CN112039390B - 基于负载转矩观测的永磁同步电机滑模控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于负载转矩观测的永磁同步电机滑模控制方法，速度环采用滑模控制方式，负载转矩观测采用反馈增益依据负载转矩给定值的变化量和负载转矩观测值的变化量进行自动调整的算法，能在系统参数发生变化或者是负载发生扰动，导致负载转矩给定值发生变化或/和负载转矩观测值发生变化时，快速降低负载转矩的观测误差并将负载转矩观测值前馈补偿至电流调节器中，有效的削弱了系统的抖振，且动态响应速度快，鲁棒性高，提高了永磁同步电机的控制精度。

Description

基于负载转矩观测的永磁同步电机滑模控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机技术领域，更具体地，尤其是涉及一种基于负载转矩观测的永磁同步电机滑模控制方法。

背景技术

永磁同步电机具有效率高、扭矩大、转速性能好等优点，被广泛应用在制造、电动汽车、工业生产等领域中。永磁同步电机控制系统是参数时变的复杂系统，在发生负载扰动或内部参数摄动导致转矩偏差增大(包括控制器输出的给定转矩变化导致，或者是负载转矩发生变化导致)时，会影响永磁同步电机速度控制的稳态误差、动态性能和调速范围等性能参数。

发明内容

本发明的目的是将观测的负载转矩前馈补偿至电流调节器中时，为提高对负载转矩观测响应速度并减少转矩观测的波动性，提供一种基于负载转矩观测的永磁同步电机滑模控制方法，具体包括以下步骤：

步骤一、检测永磁同步电机的转子位置θ、转子角速度ω和三相电流i_a、i_b和i_c；

步骤二、依据三相电流i_a、i_b和i_c对永磁同步电机进行Clark变换得到在α-β轴坐标系下的电流i_α、电流i_β，依据电流i_α、电流i_β和转子位置θ进行Park变换，得到在d-q轴坐标系下的电流i_d、电流i_q；

步骤三、负载转矩观测器依据负载转矩给定值T_L ^*、负载转矩观测值

转子角速度ω和电流i_q对负载转矩进行观测，得到新的负载转矩观测值

步骤四、滑模速度控制器依据输入的转子给定角速度ω^*和转子角速度ω进行控制计算，得到负载转矩给定值T_L ^*；

步骤五、依据负载转矩给定值T_L ^*和新的负载转矩观测值

计算得到q轴转矩电流给定值i_q ^*；

步骤六、d轴电流控制器依据d轴转矩电流给定值i_d ^*与d轴坐标系下的电流i_d之间的差值进行PI控制运算，得到d轴坐标系下的控制电压U_d；q轴电流控制器依据q轴转矩电流给定值i_q ^*与q轴坐标系下的电流i_q之间的差值进行PI控制运算，得到q轴坐标系下的控制电压U_q；依据d-q轴坐标系下的控制电压U_d、U_q进行Park逆变换，得到α-β轴坐标系下的控制电压U_α、U_β；

步骤七、将α-β轴坐标系下的控制电压U_α、U_β作为SVPWM模块的输入，由SVPWM模块控制三相逆变器产生三相交流电源U_a、U_b、U_c，从而驱动永磁同步电机运转。

所述步骤三中，得到新的负载转矩观测值

的具体方法是：

依据负载转矩观测器

计算得到新的负载转矩观测值

其中，U＝k_g·sgn(e₁)，

为转子角速度估算误差，

是转子角速度估计值，g是观测器的反馈增益，k_g是观测器的滑模增益，ψ_f是永磁体磁链，J是转动惯量，p是电机极对数。

定义负载转矩观测器滑模面为

定义

为负载转矩观测误差；滑模增益k_g的取值条件为：

反馈增益g的取值方法为：

步骤1、计算ΔT_L ^*＝T_L ^*(k-1)-T_L ^*(k-2)，

步骤2、判断|ΔT_L ^*|是否大于等于ε；当|ΔT_L ^*|大于等于ε时，取反馈增益g等于g_min并退出；当|ΔT_L ^*|小于ε时，进入步骤3；

步骤3、判断

是否大于等于ε；当

大于等于ε时，取反馈增益g等于g_min并退出；当

小于ε时，取反馈增益g等于g_max并退出。

其中，g_min＜g_max＜0，ε为转矩变化比较阈值且ε＞0；T_L ^*(k-1)为k-1时刻滑模速度控制器计算得到的负载转矩给定值T_L ^*，T_L ^*(k-2)为k-2时刻滑模速度控制器计算得到的负载转矩给定值T_L ^*，

