CN113078861B - 一种永磁同步电机滑模控制方法、系统、介质及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于永磁同步电机控制技术领域，公开了一种永磁同步电机滑模控制方法、系统、介质及应用，所述永磁同步电机滑模控制方法包括：将电压和永磁体磁链在内的时变参数量转化为非时变量参数；根据电机基本特性且考虑系统不确定性扰动建立永磁同步电机模型；采用矢量控制方法简化所述永磁同步电机数学模型；基于新型趋近律的方法确定永磁同步电机转速控制策略；设计滑模干扰观测器；验证所述滑模观测器和滑模控制策略的有效性。本发明能够实现复杂工况下的永磁同步电机转速准确控制，提高工业永磁同步电机在外部干扰情况下速度控制的性能及鲁棒性，实现平稳到达2500r/min且能承受大负载的转矩扰动，且能够实现高转速下的变速响应。
Description
技术领域
本发明属于永磁同步电机控制技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机滑模控制方法、系统、介质及应用。
背景技术
近年来，永磁同步电机调速系统广泛应用在风力发电、电动汽车驱动、水利水电等领域。由于永磁同步电机是一个非线性、强耦合的多变量系统、控制精度要求高。常用的控制算法有：模糊控制、预测控制、多目标极值寻优控制、迭代学习控制等。技术1为提高系统动态品质和抑制转矩脉动能力，设计了自适应模糊逻辑速度控制器，可提高直流磁路的电压利用率；技术2提出一种通过预测延迟时间内电流变化的直接补偿方法，该方法易于实现且在每个电流周期进行最优控制并筛选出最优切换状态；技术3将自适应迭代学习控制方法(AILC)与自适应比例积分(PI)控制器相结合，提高了系统的抗外部扰动能力；技术4提出一种模型预测控制(MPC)与迭代学习控制(ILC)相结合的方法,该控制方法既能提高系统反应时间，又能减少转速脉动。其中滑模控制对模型精度要求较低，对外部及内部扰动等非线性有很强的鲁棒性的优点，目前已成功应用于伺服系统领域。
然而滑模控制优越性能是以高频抖振换取的，抖振现象与趋近律中包含的切换函数直接相关。因此解决抖振问题成为热点研究方向。目前常用解决抖振方法：终端滑模变结构控制、动态滑模变结构控制、神经滑模变结构控制、准滑动模态控制方法、消除干扰和不确定性方法，等方法。终端滑模控制策略在滑动超平面的设计中引入非线性函数，使得在滑模面上跟踪误差能够在有限时间内收敛到零。例如：技术5引入非奇异终端滑模面以避免出现奇异问题并削弱系统抖振、技术6将自适应与终端滑模面结合，解决参数不确定或时变参数系统问题；动态滑模方法将常规变结构控制中的切换函数通过微分环节构成新的切换函数，得到时间上本质连续的动态滑模控制律，有效降低抖振。例如：技术7将动态滑模方法应用在高超声速飞行器控制方面，实现系统的需求；神经网络用于滑模变结构控制，可降低抖振，并实现自适应滑模控制。例如：技术8提出一种小波模糊神经网络和非对称隶属函数估计器的二阶滑模控制方法、技术9针对不确定性非线性系统，将自适应神经网络与滑模控制结合；准滑动模态控制即在边界层外采用正常滑模控制，在边界层内为连续状态的反馈控制，有效削弱系统抖振。例如：非光滑项(连续函数)替代符号函数、二阶差分函数替代符号函、非切换趋近律(无需反复穿过滑模面)；外界干扰及不确定项是滑模控制中抖振的主要来源，利用观测器可解决该问题。例如：技术10提出一种基于滑模观测器的永磁同步电机驱动系统机械参数估计算法，实现对参数实时跟踪、技术11为解决定速趋近律在滑模观测器中不能同时满足快速性和低抖振问题，提出的控制方法能有效改善快速性和稳定性不兼容问题、技术12提出扩展状态观测器来观测集总扰动，并将估计的扰动引入前馈补偿技术，提高了系统的鲁棒性。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有的电机滑模控制方法或技术中，滑模控制抖振、响应速度慢、控制精准度不高等问题尚且存在，不能满足实际需求。对于高转速需求场合的电机，大多数程序无法满足。
(2)传统指数趋近律中变速项εsgn(s)在高精度要求下，存在趋近速度慢、无法按规定时间到达切换面以及切换增益过大使系统无法接近原点而做反复穿越运动导致高频抖振的问题。
