CN112600480A - 永磁无刷直流电机调速系统的积分终端滑模复合控制系统 - 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积分终端滑模复合控制系统，由基于积分终端滑模的反馈控制部分和基于扩张状态观测器的干扰估计及前馈补偿部分构成。包括：永磁无刷直流电机、速度复合控制器、扩张状态观测器I、电流复合控制器、扩张状态观测器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；基于永磁无刷直流电机系统模型设计双闭环控制器，从而得到速度复合抗干扰控制和电流复合抗干扰控制器。与传统的积分终端滑模控制方法相比，该方法既保留了传统积分终端滑模控制方法中系统状态的快速收敛性能，又可以有效减小系统稳态波动，进一步地提高了系统的抗干扰能力。

Description

永磁无刷直流电机调速系统的积分终端滑模复合控制系统

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积分终端滑模算法结合扩张状态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稳定的。在现存的滑模控制方法中，积分终端滑模控制(ITSMC)是一种有效的基于非线性滑模面的控制方法。本发明讨论了永磁无刷直流电机调速系统干扰抑制问题。首先，针对速度环引入了积分终端滑模控制(ITSMC)方法，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，ITSMC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，提出了一种基于扩张状态观测器(ESO)的积分终端滑模复合控制方法。该方法采用ESO对系统的干扰进行估计，并用前馈控制对干扰进行补偿。与传统的积分终端滑模控制方法相比，该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积分终端滑模复合控制方法，使系统在保持快速收敛性能的同时，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积分终端滑模复合控制系统。本发明的技术方案如下：

一种永磁无刷直流电机调速系统的积分终端滑模复合控制系统，其包括：永磁无刷直流电机、速度复合控制器、扩张状态观测器I、电流复合控制器、扩张状态观测器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，所述速度复合控制器和电流复合控制器相连接，所述速度复合控制器和电流复合控制器均是基于积分终端滑模控制，速度复合控制器和电流复合控制器二者内部均包含扩张状态观测器，所述电流复合控制器模块与脉宽调制模块相连接，所述三相逆变器模块还分别与永磁无刷直流电机与转子区间计算模块相连接，所述永磁无刷直流电机与转子区间计算模块之间设置有位置传感器，所述速度计算模块与速度复合控制器模块相连接，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，速度复合控制器速度复合控制器模块的输入端为速度参考值ω_r，与得到的电机实际速度ω的差值，经过速度复合控制器模块后，用于得到电流复合控制器模块输入端的参考电流i_r，扩张状态观测器I用于得到干扰d₁(t)的估计，然后通过速度复合控制器进行扰动补偿，电流复合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，输入电流复合控制器模块后，得到脉宽调制模块的输入电压u，扩张状态观测器II用于得到干扰d₂(t)的估计，然后通过电流复合控制器进行扰动补偿，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，所述速度复合控制器是由基于积分终端滑模的反馈控制和基于扩张状态观测器I的前馈控制构成，速度复合控制器设计如下：

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：

设计积分终端滑模面为：

其中，

λ₁＞0，sgn(*)为符号函数，s₁表示速度复合控制器的积分终端滑模面，λ₁为滑模面s₁的参数，t为积分时间上限，_a1为滑模面s₁的参数，则基于积分终端滑模的速度复合控制器设计如下：

其中，a＝K_t/J，

表示转矩系数，n_p为磁极对数，ψ_f为转子磁链；J为转动惯量；在永磁无刷直流电机的数学模型中，为了方便设计控制器，令a＝K_t/J，表示电流系数，k₁＞0，

表示w的导数，i_r速度复合控制器输入为速度，经过控制器内部计算，输出为参考电流i_r，

为干扰d₁(t)的估计。

进一步的，所述扩张状态观测器I的模型如下：

其中，η₁₁是对w的估计，η₁₂是对扰动d₁(t)的估计，p₁是扩张状态观测器I的参数。

进一步的，所述电流复合控制器由积分终端滑模的反馈控制和基于扩张状态观测器II的前馈控制复合而成，电流复合控制器设计如下：

i为电机实际输出电流,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

对e₂求导，则有：

设计积分终端滑模面为：

其中，

λ₂＞0，sgn(*)为符号函数，λ₂，a₂为积分终端滑模面s₂的参数；τ表示微分算子；k₂表示电流复合控制器的参数，则基于积分终端滑模的电流复合控制器设计如下：

