CN112187123A - 基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪方法及系统，该方法包括根据待控制的矩阵变换器的输出侧的拓扑结构，对待控制的矩阵变换器的输出侧进行建模，得到待控制的矩阵变换器的输出侧状态方程；基于所述输出侧状态方程，建立针对待控制的矩阵变换器的输出侧的电流误差的滑模面和指数趋近率；根据所建立的滑模面和指数趋近率，设计滑模控制律；将建立的滑模控制律应用到所述待控制的矩阵变换器的控制系统中，实现对所述待控制的矩阵变换器的输出侧电流的跟踪控制。本发明能够有效改善矩阵变换器在三相输入电压不对称、三相负载不平衡的非正常工况下的输出电流性能。

Description

基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪方法及系统

技术领域

本发明涉及矩阵变换器控制技术领域，特别涉及一种基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪方法及系统。

背景技术

矩阵变换器是一种复杂的柔性电力电子变换器，可以实现交流电诸参数(相数、相位、幅值、频率)的变换。和传统的变换器相比，它具有如下优点：不需要中间直流储能环节；能够四象限运行；具有优良的输入电流波形和输出电压波形；可自由控制的功率因数。目前，矩阵变换器已成为电力电子技术研究的热点之一，在交-交变换领域具有广泛的发展前景。

矩阵变换器由于省略了中间储能环节，输出电流性能非常容易受到输入电压畸变、三相负载不对称等非正常工况的影响，因此对于采用矩阵变换器的机器人永磁同步电机矢量控制系统，当其工作环境复杂且存在多种干扰情况下将导致矢量控制系统性能下降，因此，有必要开发矩阵变换器输出侧电流控制方法，提高矢量控制系统的控制性能，提高机器人关节的控制精度和抗干扰能力。

发明内容

本发明提供了一种基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪方法及系统，以解决机器人永磁同步电机矢量控制系统抗复杂干扰差，当其工作环境复杂且存在多种干扰情况下将导致矢量控制系统性能下降的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪方法，该基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪方法包括：

根据待控制的矩阵变换器的输出侧的拓扑结构，对所述待控制的矩阵变换器的输出侧进行建模，得到所述待控制的矩阵变换器的输出侧状态方程；

基于所述输出侧状态方程，建立针对所述待控制的矩阵变换器的输出侧的电流误差的滑模面和指数趋近率；

根据所建立的滑模面和指数趋近率，设计滑模控制律；

将建立的滑模控制律应用到所述待控制的矩阵变换器的控制系统中，实现对所述待控制的矩阵变换器的输出侧电流的跟踪控制。

其中，所述根据待控制的矩阵变换器的输出侧的拓扑结构，对所述待控制的矩阵变换器的输出侧进行建模，得到所述待控制的矩阵变换器的输出侧状态方程，包括：

根据待控制的矩阵变换器的输出侧的拓扑结构，对所述待控制的矩阵变换器的输出侧进行建模，得到三相的输出侧数学模型，其表达式为：

其中，u_a、u_b、u_c分别表示所述待控制的矩阵变换器的输出侧a、b、c相的电压，u_n表示三相负载中心的相电压，i_a、i_b、i_c分别表示负载a、b、c三相的电流，R和L分别表示所述待控制的矩阵变换器的输出侧电阻和电感；