解决以上问题及缺陷的难度为：找到合适的趋近律、设计滑模观测器以及与之匹配的参数用以解决滑模控制滑动阶段抖动切换增益严重及不确定性扰动的问题，提高系统的响应速度以及鲁棒性。
解决以上问题及缺陷的意义为：设计新型趋近律滑模控制策略目的是加快电机速度响应且无超调到达参考转速，实现复杂工况下的永磁同步电机速度准确控制；设计基于新型趋近律的滑模扰动观测器当系统受到外部扰动时，转速降落小且恢复迅速，提高系统鲁棒性。该系统可实现平稳到达2500r/min且能承受大负载的转矩扰动，提高系统稳定性及鲁棒性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种永磁同步电机滑模控制方法、系统、介质及应用，尤其涉及一种基于新型复合变指数趋近律的永磁同步电机滑模控制方法、系统、设备及应用。
本发明是这样实现的，一种永磁同步电机滑模控制方法，所述永磁同步电机滑模控制方法包括以下步骤：
步骤一，在转子同步坐标系下，将电压和永磁体磁链在内的时变参数量转化为非时变量参数，并根据电机基本特性且考虑系统不确定性扰动建立永磁同步电机模型；采用矢量控制方法简化永磁同步电机数学模型，列写永磁同步电机转矩及运动方程，并在Ld＝Lq的表贴式电机条件下继续简化方程；
步骤二，基于新型趋近律的方法确定永磁同步电机转速控制策略，将永磁同步电机的转矩方程代入运动方程以得到转速状态方程，并设转速误差为系统状态变量；选取系统滑模面，并确定新型趋近律的方程；基于建立的不确定性扰动下永磁同步电机模型，将选取的滑模面求导并与设计的趋近律联立，将转速状态方程代入得到系统q轴电流方程即为系统的输出变量；分析该方程参数为实验做铺垫，参数选取：α＝15,ε＝10,k＝20,a＝0.3,b＝0.4、p＝3,q＝2；
步骤三，设计滑模干扰观测器，基于新型趋近律的负载转矩观测器，实现扰动转矩和电机转速的同时观测，并将观测结果补偿给滑模速度控制器，抑制系统抖振；列写观测器状态方程，并设计滑模观测器控制率；经李雅普诺夫稳定性证明得出，设计的滑模扰动观测器在跟踪误差方面的稳定性，并在有限时间内实现收敛，实现电机理想转速值的跟随。
进一步，步骤一中，在转子同步坐标系下，将时变参数量将转化为非时变量参数，根据电机的基本特性可以建立以下方程：
永磁同步电机电磁转矩方程：
永磁同步电机运动方程：
其中，Ld、Lq分别为d、q轴定子电感，p为电机的极对数，w为电机的角速度，Te为电机的电磁转矩，TL为电机施加的外部转矩，ψf为转子磁链，J为转动惯量，B为黏性系数。
将式(1)改写为：
将式(2)代入式(3)可得：
对于表贴式电机Ld＝Lq，且考虑参数、外部扰动不确定性，则表达式为：
其中，Δa,Δb,Δc,Δd为系统不确定性扰动且均为正数。
令，
因为电机变量有界，系统总扰动g(t)满足式：|g(t)|≤lr，其中lr为系统总扰动的极限值。
故式(6)可以改写为：
取系统状态变量：
其中，w*为参考转速，w为实际转速。
将式(8)代入式(9)，得到当考虑参数不确定性的影响时，永磁同步电机的运动方程表达式：
进一步，步骤二中，所述新型趋近律控制器设计，包括：
定义滑模面：
选取非奇异积分型终端滑模面：
其中，
对式(11)求导：
将所设计得新型趋近律代入式(12)滑模面可得：
求得控制量iq：
由于式(14)中转速、扰动不可测，因此可改写为：
进一步，步骤三中，所述设计滑模干扰观测器，包括：
在永磁同步电机矢量控制中，由于控制周期短，与电流、转速相比，负载扰动变化缓慢，因此在控制周期内负载转矩变化可以看作恒定，即
选择电机转速w和系统总扰动g(t)作为状态变量，电磁转矩Te作为系统输入，电机转速w作为系统输出，则观测器状态方程可以表示为：
选择电机转速w和系统总扰动g(t)作为观测对象，由式(14)得到滑模扰动观测器方程：
其中，
为转速及扰动的估计值，z1,z2为观测因数，[ηew ηeg]T为滑模观测器误差控制律。
定义观测器的观测误差：
选取观测器的积分滑模面：
设计滑模观测器控制率：
进一步，步骤三中，为验证所设计的滑模观测器和滑模控制策略能够有效估计系统误差，实现电机的快速跟踪理想转速，选取李雅普诺夫函数：
V＝V1+V2 (21)
其中，
对V1求导可得：