其中，b＝1/L，k₂＞0，L为定子电感；在永磁无刷直流电机的数学模型中，为了方便设计控制器，令b＝1/L，表示电压系数，为电流复合控制器的输出，

为干扰d₂(t)的估计。

进一步的，所述扩张状态观测器II的模型如下：

其中，η₂₁是i的估计，η₂₂是扰动d₂(t)的估计，

分别表示η₂₂和η₂₁的导数，为扩张状态观测器II的参数。

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。

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，

进一步的，永磁无刷直流电机调速系统的积分终端滑模复合控制系统具体包括以下步骤：

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复合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)速度复合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，经过速度复合控制器模块后，得到电流复合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，经过电流复合控制器模块后，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。

本发明的优点及有益效果如下：

1、与传统的积分终端滑模控制方法相比，该方法既保留了传统积分终端滑模控制方法中系统状态的快速收敛性能，又可以有效减小系统稳态波动，进一步地提高了系统的抗干扰能力。

2、该发明创新点主要是根据积分终端滑模面，来设计出速度控制器和电流控制器，然后结合扩张状态观测器，设计出速度复合控制器和电流复合控制器。

3、系统参考速度输入到速度复合控制器中，经过内部计算，输出的参考电流作为电流复合控制器的输入，经过内部计算，输出的电压进入到脉宽调制模块中。这两个控制器内部均含有扩张状态观测器，其控制效果相对一般控制具有更强的抗干扰能力，动态和稳态性能更好。

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是本发明积分终端滑模结合ESOI的速度复合控制器原理框图；

图4是本发明积分终端滑模结合ESOII的电流复合控制器原理框图；

图5是两种控制方式下的系统速度曲线；

图6是积分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是本发明推荐控制方式下扩张状态观测器I的输出曲线；

图10是本发明推荐控制方式下扩张状态观测器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。

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，

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复合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)速度复合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，经过速度复合控制器模块后，得到电流复合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，经过电流复合控制器模块后，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，本发明所述的积分终端滑模速度复合控制器包括速度反馈控制和基于干扰估计η₁₂的前馈控制，通过分析积分终端滑模速度复合控制器原理框图，可以得到该速度复合控制器的表达式为：

其中，a＝K_t/J，λ₁＞0，k₁＞0，

为干扰d₁(t)的估计，e₁为速度跟踪误差。

根据附图4可知，本发明所述的积分终端滑模电流复合控制器包括电流反馈控制和基于干扰估计η₂₂的前馈控制；通过分析积分终端滑模电流复合控制器原理框图，可得到电流控制器的表达式为：

其中，b＝1/L，k₂＞0，

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为扩张状态观测器(ESO)；

所述扩张状态观测器(ESO)I的表达式为：

其中，η₁₁是对w的估计，η₁₂是对扰动d₁(t)的估计，p₁是扩张状态观测器I的参数。

所述扩展状态观测器(ESO)II的表达式为：

其中，η₂₁是对i的估计，η₂₂是对扰动d₂(t)的估计，p₂为扩张状态观测器II的参数。

如附图5所示，将本发明(永磁无刷直流电机调速系统的积分终端滑模复合控制方法)，与积分终端滑模控制(ITSMC)方法进行对比，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ITSMC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ITSMC，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扩张状态观测器I的输出曲线。图(a)中所示曲线分别为w及其估计η₁₁，可以看出，该图随时间的变化趋势与图5一致，且观测值η₁₁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(b)中所示曲线为观测值η₁₂，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扩张状态观测器Π输出曲线。图(a)中所示曲线分别为i及其估计η₂₁，可以看出，该图随时间的变化趋势与图7一致，且观测值η₂₁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(b)中所示曲线为观测值η₂₂，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 (7)