对所建立的三相的输出侧数学模型进行Park变换，得到dq坐标下的两相的输出侧数学模型，其表达式为：

将得到的两相的输出侧数学模型的表达式整理成系统状态方程的一般形式，得到所述待控制的矩阵变换器的输出侧状态方程，其表达式为：

其中，u_d表示d轴电压，u_q表示q轴电压，i_d表示d轴电流，i_q表示q轴电流，ω₀表示期望的输出角频率。

其中，所述基于所述输出侧状态方程，建立针对所述待控制的矩阵变换器的输出侧的电流误差的滑模面和指数趋近率，包括：

建立滑模矩阵：

取

其中，e_d＝i_d-i_dref、e_q＝i_q-i_qref，i_dref、i_qref为i_d、i_q对应的期望值，建立滑模面

即，

其中，c表示滑模面对应可调参数。

其中，所述基于所述输出侧状态方程，建立针对所述待控制的矩阵变换器的输出侧的电流误差的滑模面和指数趋近率，还包括：

建立指数趋近率

其中，

δ、

γ为可调参数；

其中ε_d，ε_q，k_d，k_q分别表示s_d，s_q两个滑模面对应的指数趋近率中的可调参数。

其中，所述滑模控制律的表达式为：

另一方面，本发明还提供了一种基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪系统，该基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪系统包括：

矩阵变换器输出侧建模模块，用于根据待控制的矩阵变换器的输出侧的拓扑结构，对所述待控制的矩阵变换器的输出侧进行建模，得到所述待控制的矩阵变换器的输出侧状态方程；

滑模面及指数趋近率建立模块，用于基于所述输出侧状态方程，建立针对所述待控制的矩阵变换器的输出侧的电流误差的滑模面和指数趋近率；

滑模控制律设计模块，用于根据所建立的滑模面和指数趋近率，设计滑模控制律；

输出侧电流跟踪模块，用于将建立的滑模控制律应用到所述待控制的矩阵变换器的控制系统中，实现对待控制的矩阵变换器的输出侧电流的跟踪控制。

其中，所述矩阵变换器输出侧建模模块具体用于：

根据待控制的矩阵变换器的输出侧的拓扑结构，对所述待控制的矩阵变换器的输出侧进行建模，得到三相的输出侧数学模型，其表达式为：

其中，u_a、u_b、u_c分别表示所述待控制的矩阵变换器的输出侧a、b、c相的电压，u_n表示三相负载中心的相电压，i_a、i_b、i_c分别表示负载a、b、c三相的电流，R和L分别表示所述待控制的矩阵变换器的输出侧电阻和电感；

对所建立的三相的输出侧数学模型进行Park变换，得到dq坐标下的两相的输出侧数学模型，其表达式为：

将得到的两相的输出侧数学模型的表达式整理成系统状态方程的一般形式，得到所述待控制的矩阵变换器的输出侧状态方程，其表达式为：

其中，u_d表示d轴电压，u_q表示q轴电压，i_d表示d轴电流，i_q表示q轴电流，ω₀表示期望的输出角频率。

其中，所述滑模面及指数趋近率建立模块具体用于：

建立滑模矩阵：

取

其中，e_d＝i_d-i_dref、e_q＝i_q-i_qref，i_dref、i_qref为i_d、i_q对应的期望值，建立滑模面

即，

其中，c表示滑模面对应可调参数。

其中，所述滑模面及指数趋近率建立模块还用于：

建立指数趋近率

其中，

δ、

γ为可调参数；

其中ε_d，ε_q，k_d，k_q分别表示s_d，s_q两个滑模面对应的指数趋近率中的可调参数。

其中，所述滑模控制律的表达式为：

再一方面，本发明还提供了一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。

又一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。

本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明将传统的指数趋近率与滑模控制方法应用到矩阵变换器输出侧电流的控制中，由于滑模控制的强鲁棒性，能够有效地改善矩阵变换器在三相输入电压不对称、三相负载不平衡的非正常工况下的输出电流性能，并且由于采用改进的指数趋近率，能够有效地缓解滑模控制中存在的抖振问题。从而能够提高矢量控制系统的控制性能，进而显著提高感机器人关节的控制精度和抗干扰能力，解决了永磁同步电机矢量控制系统抗复杂干扰差、控制性能下降的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明实施例提供的基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的矩阵变换器拓扑结构图；