将式(15)代入得：
对V2求导可得：
假设g为慢变信号，则
且由式(17)可得：
将式(24)代入式(23)可得：
将式(8)、式(2)代入式(25)得：
将式(22)与式(26)相加，并将滑模观测器控制律式(37)代入可得：
由李雅普诺夫稳定性定理可知，
可保证设计的滑模扰动观测器在跟踪误差方面的稳定性，并在有限时间内实现收敛，实现电机理想转速值的跟随。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的永磁同步电机滑模控制方法的永磁同步电机滑模控制系统，所述永磁同步电机滑模控制系统包括：
参数转化模块，用于在转子同步坐标系下，将电压和永磁体磁链在内的时变参数量转化为非时变量参数；
模型构建模块，用于根据电机基本特性且考虑系统不确定性扰动建立永磁同步电机模型；
模型简化模块，用于采用矢量控制方法简化永磁同步电机数学模型，列写永磁同步电机转矩及运动方程，并在Ld＝Lq的表贴式电机条件下继续简化方程；
控制策略确定模块，用于基于新型趋近律的方法确定永磁同步电机转速控制策略；
观测器设计模块，用于设计滑模干扰观测器，基于新型趋近律的负载转矩观测器，实现扰动转矩和电机转速的同时观测，并将观测结果补偿给滑模速度控制器，抑制系统抖振；
验证模块，用于验证所述滑模观测器和滑模控制策略的有效性，经李雅普诺夫稳定性证明得出，设计的滑模扰动观测器在跟踪误差方面的稳定性，并在有限时间内实现收敛，实现电机理想转速值的跟随。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
在转子同步坐标系下，将电压和永磁体磁链在内的时变参数量转化为非时变量参数，并根据电机基本特性且考虑系统不确定性扰动建立永磁同步电机模型；采用矢量控制方法简化永磁同步电机数学模型，列写永磁同步电机转矩及运动方程，并在Ld＝Lq的表贴式电机条件下继续简化方程；
基于新型趋近律的方法确定永磁同步电机转速控制策略：将永磁同步电机的转矩方程代入运动方程以得到转速状态方程，并设转速误差为系统状态变量；选取系统滑模面，并确定新型趋近律的方程；基于建立的不确定性扰动下永磁同步电机模型，将选取的滑模面求导并与设计的趋近律联立，将转速状态方程代入得到系统q轴电流方程即为系统的输出变量；分析该方程参数为实验做铺垫，参数选取：α＝15,ε＝10,k＝20,a＝0.3,b＝0.4、p＝3,q＝2；
设计滑模干扰观测器，基于新型趋近律的负载转矩观测器，实现扰动转矩和电机转速的同时观测，并将观测结果补偿给滑模速度控制器，抑制系统抖振；列写观测器状态方程，并设计滑模观测器控制率；经李雅普诺夫稳定性证明得出，设计的滑模扰动观测器在跟踪误差方面的稳定性，并在有限时间内实现收敛，实现电机理想转速值的跟随。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
在转子同步坐标系下，将电压和永磁体磁链在内的时变参数量转化为非时变量参数，并根据电机基本特性且考虑系统不确定性扰动建立永磁同步电机模型；采用矢量控制方法简化永磁同步电机数学模型，列写永磁同步电机转矩及运动方程，并在Ld＝Lq的表贴式电机条件下继续简化方程；
基于新型趋近律的方法确定永磁同步电机转速控制策略，将永磁同步电机的转矩方程代入运动方程以得到转速状态方程，并设转速误差为系统状态变量；选取系统滑模面，并确定新型趋近律的方程；基于建立的不确定性扰动下永磁同步电机模型，将选取的滑模面求导并与设计的趋近律联立，将转速状态方程代入得到系统q轴电流方程即为系统的输出变量；分析该方程参数为实验做铺垫，参数选取：α＝15,ε＝10,k＝20,a＝0.3,b＝0.4、p＝3,q＝2；
设计滑模干扰观测器，基于新型趋近律的负载转矩观测器，实现扰动转矩和电机转速的同时观测，并将观测结果补偿给滑模速度控制器，抑制系统抖振；列写观测器状态方程，并设计滑模观测器控制率；经李雅普诺夫稳定性证明得出，设计的滑模扰动观测器在跟踪误差方面的稳定性，并在有限时间内实现收敛，实现电机理想转速值的跟随。
本发明的另一目的在于提供一种永磁同步电机，所述永磁同步电机搭载所述永磁同步电机滑模控制系统。
