CN112448639B - 永磁无刷直流电机调速系统的连续终端滑模复合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种永磁无刷直流电机调速系统的连续终端滑模复合控制方法，主要由复合抗干扰速度和电流控制器构成。其中复合抗干扰速度控制器由基于连续终端滑模的速度反馈控制和基于滑模观测器I的速度环干扰估计及前馈补偿构成；复合抗干扰电流控制器由基于连续终端滑模的电流反馈控制和基于滑模观测器II的电流环干扰估计及前馈补偿构成。与传统的终端滑模控制方法相比，该方法具有连续的控制率，可以有效减小传统终端滑模控制方法中由于存在符号函数而引起的抖振现象。此外，既保留了原有控制方法中系统状态的快速收敛性能，又进一步地提高了系统的抗干扰能力。因此，可以满足永磁无刷直流电机调速系统在高性能领域的应用需求。

Description

永磁无刷直流电机调速系统的连续终端滑模复合控制方法

技术领域

本发明属于永磁无刷直流电机的干扰抑制方法，尤其是一种永磁无刷直流电机调速系统的终端滑模算法结合滑模观测器的复合控制方法。

背景技术

永磁无刷直流电机是随着电力电子技术、制造业和新型材料的迅速发展而发展起来的一种新型直流电机，因其结构简单、运行可靠、维护方便、效率高、无励磁损耗以及调速性能好等一系列优点，广泛应用于航空航天、家用电器、仪器仪表、化工、医疗器械等工业领域。

一般来说，滑模控制可分为两类:基于线性滑模面的控制和基于非线性滑模面的控制。两种控制系统的不同之处在于前者是渐近稳定的，而基于非线性滑模面的控制是有限时间收敛的。终端滑模控制(TSMC)是一种常见的基于非线性滑模面的控制方法。引入非线性滑模面的主要目的是提高状态的收敛速度。到目前为止，TSMC是基于非线性滑模面控制技术中一种简单而有效的选择。本发明讨论了永磁无刷直流电机干扰抑制问题。首先，针对速度环引入了一种连续终端滑模控制(CTSMC)方法，以消除抖振现象，同时可以保证闭环系统具有一定的抗干扰能力。然而，在存在强干扰的情况下，CTSMC仍然需要选择一个较高的增益，这可能会导致永磁同步电动机控制系统的稳态速度波动较大。为此，提出了一种基于滑模观测器(SMO)的连续终端滑模控制方法。该方法采用SMO对系统的干扰进行估计，并前馈至控制器用来消除干扰对系统控制性能的影响。与传统的终端滑模控制方法相比，该复合滑模控制方法具更强的抗干扰性能。

因此，设计一种永磁无刷直流电机调速系统的连续终端滑模复合抗干扰控制方法，使系统在保持连续控制律的同时，进一步提高了抗干扰能力。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种永磁无刷直流电机调速系统的连续终端滑模复合控制方法。本发明的技术方案如下：

一种包括：永磁无刷直流电机、速度反馈控制器、滑模观测器I、电流反馈控制器、滑模观测器II、脉宽调制模块、三相逆变器模块、位置传感器模块、转子区间计算模块以及速度计算模块；其中，速度反馈控制器与滑模观测器I并联，电流反馈控制器与滑模观测器II并联，所述速度反馈控制器与电流反馈控制器相连接，所述电反馈控制器与脉宽调制模块相连接，所述脉宽调制模块与三相逆变器模块相连接，所述三相逆变器模块分别与永磁无刷直流电机、转子区间计算模块向量相连接，所述三相逆变器模块还给电流反馈控制器提供负反馈，永磁无刷直流电机与位置传感器模块相连接，所述位置传感器模块与转子区间计算模块相连接，所述转子区间计算模块与速度计算模块相连接，所述速度计算模块为速度反馈控制器提供负反馈，其中，永磁无刷直流电机用于接收三相逆变器的输出信号开始运行，然后反馈信号给位置传感器，速度反馈控制器的输入端为速度参考值w_r，与得到的电机实际速度w的差值，经过速度控制器模块后，用于得到电流控制器模块输入端的参考电流i_r，滑模观测器I用于用于得到干扰d₁(t)的估计，然后通过速度反馈控制器进行前馈补偿，电流反馈控制器用于将得到的参考电流i_r与得到的实际电流i的差值，输入电流控制器模块后，得到脉宽调制模块的输入电压u，滑模观测器II用于得到干扰d₂(t)的估计，然后通过电流反馈控制器进行前馈补偿，脉宽调制模块用于电压u经过脉宽调制模块，依据调制原则输出所需的脉冲宽度调制电压，传输到三相逆变器的输入端，在转子区间计算模块的换相控制下，驱动永磁无刷直流电机运行，三相逆变器模块用于将接收到直流电转换为交流电，位置传感器模块用于检测安装于永磁无刷直流电机上的位置传感器信号，转子区间计算模块用于得到电机转子位置所在区间，并对三相逆变器模块实施换相控制，速度计算模块用于接收位置传感器信号经过转子区间计算出的数值，经过计算得到电机实际速度ω。