为k-1时刻负载转矩观测器计算得到(观测得到)的负载转矩观测值

为k-2时刻负载转矩观测器计算得到的负载转矩观测值

步骤四中，滑模速度控制器的具体控制方法为：

定义状态变量为

定义滑模速度控制器滑模面为s＝cx₁+x₂；其中c为滑模面参数，且c＞0；滑模速度控制器的输出负载转矩给定值T_L ^*为

T_L ^*＝J·∫(cx₂+k₁|x₁|sgn(s)+k₂s)dt

其中，系数k₁、k₂均为常数且k₁＞0，k₂＞0。

步骤五中，计算得到q轴转矩电流给定值i_q ^*的具体方法是：

其中，k_q为转矩观测补偿系数，用于将转矩补偿转换为电流补偿，且按照式

进行计算。

所述基于负载转矩观测的永磁同步电机滑模控制方法由永磁同步电机速度控制系统实现，永磁同步电机速度控制系统包括滑模速度控制器、负载转矩观测器、q轴电流控制器、d轴电流控制器、Clarke变换模块、位置与速度检测模块、Park变换模块、Park逆变换模块、SVPWM模块和三相逆变器。

在步骤一至步骤七的永磁同步电机速度控制系统的周期性控制过程中，将当次k时刻(或者是第k步)滑模速度控制器计算得到的负载转矩给定值T_L ^*记为T_L ^*(k)，负载转矩观测器计算得到的负载转矩观测值

记为

k-1时刻为k时刻的前一次周期性控制过程时刻，k-2时刻为k-1时刻的前一次周期性控制过程时刻。

本发明的有益效果是，将负载转矩观测值前馈补偿至电流调节器中，在不需要滑模速度控制器输出较大幅值的负载转矩给定值变化量的情况下，就能提供足够大的给定电流变化量来抵消负载发生扰动或者是系统参数发生变化的相关影响，减少滑模速度控制器的输出压力及不连续项的幅值，有效的削弱了系统的抖振。负载转矩观测采用反馈增益依据负载转矩给定值的变化量和负载转矩观测值的变化量进行自动调整的算法，避免了负载转矩观测器选择固定小反馈增益导致转矩观测波动大，选择固定大反馈增益导致收敛时间长的问题，能在系统参数发生变化或者是负载发生扰动，导致负载转矩给定值发生变化或/和负载转矩观测值发生变化时，快速消除负载转矩的观测误差，改善了观测效果和电机速度控制的快速性与精确性。反馈增益在负载转矩给定值变化时即进行自动调整，能够在给定转速改变使负载转矩给定值改变，或者是系统参数发生变化使负载转矩给定值先于负载转矩观测值发生改变时，提前调整反馈增益，当负载转矩观测值真正产生观测误差时，加快观测器响应速度，快速减小负载转矩观测值的观测误差，并进一步改善电机速度控制的快速性与精确性。

附图说明

图1为永磁同步电机速度控制系统框图；

图2为基于反馈增益自动调整的负载转矩观测流程图；

图3为反馈增益g取固定值g_min的负载转矩观测器仿真结果；

图4为反馈增益g取固定值g_med的负载转矩观测器仿真结果；

图5为反馈增益g取固定值g_max的负载转矩观测器仿真结果；

图6为反馈增益g自动调整时的负载转矩观测器仿真结果；

图7为固定反馈增益和自动调整增益两种控制策略下的转速响应仿真结果；

图8为转速变化时自动调整增益负载转矩观测器的转矩观测波形。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