本发明的另一目的在于提供一种所述永磁同步电机滑模控制方法在风力发电、电动汽车驱动、水利水电领域中永磁同步电机调的应用。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
为了提高PMSM调速系统和抗扰动性能，本发明在传统指数趋近率的基础上，新型趋近律引入了系统状态变量和滑模函数的幂次项。当幂次项以切换函数的绝对值1为界时，趋近律可以表示为两种不同的趋近形式，既能增加系统状态到达滑动面的速度，又能保证系统状态平稳到达切换面。考虑到外部不确定性扰动利用新型趋近律设计了一种扰动滑模观测器，以实现平滑扰动，提高系统的抗扰动能力。
本发明为了提高工业永磁同步电机在外部干扰情况下速度控制的性能及鲁棒性，提出一种新型滑模趋近律(NSMRL)的永磁同步电机控制策略。首先，为解决系统状态变量到达滑模面速率慢及切换增益导致的固有抖振问题，引入系统状态变量及滑动面函数的幂次项，该幂次项由开关函数的绝对值限制，使得系统由两种方式到达滑模面。并使用该趋近律设计了永磁同步电机转速控制器。其次，为解决扰动上限难以确定问题，设计了基于新型滑模趋近律的滑模扰动观测器(SMDO)，以实现对扰动的补偿。该方法可实现复杂工况下的永磁同步电机转速准确控制，并通过实验分析验证了该方法的有效性。
本发明为解决传统指数趋近律中变速项εsgn(s)在高精度要求下趋近速度慢、无法按规定时间到达切换面以及切换增益过大使系统无法接近原点而做反复穿越运动导致高频抖振问题。因此设计新型趋近律
如果系统远离滑模面，当s＞1时，则
系统状态按两种速率趋近滑模面，等速趋近-ε|x|asgn(s)和变指数趋近律kH(s)s。此外，如果|s|增大，则|s|bs趋近于1，k|s|bs趋近于k，-ε|x|a趋近于ε。这表明：当系统逐渐到达滑模面时，趋近律的系数逐渐减小以抑制抖振。另一方面，如果系统接近滑模面时，当s＜1时，则传统趋近律的趋近速率将变为0。相反的由于新趋近律中绝对值符号函数的限制，那么
且变指数项趋近速度为k|s|-bs，存在k|s|-bs＞k|s|bs，增加了变指数趋近律的趋近速度。从初始状态开始到滑动模态的整个过程中，新型趋近律的趋近速率比传统趋近律的趋近速率要快。此外，系统状态变量和滑模函数的幂次项的引入抑制了抖振现象。
滑模变结构即根据系统的当前状态有目的的不断变化，迫使系统按照一定轨迹进行模态运动。滑模变结构优点：对参数变化及外部扰动变化不明显、系统快速响应、实现方式简单等优点，但缺点是状态变量并非一直沿着规定轨迹一直运动，而是反复在滑模面穿越导致的抖振现象。因此为解决这类问题设计新型趋近律，并为了平滑系统扰动设计了滑模观测器。基于该趋近律的滑模观测器，可以实现扰动转矩和电机转速的同时观测，并将观测结果补偿给滑模速度控制器，达到进一步抑制系统抖振的目的。该系统可实现平稳到达2500r/min且能承受大负载的转矩扰动，并且能实现高转速下的变速响应，这也是该系统与其他控制方法相比较突出的优势。该设计弥补了一些控制算法无法实现的高转速大负载下的电机控制，并且增加系统的鲁棒性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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永磁同步电机滑模控制方法流程图。
图2是本发明实施例提供的永磁同步电机滑模控制方法原理图。
图3是本发明实施例提供的永磁同步电机滑模控制系统结构框图；
图中：1、参数转化模块；2、模型构建模块；3、模型简化模块；4、控制策略确定模块；5、观测器设计模块；6、验证模块。
图4是本发明实施例提供的转速控制器结构框图。
图5是本发明实施例提供的三种趋近律下转速及转矩启动响应比较曲线图。
图5(a)是本发明实施例提供的三种趋近律方法下2500r/min转速响应示意图。
图5(b)是本发明实施例提供的三种趋近律方法下2500r/min转矩响应示意图。
图6是本发明实施例提供的种趋近律下转速及转矩加载响应比较曲线图。
图6(a)是本发明实施例提供的三种趋近律方法下2500r/min加载20Nm转速响应示意图。
图6(b)是本发明实施例提供的三种趋近律方法下2500r/min加载20Nm转矩响应示意图。
图7是本发明实施例提供的两种趋近律下变速响应比较曲线图。
