机的自适应分数阶滑模控制方法的流程示意图，如图4所示，该方法包括以下步骤：

步骤S410、通过转速数据获取模块获取转子转速参考数据，并采集凸极式永磁同步电机的实时转子转速数据；

步骤S420、由自适应开关增益确定模块依据设计的开关增益算法确定自适应开关增益；

步骤S430、利用分数阶滑模速度控制模块以转子转速参考数据和实时转子转速数据为分数阶滑模控制输入，分别以第一开关增益和第二开关增益为非线性补偿实现凸极式永磁同步电机的分数阶滑模速度控制，其中，所述第一开关增益为预设的开关增益，第二开关增益为确定的自适应开关增益；

步骤S440、由PI电流控制模块根据分数阶滑模速度控制模块输出的电流数据实现带PI增益的电流控制，确定对应的速度数据并对其进行修正处理获取最终的目标速度。

进一步地，图5示出了本发明实施例中用于凸极式永磁同步电机的自适应分数阶滑模控制q轴电流的逻辑明细图，如图5所示，结合实际应用，给定凸极式永磁同步电机在d-q坐标系下的动态模型：

基于上式(1)所示的凸极式PMSM在d-q坐标系下的动态模型，本发明的分数阶滑模速度控制模块通过以下步骤设计不含自适应开关增益项的分数阶滑模控制器：

定义转子速度误差：

分数阶滑模面选为：

δ＝γe₁+e₂+(γe₁+e₂)D^r (3)

分数阶滑模控制器可表示为：

i_qr＝-βδ-ε(t)SGN(δ) (4)

其中，-βδ为线性PI反馈控制项，实现误差的指数衰减。ε(t)SGN(δ)为非线性补偿项，保证电机对负载变化以及其它参数不确定性的不敏感。因此，当控制输出i_qr使得分数阶滑模面为0，保证了速度跟踪能力。ε(t)为开关增益，保证稳定性，在有限时间内运动到分数阶滑模面：

需要说明的是，实际应用中，为了减弱在分数阶滑模面切换时引起的抖动而带来的不利影响，把不连续的符号函数SGN(δ)替换成近似连续的函数δ/(|δ|+k_i)，k_i＞0为待设计参数。结合图2中显示的信息，可知，i_qr由速度环输出得到。图6示出了本发明控制d轴电流以及实现MPTA的逻辑明细图，如图6中所示，i_dr通过最大转矩电流比的方法得到，具体如下：

要注意的是，如果不知道h_i的精确值，但是h_im≤h_i≤h_iM的范围知道，那么开关增益(5)就不能使用，用下式替换：

这个开关增益的值比(6)式大得多，会使输出能耗增大，所以也不用。

进一步地，本发明实施例中通过以下步骤设计含自适应开关增益项的分数阶滑模控制器：

基于上述式(5)确定带自适应项的控制器为：

其中，-βδ为线性PI反馈控制项，实现误差的指数衰减。ε(t)SGN(δ)为非线性补偿项，保证电机对负载变化以及其它参数不确定性的不敏感。

其自适应开关增益调整项是利用下式(9)的估计值，因为其精确值未知，估计的开关增益值

通过下式实时获得：

式中，

为自适应参数，其值实时的决定了开关增益

的值。从(9)式中可以看出，当速度误差不为0时，

可能会无限增加，结果可能会在控制系统中造成很大的开关增益，因此需要对

进行修正：

当误差小于规定值τ时，其值为0，避免了开关增益估计值的无限增加，且由于自适应开关增益作为在线估计，可以有效解决固定开关增益存在的问题。

系统通过自适应开关增益确定模块以及分数阶滑模速度控制模块实现凸极式永磁同步电机的分数阶滑模控制后，将其输出的q轴电流信号i_qr以及根据最大转矩电流比的方法得到的d轴电流信号i_dr作为PI电流控制模块的输入，实现带有PI增益的电流控制。

进一步地，在一个实施例中，本发明的PI电流控制模块在将q轴电流信号或d轴电流信号输入PI电流控制器之前，包括以下操作：

判断当前的q轴电流信号或d轴电流信号是否超过设定的电流信号上限，若超过，则将信号上限值作为当前电流信号值，并将其输入PI电流控制器，否则，直接将获得的当前电流信号值输入PI电流控制器。

具体的，在一个实施例中，本发明的PI电流控制模块将PI电流控制器输出的当前q轴速度信号或当前d轴速度信号与各自对应的速度信号上限值进行比较，若当前速度信号值不低于对应的速度信号上限值，则将速度信号上限值作为当前速度信号，用于控制电机运行，否则，直接将得到的当前速度信号用于控制电机运行。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意味着限制。

说明书中提到的“一实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特征包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种用于凸极式永磁同步电机的自适应滑模控制系统，其特征在于，所述系统包括：