图1为实现基于负载转矩观测的永磁同步电机滑模控制方法的永磁同步电机速度控制系统框图。图1中，Clarke变换模块输入永磁同步电机(即PMSM)的三相电流i_a、i_b和i_c，输出两相静止α-β轴坐标系下的电流i_α、i_β；位置与速度检测模块中的位置传感器检测永磁同步电机的转子位置θ后转换为转子角速度ω输出；Park变换模块输入电流i_α、i_β和转子位置θ，输出旋转d-q轴坐标系下的电流i_d、i_q；滑模速度控制器SMC输入转子给定角速度ω^*和转子角速度ω，输出负载转矩给定值T_L ^*和转矩电流给定分量i′_q；负载转矩观测器输入负载转矩给定值T_L ^*、转子角速度ω和电流i_q，输出转矩电流补偿分量i″_q；转矩电流给定分量i′_q和转矩电流补偿分量i″_q相加后，作为q轴转矩电流给定值i_q ^*；q轴电流PI控制器输入q轴转矩电流给定值i_q ^*和电流i_d，输出q轴坐标系下的控制电压U_q；d轴电流PI控制器输入q轴转矩电流给定值i_d ^*和电流i_d，输出d轴坐标系下的控制电压U_d，d轴转矩电流给定值i_d ^*等于0；Park逆变换模块输入d-q轴坐标系下的控制电压U_d、U_q，输出α-β轴坐标系下的控制电压U_α、U_β；SVPWM模块(即空间矢量脉宽调制模块)输入控制电压U_α、U_β，输出脉冲信号至三相逆变器，三相逆变器将直流电压U_dc转换为三相交流电源U_a、U_b、U_c，从而驱动永磁同步电机运转。

忽略铁心涡流与磁滞损耗等影响，采用i_d＝0的PMSM转子磁场定向控制，建立PMSM在d-q轴旋转坐标系下的数学模型，电压方程为：

对于采用i_d＝0控制方式的凸极式PMSM矢量控制系统，电磁转矩方程为：

PMSM运动方程为：

式(1)(2)(3)中，u_d、u_q分别是d-q轴的电压；i_d、i_q分别是d-q轴的电流；L_d、L_q分别是d-q轴的电感；T_e是电磁转矩；T_L是负载转矩；R是定子的电阻；p是电机极对数；ω_e是转子电角速度，即角频率；ω是转子角速度，即转子机械角速度；ψ_f是永磁体磁链；J是转动惯量；B是摩擦系数。

定义PMSM系统的状态变量为：

其中，ω^*是电机的给定转子角速度。由式(2)、(3)、(4)得：

对式(5)进行化简，令D＝1.5pψ_f/J，

可得系统状态空间方程为：

选择滑模面函数为：

s＝cx₁+x₂ (7)

式(7)中，c为滑模面参数，且c>0。对式(7)求导可得：

传统指数趋近律的表达式为：

式(9)中，sgn()为符号函数，-k₁sgn(s)为等速趋近项，-k₂s为指数趋近项，k₁、k₂两个系数分别决定滑模面的抖振和趋近过程的运动品质，且k₁、k₂均大于0。为提高系统响应速度，在传统指数趋近率的基础上改进，改进的趋近律为：

在趋近律等速趋近项中加入转速误差绝对值|x₁|，使系统控制量在趋近滑模面过程中的速度与系统转速误差的绝对值|x₁|相关联。结合式(8)和(10)，得滑模速度控制器输出的负载转矩给定值T_L ^*和转矩电流给定分量i′_q为：

滑模速度控制器输出中含有积分项，对输出的控制量进行滤波，可削弱系统抖振、减少系统的稳态误差。定义Lyapunov函数为：

由式(10)和式(12)可得：

式(13)中，k₁＞0，k₂＞0，s·sgn(s)≥0，故

表明系统跟踪误差能在有限时间内收敛到零，系统能稳定运行。此时，k₁和k₂分别为变速趋近项系数和指数趋近项系数，系数k₂越大，系统状态能以较大速度趋近于滑动模态；系数k₁决定到达切换面的速度，k₁越小则穿越切换面的距离和抖动越小。根据经验，进行小功率永磁同步电机控制时，c取值通常小于100，系数k₁取值小于1000，系数k₂取值小于5000。