图3是本发明实施例提供的矩阵变换器控制系统结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

第一实施例

本实施例提供了一种基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪方法，该方法可以由电子设备实现，该电子设备可以是终端或者服务器。如图1所示，该基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪方法的执行流程，包括以下步骤：

S101，根据待控制的矩阵变换器的输出侧的拓扑结构，对待控制的矩阵变换器的输出侧进行建模，得到待控制的矩阵变换器的输出侧状态方程；

S102，基于输出侧状态方程，建立针对待控制的矩阵变换器的输出侧的电流误差的滑模面和指数趋近率；

S103，根据所建立的滑模面和指数趋近率，设计滑模控制律；

S104，将建立的滑模控制律应用到待控制的矩阵变换器的控制系统中，实现对待控制的矩阵变换器的输出侧电流的跟踪控制。

具体地，矩阵变换器的输出侧的拓扑结构如图2所示，上述S101具体包括：

根据待控制的矩阵变换器的输出侧的拓扑结构，对待控制的矩阵变换器的输出侧进行建模，得到三相的输出侧数学模型，其表达式为：

其中，u_a、u_b、u_c分别表示待控制的矩阵变换器输出侧a、b、c相的电压，u_n表示三相负载中心的相电压，i_a、i_b、i_c分别表示负载a、b、c三相的电流，R表示待控制的矩阵变换器输出侧电阻，L表示待控制的矩阵变换器输出侧电感；

对所建立的三相的输出侧数学模型进行Park变换，得到dq坐标下的两相的输出侧数学模型，其表达式为：

将得到的两相的输出侧数学模型的表达式整理成仿射非线性系统状态方程的标准形式，得到待控制的矩阵变换器的输出侧状态方程，其表达式为：

其中，u_d表示d轴电压，u_q表示q轴电压，i_d表示d轴电流，i_q表示q轴电流，ω₀表示期望的输出角频率。

上述S102为基于上述输出侧状态方程，建立矩阵变换器输出侧数学模型的滑模电流控制器中所需的滑模面以及新的指数趋近律，包括：

建立滑模矩阵：

取

其中，e_d＝i_d-i_dref、e_q＝i_q-i_qref，i_dref、i_qref为i_d、i_q对应的期望值，建立滑模面

即，

其中，c表示滑模面对应可调参数。

在一般指数趋近率

的基础上引入Φ项，获得新的指数趋近率

其中，

δ、

γ为可调参数；

其中ε_d，ε_q，k_d，k_q分别表示s_d，s_q两个滑模面对应的指数趋近率中的可调参数。该改进指数趋近率可以有效缓解滑模控制的抖振问题。

基于上述，最终得到的滑模控制律的表达式为：

将上述新的控制律引入到矩阵变换器的控制系统中，通过利用滑模控制器较强的鲁棒性，并对滑模控制器进行改进缓解滑模所存在的抖振问题，从而改善矩阵变换器输出电流的性能；矩阵变换器输出侧的电流控制器如图3所示。

本实施例提供的矩阵变换器输出侧电流跟踪方法，将改进的滑模控制律应用到矩阵变换器的控制系统中。通过在传统指数趋近率的基础上改进新的指数趋近率，以缓解滑模控制的抖振问题；通过建立的滑模控制器改善矩阵变换器在三相输入电压不对称、三相负载不平衡的非正常工况下的输出电流性能。

综上，本实施例提供的矩阵变换器输出侧电流跟踪方法，无需额外的硬件设备，通过矩阵变换器输出侧数学模型上进行改进传统指数趋近率，建立针对滑模控制律的输出侧电流控制器，替代原控制系统中的常规控制器，能够解决输入电压不对称以及负载不平衡问题，提高矩阵变换器输出电流的质量。

第二实施例

本实施例提供了一种基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪系统，该基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪系统包括以下模块：