图8是本发明实施例提供的三种趋近律下参数失配转速响应比较曲线图。
图8(a)是本发明实施例提供的三种趋近律下参数失配0.5J转速响应比较曲线示意图。
图8(b)是本发明实施例提供的三种趋近律下参数失配2J转速响应比较曲线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种永磁同步电机滑模控制方法、系统、设备及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的永磁同步电机滑模控制方法包括以下步骤：
S101，将电压和永磁体磁链在内的时变参数量转化为非时变量参数；
S102，根据电机基本特性且考虑系统不确定性扰动建立永磁同步电机模型；
S103，采用矢量控制方法简化所述永磁同步电机数学模型；
S104，基于新型趋近律的方法确定永磁同步电机转速控制策略；
S105，设计滑模干扰观测器；
S106，验证所述滑模观测器和滑模控制策略的有效性。
本发明实施例提供的永磁同步电机滑模控制方法原理图如图2所示。
如图3所示，本发明实施例提供的永磁同步电机滑模控制系统包括：
参数转化模块1，用于在转子同步坐标系下，将电压和永磁体磁链在内的时变参数量转化为非时变量参数；
模型构建模块2，用于根据电机基本特性且考虑系统不确定性扰动建立永磁同步电机模型；
模型简化模块3，用于采用矢量控制方法简化永磁同步电机数学模型，列写永磁同步电机转矩及运动方程，并在Ld＝Lq的表贴式电机条件下继续简化方程；
控制策略确定模块4，用于基于新型趋近律的方法确定永磁同步电机转速控制策略；
观测器设计模块5，用于设计滑模干扰观测器，基于新型趋近律的负载转矩观测器，实现扰动转矩和电机转速的同时观测，并将观测结果补偿给滑模速度控制器，抑制系统抖振；
验证模块6，用于验证所述滑模观测器和滑模控制策略的有效性，经李雅普诺夫稳定性证明得出，设计的滑模扰动观测器在跟踪误差方面的稳定性，并在有限时间内实现收敛，实现电机理想转速值的跟随。
本发明实施例提供的转速控制器结构框图如图4所示。
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1
本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：
步骤一，在转子同步坐标系下，将时变参数量将转化为非时变量参数，并根据电机基本特性且考虑系统不确定性扰动建立永磁同步电机模型，采用矢量控制方法简化永磁同步电机数学模型。列写永磁同步电机转矩及运动方程，并在Ld＝Lq的表贴式电机条件下继续简化方程；
步骤二，基于新型趋近律的方法确定永磁同步电机转速控制策略。将永磁同步电机的转矩方程代入运动方程以得到转速状态方程，并设转速误差为系统状态变量。选取系统滑模面，并确定新型趋近律的方程。基于建立的不确定性扰动下永磁同步电机模型，将选取的滑模面求导并与设计的趋近律联立，将转速状态方程代入得到系统q轴电流方程即为系统的输出变量。进一步分析该方程参数为实验做铺垫，参数选取：α＝15,ε＝10,k＝20,a＝0.3,b＝0.4、p＝3,q＝2；
步骤三，由于参数、外部扰动不确定等因素，设计滑模干扰观测器。基于新型趋近律的负载转矩观测器，可以实现扰动转矩和电机转速的同时观测，并将观测结果补偿给滑模速度控制器，达到进一步抑制系统抖振的目的。列写观测器状态方程，并设计滑模观测器控制率。经李雅普诺夫稳定性证明得出，设计的滑模扰动观测器在跟踪误差方面的稳定性，并在有限时间内实现收敛，实现电机理想转速值的跟随。
本发明为解决传统指数趋近律中变速项εsgn(s)在高精度要求下趋近速度慢、无法按规定时间到达切换面以及切换增益过大使系统无法接近原点而做反复穿越运动导致高频抖振问题。因此设计新型趋近律
如果系统远离滑模面，当s＞1时，则
系统状态按两种速率趋近滑模面，等速趋近-ε|x|asgn(s)和变指数趋近律kH(s)s。此外，如果|s|增大，则|s|bs趋近于1，k|s|bs趋近于k，-ε|x|a趋近于ε。这表明：当系统逐渐到达滑模面时，趋近律的系数逐渐减小以抑制抖振。另一方面，如果系统接近滑模面时，当s＜1时，则传统趋近律的趋近速率将变为0。相反的由于新趋近律中绝对值符号函数的限制，那么