根据PMSM电磁转矩与运动方程，对于恒定的阶跃性负载，在变化周期内可认为是一恒定值，即

将电机角速度与负载转矩作为状态变量，构成PMSM状态方程为：

电机摩擦与负载转矩相比较，所占比重小，在式(14)基础上，令B＝0，忽略摩擦的影响，且以负载转矩与电机角速度为观测对象，建立负载转矩观测器为：

式(15)中，

是负载转矩的观测值，

是转子角速度估计值，g是负载转矩观测器的反馈增益，

k_g是负载转矩观测器的滑模增益。

依据式(14)和式(15)得到负载转矩观测器误差方程为：

式(16)中，

为转子角速度估算误差，

为负载转矩观测误差，并定义观测器滑模面为

根据滑模可达性条件，观测器系统稳定条件为k_g≤-|e₂/J|，且g＜0，负载转矩观测误差为：

式(17)中，c₁为常数，观测误差e₂随时间t变化以指数方式逐渐趋近到零。反馈增益g的取值大小对负载转矩观测结果影响较大。反馈增益g越大，观测转矩波动性越小，但观测转矩辨识速度越慢；反馈增益g越小，观测转矩速度越快，但观测转矩波动性越大。出于对此问题的考虑，在传统负载转矩观测器中，综合考虑负载转矩的观测速度与波动性，将反馈增益g取一个折中值，但这会舍弃大反馈增益时的波动性小和小反馈增益时的观测速度快的优势。

滑模控制主要通过增大控制器中不连续项的幅值来抑制参数变化和外部负载扰动对系统的影响，但幅值增大会引起滑模固有抖振。为解决滑模控制系统抖振与抗扰性之间的矛盾，利用观测器实时观测负载扰动变化，将负载转矩观测值前馈补偿至电流调节器中，以降低滑模控制中不连续项幅值，削弱参数变化导致给定转矩变化，或者是负载扰动所引起系统抖振。为了充分利用反馈增益g在高、低值时的优势，根据两相邻时刻负载转矩观测值变化量以及负载转矩给定值变化量的大小，在负载转矩给定值变化小且负载转矩观测值变化小时，给予反馈增益g较大值，使观测结果波动性小，稳定性更强；在负载转矩给定值变化大或者负载转矩观测值变化大时，给予反馈增益g较小值，使观测速度加快，最终通过对反馈增益g参数的自动调整，得到观测速度快和波动小、稳定性更强的综合结果。

图2为基于反馈增益自动调整的负载转矩观测流程图。ε为转矩变化比较阈值，将负载转矩给定值和负载转矩观测值前后时刻差值与ε进行比较来判断当前给定值和观测值的变化波动情况。图2中，ΔT_L ^*为最近2次负载转矩给定值之间的差值，

为最近2次负载转矩观测值之间的差值；当|ΔT_L ^*|大于等于ε时，表明负载转矩给定值因参数变化，或者是因转子角速度给定值变化等因素而处于较大变化状态，反馈增益g选择等于g_min进行转矩辨识与观测；当|ΔT_L ^*|小于ε，且

大于等于ε时，表明负载转矩观测值波动大，反馈增益g选择等于g_min进行转矩辨识与观测；当|ΔT_L ^*|小于ε且

小于ε时，表明负载转矩给定值和负载转矩观测值的变化波动均小，反馈增益g选择等于g_max进行转矩辨识与观测。图2中，g_min＜g_max＜0，比较阈值ε＞0。

基于负载转矩观测的永磁同步电机滑模控制方法是离散化后，通过计算机，或者是具有CPU等控制核心中运行的程序来实现。在周期性的控制过程中，将当次k时刻(或者是第k步)计算得到的负载转矩给定值T_L ^*记为T_L ^*(k)，计算得到的负载转矩观测值

记为

k-1时刻为k时刻的前一次周期性控制过程时刻，计算得到的负载转矩给定值T_L ^*记为T_L ^*(k-1)，计算得到的负载转矩观测值

记为

k-1时刻为k-1时刻的前一次周期性控制过程时刻，计算得到的负载转矩给定值T_L ^*记为T_L ^*(k-2)，计算得到的负载转矩观测值

记为

图2中，ΔT_L ^*＝T_L ^*(k-1)-T_L ^*(k-2)，

观测得到负载转矩观测值

后，将负载转矩的观测值

转换成转矩电流补偿分量i″_q前馈补偿至q轴电流PI控制器的输入，对滑模速度控制器输出的转矩电流给定分量i′_q进行补偿。q轴电流PI控制器的q轴转矩电流给定值i_q ^*为：

式(18)中，k_q＝2/(3pψ_f)为转矩观测补偿系数。比较式(11)与式(18)可得，当负载发生扰动或者是系统参数发生变化时，式(11)中没有加入负载转矩补偿，需要选取较大的k₁、k₂值来提供足够大的给定电流变化量来抵消负载发生扰动或者是系统参数发生变化的相关影响，以保证电机转速能够快速恒定；而式(18)将负载转矩观测值前馈补偿至电流调节器中，在不需要较大k₁、k₂值的情况下就能在负载发生扰动或者是系统参数发生变化时，提供足够大的给定电流变化量来抵消负载发生扰动或者是系统参数发生变化的相关影响，减少滑模速度控制器的输出压力及不连续项的幅值，有效地削弱了系统的抖振。