矩阵变换器输出侧建模模块，用于根据待控制的矩阵变换器的输出侧的拓扑结构，对所述待控制的矩阵变换器的输出侧进行建模，得到所述待控制的矩阵变换器的输出侧状态方程；

滑模面及指数趋近率建立模块，用于基于所述输出侧状态方程，建立针对所述待控制的矩阵变换器的输出侧的电流误差的滑模面和指数趋近率；

滑模控制律设计模块，用于根据所建立的滑模面和指数趋近率，设计滑模控制律；

输出侧电流跟踪模块，用于将建立的滑模控制律应用到所述待控制的矩阵变换器的控制系统中，实现对待控制的矩阵变换器的输出侧电流的跟踪控制。

本实施例的基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪系统与上述第一实施例的基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪方法相对应；其中，本实施例的基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪系统中的各功能模块所实现的功能与上述第一实施例的方法中的各流程步骤一一对应；故，在此不再赘述。

第三实施例

本实施例提供一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现第一实施例的方法。

该电子设备可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器(central processing units，CPU)和一个或一个以上的存储器，其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以下步骤：

S101，根据待控制的矩阵变换器的输出侧的拓扑结构，对待控制的矩阵变换器的输出侧进行建模，得到待控制的矩阵变换器的输出侧状态方程；

S102，基于输出侧状态方程，建立针对待控制的矩阵变换器的输出侧的电流误差的滑模面和指数趋近率；

S103，根据所建立的滑模面和指数趋近率，设计滑模控制律；

S104，将建立的滑模控制律应用到待控制的矩阵变换器的控制系统中，实现对待控制的矩阵变换器的输出侧电流的跟踪控制。

第四实施例

本实施例提供一种计算机可读存储介质，该存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现上述方法。其中，该计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。其内存储的指令可由终端中的处理器加载并执行以下步骤：

S101，根据待控制的矩阵变换器的输出侧的拓扑结构，对待控制的矩阵变换器的输出侧进行建模，得到待控制的矩阵变换器的输出侧状态方程；

S102，基于输出侧状态方程，建立针对待控制的矩阵变换器的输出侧的电流误差的滑模面和指数趋近率；

S103，根据所建立的滑模面和指数趋近率，设计滑模控制律；

S104，将建立的滑模控制律应用到待控制的矩阵变换器的控制系统中，实现对待控制的矩阵变换器的输出侧电流的跟踪控制。

此外，需要说明的是，本发明可提供为方法、装置或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

Claims (10)

1.一种基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪方法，其特征在于，所述基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪方法包括：

根据待控制的矩阵变换器的输出侧的拓扑结构，对所述待控制的矩阵变换器的输出侧进行建模，得到所述待控制的矩阵变换器的输出侧状态方程；

基于所述输出侧状态方程，建立针对所述待控制的矩阵变换器的输出侧的电流误差的滑模面和指数趋近率；

根据所建立的滑模面和指数趋近率，设计滑模控制律；

将建立的滑模控制律应用到所述待控制的矩阵变换器的控制系统中，实现对所述待控制的矩阵变换器的输出侧电流的跟踪控制。

2.如权利要求1所述的基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪方法，其特征在于，所述根据待控制的矩阵变换器的输出侧的拓扑结构，对所述待控制的矩阵变换器的输出侧进行建模，得到所述待控制的矩阵变换器的输出侧状态方程，包括：

根据待控制的矩阵变换器的输出侧的拓扑结构，对所述待控制的矩阵变换器的输出侧进行建模，得到三相的输出侧数学模型，其表达式为：

其中，u_a、u_b、u_c分别表示所述待控制的矩阵变换器的输出侧a、b、c相的电压，u_n表示三相负载中心的相电压，i_a、i_b、i_c分别表示负载a、b、c三相的电流，R和L分别表示所述待控制的矩阵变换器的输出侧电阻和电感；