转速数据获取模块，其设置为获取转子转速参考数据，并采集凸极式永磁同步电机的实时转子转速数据；

自适应开关增益确定模块，其设置为依据设计的开关增益算法确定自适应开关增益；

分数阶滑模速度控制模块，其设置为以转子转速参考数据和实时转子转速数据为分数阶滑模控制输入，分别以第一开关增益和第二开关增益为非线性补偿实现凸极式永磁同步电机的自适应分数阶滑模速度控制，其中，所述第一开关增益为预设的开关增益，第二开关增益为确定的自适应开关增益；

PI电流控制模块，其根据分数阶滑模速度控制模块输出的电流数据实现带PI增益的电流控制，确定对应的速度数据并对其进行修正处理获取最终的目标速度。

2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述转速数据获取模块通过与凸极式永磁电机连接的编码器和脉冲电路获取凸极式永磁电机的实时转子转速数据。

3.如权利要求1或2所述的控制系统，其特征在于，所述自适应开关增益调整模块通过以下算法确定自适应开关增益：

式中，η＝[|ω|,1,|e₂|]^T，其中，[|ω|,1,|e₂|]^T为中间计算项，ω表示实时转子转速值，e₂表示电机转子的角速度误差，

表示自适应开关增益的估计值，

表示自适应参数，

表示

项的估计值，h₁＝3p²λ_m/8/J，h₂＝B/J，h₃＝p/2/J，h₁、h₂和h₃均属于中间替代表示项，λ_m表示磁通，J表示转动惯量，B表示粘性摩擦系数，p表示磁极对数，

表示负载转矩扰动最大值，γ表示分数阶滑模正系数，T表示矩阵转置符号，t表示时间，δ表示对应的分数阶滑模面。

4.如权利要求3中所述的控制系统，其特征在于，通过以下算法对

进行修正，以避免速度误差不为0时控制系统的开关增益过大：

式中，

表示

的微分，τ表示积分时间符号。

5.如权利要求1～4中任一项所述的控制系统，其特征在于，分数阶滑模速度控制模块，通过以下操作以第一开关增益为非线性补偿实现凸极式永磁同步电机的分数阶滑模速度控制：

根据设定的凸极式永磁同步电机的动态模型定义转子速度误差，并选定分数阶滑模面；

依据所述转子速度误差和分数阶滑模面，基于第一开关增益确定分数阶滑模速度控制模块的控制模型。

6.如权利要求1～5中任一项所述的控制系统，其特征在于，分数阶滑模速度控制模块，通过以下操作以第二开关增益为非线性补偿实现凸极式永磁同步电机的自适应分数阶滑模速度控制：

根据设定的凸极式永磁同步电机的动态模型定义转子速度误差，并选定分数阶滑模面；

依据所述转子速度误差和分数阶滑模面，基于第二开关增益确定自适应分数阶滑模速度控制模块的控制模型。

7.如权利要求5或6所述的控制系统，其特征在于，定义转子速度误差如下：

e₂＝ω-ω_r

选定分数阶滑模面如下：

δ＝γe₁+e₂+(γe₁+e₂)D^r

表示分数阶计算，对于分数阶的微分计算，采用Caputo定义：

其中，α为中间计算因子，n-1≤α≤n,n∈N,

ω表示实时转子转速值，ω_r表示转子转速参考值，e₁表示电机转子的角速度误差的积分，e₂表示电机转子的角速度误差，t表示积分的时间，δ表示分数阶滑模面，γ表示正系数。

8.如权利要求5所述的控制系统，其特征在于，基于第一开关增益确定分数阶滑模速度控制模块的控制模型如下：

i_qr＝-βδ-ε(t)SGN(δ)

式中，

其中，

η＝[|ω|,1,|e₂|]^T，其中，[|ω|,1,|e₂|]^T为中间计算项，ω表示实时转子转速值，e₂表示电机转子的角速度误差，h₁＝3p²λ_m/8/J，h₂＝B/J，h₃＝p/2/J，h₁、h₂和h₃均属于中间替代表示项，κ＝(L_d-L_q)/λ_m，i_qr表示q轴参考电流，-βδ表示线性PI反馈控制项，ε(t)表示开关增益，ε(t)SGN(δ)表示非线性补偿项，β为任意正数，λ_m表示磁通，J表示转动惯量，B表示粘性摩擦系数，p表示磁极对数，

表示负载转矩扰动最大值，γ表示分数阶滑模正系数，T表示矩阵转置符号，i_dr表示d轴参考电流，L_d表示d轴电感，L_q表示q轴电感，其中，把不连续的符号函数SGN(δ)替换成近似连续的函数δ/(|δ|+k_i)，k_i＞0表示待设计参数，以控制分数阶滑模面切换引起的抖动造成的影响。

9.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述分数阶滑模速度控制模块，基于第二开关增益确定自适应分数阶滑模速度控制模块的控制模型如下：

式中，i_qr表示，

表示自适应开关增益的估计值，-βδ表示线性PI反馈控制项，

表示非线性补偿项，i_dr表示d轴参考电流，L_d表示d轴电感，L_q表示q轴电感κ＝(L_d-L_q)/λ_m。

10.一种用于凸极式永磁同步电机的自适应滑模控制方法，其特征在于，所述方法应用于如上述权利要求1～9中任一项所述的系统。

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