滑模增益k_g按照

进行选择。式(19)中，α≥1；一般地，α值在1～5的范围内选择，例如，选择α等于1.5。k_g的绝对值选择过小，当|e₂|较大时观测器不能进入滑模状态；k_g的绝对值选择足够大，可保证观测器进入滑模状态，但负载转矩的稳态观测波动变大；k_g的值随着负载转矩观测误差的变化而变化，可以同时兼顾增加观测器稳定性和减小负载转矩的稳态观测波动。

ε在大于0，且一般小于额定转矩5％的范围内取值，例如，额定转矩为22N·m，取ε＝0.2N·m。同样地，反馈增益g的取值满足g_min＜g_max＜0，一般情况下，g_min≥-5000；g_min取值应使负载转矩观测器输出的观测值的波动处在合理范围之内，例如，观测值的波动在额定转矩的10％之内，或者是在额定转矩的5％之内，等等；g_max取值应使负载转矩不变时，负载转矩观测器输出的观测值波动明显小于ε，例如，选择反馈增益g_max＝-0.5，g_min＝-10。选取g_min、g_max、ε值的具体方法是：

步骤①，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态且保持给定转子角速度不变和负载转矩不变；

步骤②，令反馈增益g从一个较大值开始逐渐减小，例如，令反馈增益g从-0.01开始逐渐减小，当负载转矩观测的稳态误差达到负载转矩观测稳态误差限值时，确定此时的反馈增益g值为g_max；

步骤③，保持给定转子角速度不变和负载转矩不变且令反馈增益g等于g_max，连续进行u次

值的测量，并将u次

测量中最大m个

测量值的平均值作为转矩变化比较阈值ε；u≥10；2≤m≤0.5u；

步骤④，微调改变反馈增益g，负载转矩观测器和滑模速度控制器均处于稳态时，保持给定转子角速度不变且令负载转矩突变，在保证转矩观测跟踪超调量处于转矩观测跟踪超调限值之内的前提下，测量负载转矩观测器的跟踪调节时间；

步骤⑤，重复步骤④，选择跟踪调节时间最短的反馈增益g值为g_min值。通常情况下，转矩观测跟踪超调量接近转矩观测跟踪超调限值时，负载转矩观测器的跟踪调节时间较短。

转矩观测跟踪超调限值通常为电机额定转矩的1％～10％，具体来说，转矩观测跟踪超调限值是额定转矩的2％，或者是额定转矩的5％，或者是额定转矩的10％，等等。负载转矩从一个定值突变至另外一个定值，突变开始时刻至负载转矩观测器输出观测值稳定地进入负载转矩观测稳态误差限值范围时刻为转矩观测过渡过程，跟踪调节时间指的是该过渡过程时间；负载转矩观测稳态误差指的是负载转矩不变且负载转矩观测器处于稳态时观测转矩瞬时值与负载转矩之间的误差，该误差包括滑模观测器自身抖振引起的观测误差和负载波动之外干扰原因所造成的观测误差，或者是状态观测器因为转子角速度抖振引起的观测误差和负载波动之外干扰原因所造成的观测误差；负载转矩观测稳态误差限值是负载转矩观测器允许的负载转矩观测稳态误差最大绝对值；负载转矩观测稳态误差限值通常为电机额定转矩的1％～5％，具体来说，负载转矩观测稳态误差限值是额定转矩的1％，或者是额定转矩的2％，或者是额定转矩的5％，等等。转矩观测跟踪超调量指的是负载转矩从一个定值突变至另外一个定值，负载转矩观测器输出的观测值超过突变后负载转矩的最大偏差值。当负载转矩观测的稳态误差在负载转矩观测稳态误差限值的临近范围之内，例如，95％～105％范围内，或者是98％～102％范围内时，认为负载转矩观测的稳态误差增大到负载转矩观测稳态误差限值。滑模速度控制器处于稳态指的是滑模速度控制器稳定地处于滑动模态；滑模观测器处于稳态指的是滑模观测器稳定地处于滑动模态。