进一步的，所述永磁无刷直流电机的数学模型为：

其中，

为转矩系数；K_e＝n_pψ_f也为转矩系数；n_p为磁极对数，ψ_f为转子磁链；w，i，u分别为电机的实际转速，定子电流和定子电压；L为定子电感；R为定子电阻；B为粘滞摩擦系数；J为转动惯量；T_L为负载转矩；/>

和/>

分别表示电机的转速的一阶导数和定子电流的一阶导数；

为了便于对永磁无刷直流电机设计控制器，将数学模型简化成以下形式，即：

其中，a＝K_t/J，b＝1/L，

进一步的，所述速度反馈控制器和滑模观测器I构成抗干扰速度控制器，抗干扰速度控制器设计如下：

令w_r为参考速度信号，则速度跟踪误差e₁可以定义为：

e₁＝w_r-w

对e₁求导，则有：

设计终端滑模面为：

其中，0＜α₁＜1，α₁表示终端滑模面s₁的参数，则基于终端滑模的速度控制器设计如下：

其中，a＝K_t/J，c₁＞0，k₁＞0，

表示w导数，τ表示微分算子，d₁(t)表示速度复合控制器的集总扰动，包括摩擦、外部负载扰动和输出参考电流的跟踪误差，i_r为速度控制器的输出，z₁₂为干扰d₁(t)的估计。

进一步的，所述滑模观测器I的模型如下：

其中，z₁₁是对w的估计，z₁₂是对扰动d₁(t)的估计，λ₀₁和λ₁₁为滑模观测器I的系数，sgn表示符号函数，λ₀₁＝1.1L₁，L₁＞0。

进一步的，连续终端滑模的电流反馈控制器和前馈控制的滑模观测器II复合形成抗干扰电流控制器，抗干扰电流控制器设计如下：

令i_r为参考电流信号，则电流跟踪误差e₂可定义为：

e₂＝i_r-i

i表示电机输出的实际电流，对e₂求导，则有：

设计终端滑模面为：

其中，0＜α₂＜1，则基于终端滑模的电流控制器设计如下：

其中，b＝1/L，c₂＞0，k₂＞0，d₂(t)电流复合控制器的集总扰动，包括摩擦，外部负载扰动和输出电压的跟踪误差，b＝1/L，表示定子电感的导数，α₂表示终端滑模面s₂的参数，为电流控制器的输出，z₂₂为干扰d₂(t)的估计。