且变指数项趋近速度为k|s|-bs，存在k|s|-bs＞k|s|bs，增加了变指数趋近律的趋近速度。从初始状态开始到滑动模态的整个过程中，新型趋近律的趋近速率比传统趋近律的趋近速率要快。此外，系统状态变量和滑模函数的幂次项的引入抑制了抖振现象。
基于该趋近律的滑模观测器，可以实现扰动转矩和电机转速的同时观测，并将观测结果补偿给滑模速度控制器，达到进一步抑制系统抖振的目的。该系统可实现平稳到达2500r/min且能承受大负载的转矩扰动，并且能实现高转速下的变速响应，这也是该系统与其他控制方法相比较突出的优势。
实施例2
步骤一、在转子同步坐标系下，电压、永磁体磁链等时变参数量将转化为非时变量参数，使得分析更加方便，根据电机的基本特性可以建立以下方程：
永磁同步电机电磁转矩方程：
永磁同步电机运动方程：
其中，Ld、Lq分别为d、q轴定子电感，p为电机的极对数，w为电机的角速度，Te为电机的电磁转矩，TL为电机施加的外部转矩，ψf为转子磁链，J为转动惯量，B为黏性系数。
将式(1)改写为：
将式(2)代入式(3)可得：
对于表贴式电机Ld＝Lq，且考虑参数、外部扰动不确定性，则表达式为：
其中，Δa,Δb,Δc,Δd为系统不确定性扰动且均为正数。
令，
因为电机变量有界，系统总扰动g(t)满足式：|g(t)|≤lr，其中lr为系统总扰动的极限值。
故式(6)可以改写为：
取系统状态变量：
其中，w*为参考转速，w为实际转速。
将式(8)代入式(9)，得到当考虑参数不确定性的影响时，永磁同步电机的运动方程表达式：
步骤二、新型趋近律控制器设计：
定义滑模面：
为了避免Terminal滑模的奇异问题，本发明选取非奇异积分型终端滑模面：
其中，
对式(11)求导：
将所设计得新型趋近律代入式(12)滑模面可得：
求得控制量iq：
由于式(14)中转速、扰动不可测，因此可改写为：
步骤三、由于参数、外部扰动不确定等因素，设计滑模干扰观测器。基于传统的负载转矩观测器，可以实现扰动转矩和电机转速的同时观测，并将观测结果补偿给滑模速度控制器，达到进一步抑制系统抖振的目的。
在永磁同步电机矢量控制中，由于控制周期短，与电流、转速相比，负载扰动变化缓慢，因此在控制周期内负载转矩变化可以看作恒定，即
选择电机转速w和系统总扰动g(t)作为状态变量，电磁转矩Te作为系统输入，电机转速w作为系统输出，则观测器状态方程可以表示为：
选择电机转速w和系统总扰动g(t)作为观测对象，由式(14)得到滑模扰动观测器方程：
其中，
为转速及扰动的估计值，z1,z2为观测因数，[ηew ηeg]T为滑模观测器误差控制律。
定义观测器的观测误差：
选取观测器的积分滑模面：
设计滑模观测器控制率：
步骤四、为验证所设计的滑模观测器和滑模控制策略能够有效估计系统误差，实现电机的快速跟踪理想转速，选取李雅普诺夫函数：
V＝V1+V2 (21)
其中，
对V1求导可得：
将式(15)代入得：
对V2求导可得：
假设g为慢变信号，则
且由式(17)可得：
将式(24)代入式(23)可得：
将式(8)、式(2)代入式(25)得：
将式(22)与式(26)相加，并将滑模观测器控制律式(37)代入可得：
由李雅普诺夫稳定性定理可知，
可保证设计的滑模扰动观测器在跟踪误差方面的稳定性，并在有限时间内实现收敛，实现电机理想转速值的跟随。
步骤五、为更好的验证该发明的可靠性，建立了一个实验测试台，本实验采用的xPC Target是“双机模式”，即宿主机-目标机的技术实现途径。基于xPC Target的快速原型和硬件在回路试验台。试验台包括两台工控机搭载永磁同步电机控制算法，将Simulink模型编译为可实时运行的C代码并下载到目标机；另外一台作为xPC Target目标机，运行依托DOS系统的xPC实时内核，用于执行经过RTW编译的实时C代码。两台计算机通过以太网(TCP/IP)进行连接和通信，开发者通过Host主机下载Simulink模型到目标机上运行，并且可以实时监控/调试目标机的运行情况。
利用实验台对该算法进行模拟，实验结果验证了该算法可实现车用电机启动，在高速路上行驶的瞬间加速超车等一些实际工况；在面对大负载扰动情况下，该控制系统有较强的鲁棒性。在电机参数固定的情况下，利用控制算法更好地开发出了电机的优势，使之性能达到最优化。