依据图1的系统框图在Simulink中搭建仿真模型，选取的永磁同步电机参数见表1。忽略摩擦，取摩擦系数B为0。

表1永磁同步电机参数

选取反馈增益高值为g_max＝-0.5，反馈增益低值为g_min＝-20，反馈增益折中值g_med＝-3，负载从0N·m突变至22N·m时对永磁同步电机的负载转矩进行观测，反馈增益g分别取固定值g_min、g_med、g_max的负载转矩观测器仿真结果分别如图3、图4、图5所示；反馈增益g按照前述方法自动调整时的负载转矩观测器仿真结果如图6所示，设置转矩变化比较阈值ε为0.2。图3至图6中，虚线为实际转矩值，实线为观测转矩值，不同反馈增益取法下观测效果对比见表2。设观测转矩值的允许误差范围是0.25N·m，收敛时间为负载突变至观测转矩值稳定进入误差范围的时间，滑模态观测波动为负载转矩观测器进入滑模态后的观测波动误差。

表2不同反馈增益取法下观测效果对比

从表2可以看出，固定反馈增益值时，反馈增益g越小，负载转矩观测的滑模态观测波动振荡幅值越大，波动性越强；反馈增益g越大，负载转矩观测的滑模态观测波动振荡幅值越小，观测精度越高。自动调整增益算法解决了负载转矩观测器中小反馈增益导致转矩观测波动大的问题，大反馈增益收敛时间长的问题，收敛时间和波动幅度指标都优于折中增益算法。可变增益算法能快速跟踪负载转矩变化值，将传统负载转矩观测器的固定反馈增益优点保留，对缺点进行改进，达到了较好的观测效果。

在额定负载转矩下，设系统初始转速为1500r/min，0.2s时转速突减至1200r/min，之后在0.4s时突增转速至1400r/min，图7为固定反馈增益和自动调整增益两种控制策略下转速响应仿真结果，其中的虚线为固定反馈增益前馈补偿控制(即传统SMC前馈补偿控制)时的转速变化曲线，实线为自动调整增益前馈补偿控制(即改进SMC前馈补偿控制)时的转速变化曲线；可以看出在转速给定突变时，固定反馈增益前馈补偿控制超调小，但调节时间长，需经过16ms左右恢复至给定转速；而自动调整增益前馈补偿控制超调较小，调节时间短，响应速度快，只需经过6ms左右恢复至给定转速。图8为转速变化时自动调整增益负载转矩观测器对转矩的观测波形，虚线为实际转矩值，实线为观测转矩值，可以看出当转速稳定时能很好观测负载转矩，在转速变化时，观测转矩出现波动，但观测值误差不超过0.004N·m，响应时间在20ms以内，观测效果较好。

图7中的纵轴是电机转速n，单位是r/min；转子角速度ω＝2πn/60rad/s。

在额定负载转矩下改变给定转速时，尽管实际的负载转矩没有改变，但从式(15)-(17)所构造的负载转矩观测器可知，当转子角速度ω发生改变时，即使负载转矩没有改变，观测到的转矩观测值也会发生变化，造成观测误差。在额定负载转矩下改变给定转速时，永磁同步电机滑模控制系统的控制调节过程是，首先由滑模速度控制器依据给定速度变化，使输出的负载转矩给定值T_L ^*改变，以及使转矩电流给定值i_q ^*发生改变，进而使永磁同步电机的电磁转矩T_e发生改变，带动电机使转子角速度ω发生改变；反馈增益g如果只依据负载转矩观测值的变化量