进一步的，所述滑模观测器II的模型如下：

其中，z₂₁是对i的估计，z₂₂是对扰动d₂(t)的估计，λ₀₂和λ₁₂为滑模观测器II的系数，

λ₀₂＝1.1L₂，L₂＞0，L₂表示滑模控制器的设计参数。

本发明的优点及有益效果如下：

1、相比传统的永磁无刷直流电机调速系统的终端滑模控制方法相比，该方法具有连续的控制率，可以有效减小传统终端滑模控制方法中由于存在符号函数而引起的抖振现象。

2、该方法既保留了原有控制方法中系统状态的快速收敛性能，又进一步地提高了系统的抗干扰能力，可以满足永磁无刷直流电机调速系统在高性能领域的应用需求

3、通过滑模观测器前馈补偿系统的扰动，减小了终端滑模控制律的增益，并且降低了闭环系统稳态速度的波动。

该发明优点主要是体现在该系统分别对速度控制器和电流控制器实施抗干扰控制，这两个控制器均与滑模观测器相结合，这与其他控制系统不同，其控制效果相对一般控制具有更强的抗干扰能力，动态和稳态性能好。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例控制系统原理简图；

图2是本发明的控制系统详细原理框图；

图3是本发明的连续终端滑模结合滑模观测器I的速度控制器原理框图；

图4是本发明的连续终端滑模结合滑模观测器II的电流控制器原理框图；

图5是两种控制方式下的系统速度曲线；

图6是终端滑模控制方式下的系统电流曲线；

图7是本发明推荐控制方式下的系统电流曲线；

图8是两种控制方式下的系统电压曲线；

图9(a)、9(b)是本发明推荐控制方式下滑模观测器Ι的输出曲线；

图10(a)、10(b)是本发明推荐控制方式下滑模观测器Π的输出曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明所述永磁无刷直流电机的数学模型为：

其中，

为转矩系数；K_e＝n_pψ_f也为转矩系数；n_p为磁极对数，ψ_f为转子磁链；w，i，u分别为电机的实际转速，定子电流和定子电压；L为定子电感；R为定子电阻；B为粘滞摩擦系数；J为转动惯量；T_L为负载转矩；/>

和/>

分别表示电机的转速的一阶导数和定子电流的一阶导数。

一般情况下，为了便于对永磁无刷直流电机设计控制器，可将其数学模型简化成以下形式，即：

其中，a＝K_t/J，b＝1/L，

一种基于连续终端滑模的永磁无刷直流电机调速系统复合抗干扰控制方法，包括速度控制器模块、电流控制器模块、脉宽调制模块、三相逆变器模块、位置传感器模块、转子区间计算模块、速度计算模块以及永磁无刷直流电机；以上几个模块是在现有的技术基础之上结合该发明的复合控制方法来实现对电机的控制，本发明的核心主要在于速度复合控制器和电流复合控制器对永磁无刷直流电机的抗干扰控制。