通过图5(a)可以得出以下结论：在永磁同步电机启动过程中，PI控制方法有2％的过冲，而基于新型滑模趋近律、传统滑模趋近律、控制方法没有过冲，但PI控制及传统滑模趋近律均未能到达指定转速。且速度稳定时基于新型滑模趋近律、传统滑模趋近律、PI控制的响应时间分别为0.025s、0.06s、0.15s；新型趋近律启动瞬态过程比传统滑模趋近律、PI快58.3％、83.3％。由图5(b)可以看出基于新型滑模趋近律方法转矩的抖动明显小于传统滑模趋近律、PI控制方法。
通过图6(a)可以得出以下结论：在永磁同步电机突变负载过程时，由于选取高转速2500r/min及施加大负载20Nm，导致PI控制及传统滑模控制加载后均无法恢复参考转速，且基于新型滑模趋近律方法在20Nm负载下转速下降90r/min恢复参考转速；转速恢复时间为0.13s。由图6(b)可以看出新型趋近律的转矩脉动小于PI控制、传统滑模趋近律控制方法。
通过图7可以得出结论：当启动时参考转速为2000r/min时，基于新型趋近律控制方法几乎无过冲，且0.4s加速到2500r/min时，虽然新型趋近律转速有些许波动，但该系统能保证电机加速过程中迅速到达指定转速，而传统趋近律无法保证。
通过图8(a)可以得出以下结论：在永磁同步电机参数失配过程时，在0.5J失配条件下基于新型滑模趋近律、传统滑模趋近律、PI控制中方法转速下降分别为41r/min、206r/min、130r/min；图8(b)可以得出在2J参数失配情况下，基于新型滑模趋近律、传统滑模趋近律、PI控制中方法转速下降分别为20r/min、133r/min、82r/min；稳态时基于新型趋近律转速波动较小。
因此本发明的新型趋近律可有效改善永磁同步电机的调速系统，实验结果表明：稳态时，系统转速波动小，静态误差低；负载转矩突变时，系统反应迅速，响应时间短，提升了快速响应能力，并实现工业复杂工况需求。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种永磁同步电机滑模控制方法，其特征在于，所述永磁同步电机滑模控制方法包括以下步骤：
步骤一，在转子同步坐标系下，将电压和永磁体磁链在内的时变参数量转化为非时变量参数，并根据电机基本特性且考虑系统不确定性扰动建立永磁同步电机模型；采用矢量控制方法简化永磁同步电机数学模型，列写永磁同步电机转矩及运动方程，并在Ld＝Lq的表贴式电机条件下继续简化方程；
步骤二，基于新型趋近律的方法确定永磁同步电机转速控制策略，将永磁同步电机的转矩方程代入运动方程以得到转速状态方程，并设转速误差为系统状态变量；选取系统滑模面，并确定新型趋近律的方程；基于建立的不确定性扰动下永磁同步电机模型，将选取的滑模面求导并与设计的趋近律联立，将转速状态方程代入得到系统q轴电流方程即为系统的输出变量；分析该方程参数为实验做铺垫，参数选取：α＝15,ε＝10,k＝20,a＝0.3,b＝0.4、p＝3,q＝2；
步骤三，设计滑模干扰观测器，基于新型趋近律的负载转矩观测器，实现扰动转矩和电机转速的同时观测，并将观测结果补偿给滑模速度控制器，抑制系统抖振；列写观测器状态方程，并设计滑模观测器控制率；经李雅普诺夫稳定性证明得出，设计的滑模扰动观测器在跟踪误差方面的稳定性，并在有限时间内实现收敛，实现电机理想转速值的跟随；
步骤一中，在转子同步坐标系下，将时变参数量将转化为非时变量参数，根据电机的基本特性可以建立以下方程：
永磁同步电机电磁转矩方程：
永磁同步电机运动方程：
其中，Ld、Lq分别为d、q轴定子电感，p为电机的极对数，w为电机的角速度，Te为电机的电磁转矩，TL为电机施加的外部转矩，ψf为转子磁链，J为转动惯量，B为黏性系数；
将式(1)改写为：
将式(2)代入式(3)可得：
对于表贴式电机Ld＝Lq，且考虑参数、外部扰动不确定性，则表达式为：
其中，Δa,Δb,Δc,Δd为系统不确定性扰动且均为正数；
令，
因为电机变量有界，系统总扰动g(t)满足式：g(t)≤lr，其中lr为系统总扰动的极限值；
故式(6)可以改写为：
取系统状态变量：
其中，w*为参考转速，w为实际转速；
将式(8)代入式(9)，得到当考虑参数不确定性的影响时，永磁同步电机的运动方程表达式：