对所建立的三相的输出侧数学模型进行Park变换，得到dq坐标下的两相的输出侧数学模型，其表达式为：

将得到的两相的输出侧数学模型的表达式整理成系统状态方程的一般形式，得到所述待控制的矩阵变换器的输出侧状态方程，其表达式为：

其中，u_d表示d轴电压，u_q表示q轴电压，i_d表示d轴电流，i_q表示q轴电流，ω₀表示期望的输出角频率。

3.如权利要求2所述的基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪方法，其特征在于，所述基于所述输出侧状态方程，建立针对所述待控制的矩阵变换器的输出侧的电流误差的滑模面和指数趋近率，包括：

建立滑模矩阵：

取

其中，e_d＝i_d-i_dref、e_q＝i_q-i_qref，i_dref、i_qref为i_d、i_q对应的期望值，建立滑模面

即，

其中，c表示滑模面对应可调参数。

4.如权利要求3所述的基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪方法，其特征在于，所述基于所述输出侧状态方程，建立针对所述待控制的矩阵变换器的输出侧的电流误差的滑模面和指数趋近率，还包括：

建立指数趋近率

其中，

δ、

γ为可调参数；

其中ε_d，ε_q，k_d，k_q分别表示s_d，s_q两个滑模面对应的指数趋近率中的可调参数。

5.如权利要求4所述的基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪方法，其特征在于，所述滑模控制律的表达式为：

6.一种基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪系统，其特征在于，所述基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪系统包括：

矩阵变换器输出侧建模模块，用于根据待控制的矩阵变换器的输出侧的拓扑结构，对所述待控制的矩阵变换器的输出侧进行建模，得到所述待控制的矩阵变换器的输出侧状态方程；

滑模面及指数趋近率建立模块，用于基于所述输出侧状态方程，建立针对所述待控制的矩阵变换器的输出侧的电流误差的滑模面和指数趋近率；

滑模控制律设计模块，用于根据所建立的滑模面和指数趋近率，设计滑模控制律；

输出侧电流跟踪模块，用于将建立的滑模控制律应用到所述待控制的矩阵变换器的控制系统中，实现对待控制的矩阵变换器的输出侧电流的跟踪控制。

7.如权利要求6所述的基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪系统，其特征在于，所述矩阵变换器输出侧建模模块具体用于：

根据待控制的矩阵变换器的输出侧的拓扑结构，对所述待控制的矩阵变换器的输出侧进行建模，得到三相的输出侧数学模型，其表达式为：

其中，u_a、u_b、u_c分别表示所述待控制的矩阵变换器的输出侧a、b、c相的电压，u_n表示三相负载中心的相电压，i_a、i_b、i_c分别表示负载a、b、c三相的电流，R和L分别表示所述待控制的矩阵变换器的输出侧电阻和电感；

对所建立的三相的输出侧数学模型进行Park变换，得到dq坐标下的两相的输出侧数学模型，其表达式为：

将得到的两相的输出侧数学模型的表达式整理成系统状态方程的一般形式，得到所述待控制的矩阵变换器的输出侧状态方程，其表达式为：

其中，u_d表示d轴电压，u_q表示q轴电压，i_d表示d轴电流，i_q表示q轴电流，ω₀表示期望的输出角频率。

8.如权利要求7所述的基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪系统，其特征在于，所述滑模面及指数趋近率建立模块具体用于：

建立滑模矩阵：

取

其中，e_d＝i_d-i_dref、e_q＝i_q-i_qref，i_dref、i_qref为i_d、i_q对应的期望值，建立滑模面

即，

其中，c表示滑模面对应可调参数。

9.如权利要求8所述的基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪系统，其特征在于，所述滑模面及指数趋近率建立模块还用于：

建立指数趋近率

其中，

δ、

γ为可调参数；

其中ε_d，ε_q，k_d，k_q分别表示s_d，s_q两个滑模面对应的指数趋近率中的可调参数。

10.如权利要求9所述的基于滑模控制的矩阵变换器输出侧电流跟踪系统，其特征在于，所述滑模控制律的表达式为：

Images