附图1是本发明的控制系统原理简图，附图2是本发明的控制系统详细原理框图，根据这两个附图，易知,

本实施例包括以下几个步骤：

1)检测位置传感器信号得到电机转子位置所在区间并对三相逆变器模块实施换相控制；

2)检测母线电流得到电流控制器模块所需的实际电流i；

3)位置传感器信号经过转子区间计算出的数值，经过速度计算模块得到电机实际速度ω；

4)速度控制器模块的输入端为速度参考值ω_r与步骤3)得到的实际速度ω的差值，经过速度控制器模块后，得到电流控制器模块输入端的参考电流i_r；

5)步骤4)得到的参考电流i_r与步骤2)得到的实际电流i的差值，经过电流控制器模块后，得到脉宽调制模块的输入电压u；

6)电压u经过脉宽调制模块，依据调制原则输出所需的脉冲宽度调制电压，传输到三相逆变器的输入端，在转子区间计算模块的换相控制下，驱动永磁无刷直流电机运行。

根据附图3可知，本发明所述的终端滑模速度控制器包括速度反馈控制和基于干扰估计z₁₂的前馈控制，通过分析终端滑模速度控制器原理框图，可得到该速度控制器的表达式为：

其中，a＝K_t/J，c₁＞0，k₁＞0，i_r为速度控制器的输出，z₁₂为干扰d₁(t)的估计，e₁为速度跟踪误差。

根据附图4可知，本发明所述的终端滑模电流控制器包括电流反馈控制和基于干扰估计z₂₂的前馈控制；通过分析终端滑模电流控制器原理框图，可得到该电流控制器的表达式为：

其中，b＝1/L，c₂＞0，k₂＞0，u为电流控制器的输出，z₂₂为干扰d₂(t)的估计，e₂为电流跟踪误差。

本发明中，所述观测器I和II为滑模观测器(SMO)；

所述滑模观测器(SMO)I的表达式为：

其中，z₁₁是对w的估计，z₁₂是对扰动的估计，λ₀₁和λ₁₁为滑模观测器I的系数，

λ₀₁＝1.1L₁，L₁＞0。

所述滑模观测器(SMO)II的表达式为：

/>

其中，z₂₁是对i的估计，z₂₂是对扰动的估计，λ₀₂和λ₁₂为滑模观测器II的系数，

λ₀₂＝1.1L₂，L₂＞0。

如附图5所示，将本发明(一种基于连续终端滑模的永磁无刷直流电机调速系统复合抗干扰控制方法)，与连续终端滑模控制方法(CTSMC控制)进行对比，可知本发明的控制方法使永磁无刷直流电机调速系统在启动后迅速达到稳态值，系统超调量小，调节时间短；当t＝8s时施加负载，该系统在负载扰动的情况下迅速恢复到稳态值，调节时间极短。

如附图6所示，为CTSMC控制方式下的系统实际电流与参考电流曲线；

如附图7所示，为本发明推荐控制方式下的系统实际电流与参考电流曲线；

对比这两个图，可看出本发明推荐控制方式使系统实际电流更好的追踪参考电流，与其基本一致，且本发明推荐控制方式使系统在t＝8s时施加负载后，系统几乎无超调，调节时间极短，迅速使电流达到稳态值。

如附图8所示，为两种控制方式下的系统电压曲线，由该图可看出相比CTSMC控制，本发明推荐的控制方法可以使永磁无刷直流电机调速系统在启动后迅速达到稳态值，系统超调量小，调节时间短；且在t＝8s时施加负载，系统几乎无超调，调节时间极短，迅速使电压达到稳态值。

如附图9所示，为本发明推荐控制方式下的滑模观测器I的输出曲线。图9(a)中所示曲线分别为w及其估计z₁₁，可以看出，该图随时间的变化趋势与图5一致，且观测值z₁₁表明，该观测器可以实时准确地观测永磁无刷直流电机调速系统速度环的变化，包括系统在t＝8s时受到外部负载干扰的情况。图9(b)中所示曲线为观测值z₁₂，d₁(t)为子系统I(速度环)所受干扰。

如附图10所示，为本发明推荐控制方式下的观测器Π输出曲线。图10(a)中所示曲线分别为i及其估计z₂₁，可以看出，该图随时间的变化趋势与图7一致，且观测值z₂₁表明，该观测器可以实时准确地观测永磁无刷直流电机调速系统电流环的变化，包括系统在t＝8s时受到外部负载干扰的情况。图10(b)中所示曲线为观测值z₂₂，d₂(t)为子系统Π(电流环)所受干扰。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，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、商品或者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、商品或者设备所固有的要素。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、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种永磁无刷直流电机调速系统的连续终端滑模复合控制方法，其特征在于，采用永磁无刷直流电机、速度反馈控制器、滑模观测器I、电流反馈控制器、滑模观测器II、脉宽调制模块、三相逆变器模块、位置传感器模块、转子区间计算模块以及速度计算模块进行复合控制；其中，速度反馈控制器与滑模观测器I并联，电流反馈控制器与滑模观测器II并联，所述速度反馈控制器与电流反馈控制器相连接，所述电流反馈控制器与脉宽调制模块相连接，所述脉宽调制模块与三相逆变器模块相连接，所述三相逆变器模块分别与永磁无刷直流电机、转子区间计算模块相连接，所述三相逆变器模块还给电流反馈控制器提供负反馈，永磁无刷直流电机与位置传感器模块相连接，所述位置传感器模块与转子区间计算模块相连接，所述转子区间计算模块与速度计算模块相连接，所述速度计算模块为速度反馈控制器提供负反馈，其中，永磁无刷直流电机用于接收三相逆变器的输出信号开始运行，然后反馈信号给位置传感器，速度反馈控制器的输入端为速度参考值w_r与得到的电机实际速度w的差值，经过速度控制器模块后，用于得到电流控制器模块输入端的参考电流i_r，滑模观测器I用于得到干扰d₁(t)的估计，然后通过速度反馈控制器进行前馈补偿，电流反馈控制器用于将得到的参考电流i_r与得到的实际电流i的差值，输入电流控制器模块后，得到脉宽调制模块的输入电压u，滑模观测器II用于得到干扰d₂(t)的估计，然后通过电流反馈控制器进行前馈补偿，脉宽调制模块用于电压u经过脉宽调制模块，依据调制原则输出所需的脉冲宽度调制电压，传输到三相逆变器的输入端，在转子区间计算模块的换相控制下，驱动永磁无刷直流电机运行，三相逆变器模块用于将接收到直流电转换为交流电，位置传感器模块用于检测安装于永磁无刷直流电机上的位置传感器信号，转子区间计算模块用于得到电机转子位置所在区间，并对三相逆变器模块实施换相控制，速度计算模块用于接收位置传感器信号经过转子区间计算模块计算出的数值，经过计算得到电机实际速度ω；