步骤二中，所述新型趋近律控制器设计，包括：
定义滑模面：
选取非奇异积分型终端滑模面：
其中，
对式(11)求导：
新型趋近律
如果系统远离滑模面，当s＞1时，则
系统状态按两种速率趋近滑模面，等速趋近-ε|x|asgn(s)和变指数趋近律kH(s)s；此外，如果|s|增大，则|s|bs趋近于1，k|s|bs趋近于k，-ε|x|a趋近于ε,表明：当系统逐渐到达滑模面时，趋近律的系数逐渐减小以抑制抖振；另一方面，如果系统接近滑模面时，当s＜1时，则传统趋近律的趋近速率将变为0,相反的由于新趋近律中绝对值符号函数的限制，那么
且变指数项趋近速度为k|s|-bs，存在k|s|-bs＞k|s|bs，增加了变指数趋近律的趋近速度,从初始状态开始到滑动模态的整个过程中，新型趋近律的趋近速率比传统趋近律的趋近速率要快；
将所设计得新型趋近律代入式(12)滑模面可得：
求得控制量iq：
由于式(14)中转速、扰动不可测，因此可改写为：
步骤三中，所述设计滑模干扰观测器，包括：
在永磁同步电机矢量控制中，由于控制周期短，与电流、转速相比，负载扰动变化缓慢，因此在控制周期内负载转矩变化可以看作恒定，即
选择电机转速w和系统总扰动g(t)作为状态变量，电磁转矩Te作为系统输入，电机转速w作为系统输出，则观测器状态方程可以表示为：
选择电机转速w和系统总扰动g(t)作为观测对象，由式(14)得到滑模扰动观测器方程：
其中，
为转速及扰动的估计值，z1,z2为观测因数，[ηew ηeg]T为滑模观测器误差控制律；
定义观测器的观测误差：
选取观测器的积分滑模面：
设计滑模观测器控制率：
2.如权利要求1所述永磁同步电机滑模控制方法，其特征在于，步骤三中，为验证所设计的滑模观测器和滑模控制策略能够有效估计系统误差，实现电机的快速跟踪理想转速，选取李雅普诺夫函数：
V＝V1+V2 (21)
其中，
对V1求导可得：
将式(15)代入得：
对V2求导可得：
假设g为慢变信号，则
且由式(17)可得：
将式(24)代入式(23)可得：
将式(8)、式(2)代入式(25)得：
将式(22)与式(26)相加，并将滑模观测器控制律式(37)代入可得：
由李雅普诺夫稳定性定理可知，
可保证设计的滑模扰动观测器在跟踪误差方面的稳定性，并在有限时间内实现收敛，实现电机理想转速值的跟随。
3.一种如权利要求1～2任意一项所述永磁同步电机滑模控制方法在风力发电、电动汽车驱动、水利水电领域中永磁同步电机调的应用。
4.一种应用如权利要求1～2任意一项所述永磁同步电机滑模控制方法的永磁同步电机滑模控制系统，其特征在于，所述永磁同步电机滑模控制系统包括：
参数转化模块，用于在转子同步坐标系下，将电压和永磁体磁链在内的时变参数量转化为非时变量参数；
模型构建模块，用于根据电机基本特性且考虑系统不确定性扰动建立永磁同步电机模型；
模型简化模块，用于采用矢量控制方法简化永磁同步电机数学模型，列写永磁同步电机转矩及运动方程，并在Ld＝Lq的表贴式电机条件下继续简化方程；
控制策略确定模块，用于基于新型趋近律的方法确定永磁同步电机转速控制策略；
观测器设计模块，用于设计滑模干扰观测器，基于新型趋近律的负载转矩观测器，实现扰动转矩和电机转速的同时观测，并将观测结果补偿给滑模速度控制器，抑制系统抖振；
验证模块，用于验证所述滑模观测器和滑模控制策略的有效性，经李雅普诺夫稳定性证明得出，设计的滑模扰动观测器在跟踪误差方面的稳定性，并在有限时间内实现收敛，实现电机理想转速值的跟随。
5.一种永磁同步电机，其特征在于，所述永磁同步电机搭载如权利要求4所述永磁同步电机滑模控制系统。
6.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～2任意一项所述永磁同步电机滑模控制方法。
7.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～2任意一项所述永磁同步电机滑模控制方法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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