1.一种永磁无刷直流电机调速系统的积分终端滑模复合控制系统，其特征在于，包括：永磁无刷直流电机、速度复合控制器、扩张状态观测器I、电流复合控制器、扩张状态观测器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，所述速度复合控制器和电流复合控制器相连接，所述速度复合控制器和电流复合控制器均是基于积分终端滑模控制，速度复合控制器和电流复合控制器二者内部均包含扩张状态观测器，所述电流复合控制器模块与脉宽调制模块相连接，所述三相逆变器模块还分别与永磁无刷直流电机与转子区间计算模块相连接，所述永磁无刷直流电机与转子区间计算模块之间设置有位置传感器，所述速度计算模块与速度复合控制器模块相连接，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，速度复合控制器速度复合控制器模块的输入端为速度参考值ω_r，与得到的电机实际速度ω的差值，经过速度复合控制器模块后，用于得到电流复合控制器模块输入端的参考电流i_r，扩张状态观测器I用于得到干扰d₁(t)的估计，然后通过速度复合控制器进行扰动补偿，电流复合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，输入电流复合控制器模块后，得到脉宽调制模块的输入电压u，扩张状态观测器II用于得到干扰d₂(t)的估计，然后通过电流复合控制器进行扰动补偿，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。

2.根据权利要求1所述的一种永磁无刷直流电机调速系统的积分终端滑模复合控制系统，其特征在于，所述速度复合控制器是由基于积分终端滑模的反馈控制和基于扩张状态观测器I的前馈控制构成，速度复合控制器设计如下：

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：

设计积分终端滑模面为：

其中，

λ₁＞0，sgn(*)为符号函数，s₁表示速度复合控制器的积分终端滑模面，λ₁为滑模面s₁的参数，t为积分时间上限，_a1为滑模面s₁的参数，则基于积分终端滑模的速度复合控制器设计如下：

其中，a＝K_t/J，

表示转矩系数，n_p为磁极对数，ψ_f为转子磁链；J为转动惯量；在永磁无刷直流电机的数学模型中，为了方便设计控制器，令a＝K_t/J，表示电流系数，k₁＞0，

表示w的导数，i_r速度复合控制器输入为速度，经过控制器内部计算，输出为参考电流i_r，

为干扰d₁(t)的估计。

3.根据权利要求2所述的一种永磁无刷直流电机调速系统的积分终端滑模复合控制系统，其特征在于，所述扩张状态观测器I的模型如下：

其中，η₁₁是对w的估计，η₁₂是对扰动d₁(t)的估计，p₁是扩张状态观测器I的参数。

4.根据权利要求3所述的一种永磁无刷直流电机调速系统的积分终端滑模复合控制系统，其特征在于，所述电流复合控制器由积分终端滑模的反馈控制和基于扩张状态观测器II的前馈控制复合而成，电流复合控制器设计如下：

i为电机实际输出电流,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

对e₂求导，则有：

设计积分终端滑模面为：

其中，

λ₂＞0，sgn(*)为符号函数，λ₂，a₂为积分终端滑模面s₂的参数；τ表示微分算子；k₂表示电流复合控制器的参数，则基于积分终端滑模的电流复合控制器设计如下：

其中，b＝1/L，k₂＞0，L为定子电感；在永磁无刷直流电机的数学模型中，为了方便设计控制器，令b＝1/L，表示电压系数，为电流复合控制器的输出，

为干扰d₂(t)的估计。

5.根据权利要求4所述的一种永磁无刷直流电机调速系统的积分终端滑模复合控制系统，其特征在于，所述扩张状态观测器II的模型如下：

其中，η₂₁是i的估计，η₂₂是扰动d₂(t)的估计，

分别表示η₂₂和η₂₁的导数，为扩张状态观测器II的参数。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种永磁无刷直流电机调速系统的积分终端滑模复合控制系统，其特征在于，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。

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，

7.根据权利要求1-5任一项所述的一种永磁无刷直流电机调速系统的积分终端滑模复合控制系统，其特征在于，永磁无刷直流电机调速系统的积分终端滑模复合控制系统具体包括以下步骤：

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复合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)速度复合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，经过速度复合控制器模块后，得到电流复合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，经过电流复合控制器模块后，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。

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