所述永磁无刷直流电机的数学模型为：

其中，

为转矩系数；K_e＝n_pψ_f也为转矩系数；n_p为磁极对数，ψ_f为转子磁链；w，i，u分别为电机的实际转速，定子电流和定子电压；L为定子电感；R为定子电阻；B为粘滞摩擦系数；J为转动惯量；T_L为负载转矩；/>

和/>

分别表示电机的转速的一阶导数和定子电流的一阶导数；

为了便于对永磁无刷直流电机设计控制器，将数学模型简化成以下形式，即：

其中，a＝K_t/J，b＝1/L，

所述速度反馈控制器和滑模观测器I构成抗干扰速度控制器，抗干扰速度控制器设计如下：

令w_r为参考速度信号，则速度跟踪误差e₁定义为：

e₁＝w_r-w

对e₁求导，则有：

设计终端滑模面为：

其中，0＜α₁＜1，α₁表示终端滑模面s₁的参数，则基于终端滑模的速度控制器设计如下：

其中，a＝K_t/J，c₁＞0，k₁＞0，

表示w导数，τ表示微分算子，d₁(t)表示速度复合控制器的集总扰动，包括摩擦、外部负载扰动和输出参考电流的跟踪误差，i_r为速度控制器的输出，z₁₂为干扰d₁(t)的估计；

所述滑模观测器I的模型如下：

其中，z₁₁是对w的估计，z₁₂是对扰动d₁(t)的估计，λ₀₁和λ₁₁为滑模观测器I的系数，sgn表示符号函数，λ₀₁＝1.1L₁，L₁＞0。

2.根据权利要求1所述的永磁无刷直流电机调速系统的连续终端滑模复合控制方法，其特征在于，连续终端滑模的电流反馈控制器和前馈控制的滑模观测器II复合形成抗干扰电流控制器，抗干扰电流控制器设计如下：

令i_r为参考电流信号，则电流跟踪误差e₂定义为：

e₂＝i_r-i

i表示电机输出的实际电流，对e₂求导，则有：

设计终端滑模面为：

其中，0＜α₂＜1，则基于终端滑模的电流控制器设计如下：

其中，b＝1/L，c₂＞0，k₂＞0，d₂(t)电流复合控制器的集总扰动，包括摩擦，外部负载扰动和输出电压的跟踪误差，b＝1/L，表示定子电感的导数，α₂表示终端滑模面s₂的参数，为电流控制器的输出，z₂₂为干扰d₂(t)的估计。

3.根据权利要求2所述的永磁无刷直流电机调速系统的连续终端滑模复合控制方法，其特征在于，所述滑模观测器II的模型如下：

/>

其中，z₂₁是对i的估计，z₂₂是对扰动d₂(t)的估计，λ₀₂和λ₁₂为滑模观测器II的系数，

λ₀₂＝1.1L₂，L₂＞0，L₂表示滑模控制器的设计参数。/>

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