进行自动调整，则此时只有当转子角速度ω发生改变，使负载转矩观测值

发生了改变后，才对反馈增益g进行调整；反馈增益g同时依据负载转矩给定值的变化量ΔT_L ^*和负载转矩观测值的变化量

进行自动调整，当给定转速改变使负载转矩给定值T_L ^*改变，负载转矩观测值

还没有发生变化时，就提前调整反馈增益g，当负载转矩观测值

真正产生观测误差时，能够加快观测器响应速度，尽快消除负载转矩观测值

的观测误差，进而改善电机速度控制的快速性与精确性。同样地，当系统参数发生变化使负载转矩给定值T_L ^*先于负载转矩观测值

发生改变时，反馈增益g同时依据负载转矩给定值的变化量ΔT_L ^*和负载转矩观测值的变化量

进行自动调整，能够提前调整反馈增益g，加快观测器响应速度，尽快消除负载转矩观测值

的观测误差，并进一步改善电机速度控制的快速性与精确性。

除说明书所述的技术特征外，本发明所涉及的其他技术均为本领域技术人员所掌握的常规技术。例如，q轴电流控制器、d轴电流控制器采用PI控制器进行控制及控制器参数的选择，滑模速度控制器控制参数的选择，位置与速度检测模块使用旋转变压器或光电编码器等进行永磁同步电机磁极位置、转子旋转角度与旋转速度检测，以及对于Clarke变换模块、Park变换模块、Park逆变换模块和SVPWM模块、三相逆变器的变换方法及应用方法，等等，均为本领域技术人员所掌握的常规技术。

Claims (3)

1.一种基于负载转矩观测的永磁同步电机滑模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、检测永磁同步电机的转子位置θ、转子角速度ω和三相电流i_a、i_b和i_c；

步骤二、依据三相电流i_a、i_b和i_c对永磁同步电机进行Clark变换得到在α-β轴坐标系下的电流i_α、电流i_β，依据电流i_α、电流i_β和转子位置θ进行Park变换，得到在d-q轴坐标系下的电流i_d、电流i_q；

步骤三、负载转矩观测器依据负载转矩给定值T_L ^*、负载转矩观测值

转子角速度ω和电流i_q对负载转矩进行观测，得到新的负载转矩观测值

步骤四、滑模速度控制器依据输入的转子给定角速度ω^*和转子角速度ω进行控制计算，得到负载转矩给定值T_L ^*；

步骤五、依据负载转矩给定值T_L ^*和新的负载转矩观测值

计算得到q轴转矩电流给定值i_q ^*；

步骤六、d轴电流控制器依据d轴转矩电流给定值i_d ^*与d轴坐标系下的电流i_d之间的差值进行PI控制运算，得到d轴坐标系下的控制电压U_d；q轴电流控制器依据q轴转矩电流给定值i_q ^*与q轴坐标系下的电流i_q之间的差值进行PI控制运算，得到q轴坐标系下的控制电压U_q；依据d-q轴坐标系下的控制电压U_d、U_q进行Park逆变换，得到α-β轴坐标系下的控制电压U_α、U_β；

步骤七、将α-β轴坐标系下的控制电压U_α、U_β作为SVPWM模块的输入，由SVPWM模块控制三相逆变器产生三相交流电源U_a、U_b、U_c，从而驱动永磁同步电机运转；

所述步骤三中，得到新的负载转矩观测值

的具体方法是：

依据负载转矩观测器

计算得到新的负载转矩观测值

其中，U＝k_g·sgn(e₁)，

为转子角速度估算误差，

是转子角速度估计值，g是观测器的反馈增益，k_g是观测器的滑模增益，ψ_f是永磁体磁链，J是转动惯量，p是电机极对数；

定义观测器滑模面为

定义

为负载转矩观测误差；滑模增益k_g的取值条件为：

反馈增益g的取值方法为：

步骤1、计算ΔT_L ^*＝T_L ^*(k-1)-T_L ^*(k-2)，

步骤2、判断|ΔT_L ^*|是否大于等于ε；当|ΔT_L ^*|大于等于ε时，取反馈增益g等于g_min并退出；当|ΔT_L ^*|小于ε时，进入步骤3；

步骤3、判断

是否大于等于ε；当

大于等于ε时，取反馈增益g等于g_min并退出；当

小于ε时，取反馈增益g等于g_max并退出；

其中，g_min＜g_max＜0，ε为转矩变化比较阈值且ε＞0。

2.如权利要求1所述的基于负载转矩观测的永磁同步电机滑模控制方法，其特征在于，步骤四中，滑模速度控制器的具体控制方法为：

定义状态变量为

定义滑模速度控制器滑模面为s＝cx₁+x₂；其中c为滑模面参数，且c＞0；滑模速度控制器的输出负载转矩给定值T_L ^*为

T_L ^*＝J·∫(cx₂+k₁|x₁|sgn(s)+k₂s)dt；

其中，系数k₁、k₂均为常数且k₁＞0，k₂＞0。

3.如权利要求2所述的基于负载转矩观测的永磁同步电机滑模控制方法，其特征在于，步骤五中，计算得到q轴转矩电流给定值i_q ^*的具体方法是：

其中，k_q为转矩观测补偿系数，且按照式

进行计算。

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