CN114679105A - 一种基于超扭曲滑模观测器的永磁同步电机控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超扭曲滑模观测器的永磁同步电机控制方法。根据电机在α‑β两相坐标系下建立数学模型，设计超扭曲滑模观测器去替代传统的滑模观测器，以此获得效果更好的反电动势；设计带有相位补偿的反正切法来代替传统反正切法，来获得更准确的转子信息。提高了整体的控制效果。

Description

一种基于超扭曲滑模观测器的永磁同步电机控制方法
技术领域
本发明涉及电机控制领域，具体是一种基于超扭曲滑模观测器的永磁同步电机控制方法。
背景技术
随着永磁同步电机在军事、工业等领域的广泛应用，在电动汽车、船舰推进、航空航天等一些可靠性要求较高的场合，稳定可靠的电机驱动系统尤为重要。电机在运行过程中，会经常受到负载扰动和外部扰动；由于电机运行时振动等因素，位置传感器灵敏度也会下降，导致电机运行可靠性降低。针对永磁同步电机无传感器控制得高性能要求，本发明提出了一种基于超扭曲滑模观测器的永磁同步电机控制方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超扭曲滑模观测器的永磁同步电机控制方法，以解决传统滑模观测器获得抖振的反电动势，以及低精度，低稳定性的转子位置和转速等问题。
本发明的目的是提供一种基于超扭曲滑模观测器的永磁同步电机控制方法，具体包括的步骤如下：
步骤一：根据三相永磁同步电机在α-β两相坐标系下的数学模型设计出超扭曲滑模观测器。设计方法具体如下：
定子电流微分方程：
Figure BDA0003604625160000011
其中，iα,iβ是定子电流，Rs为定子电阻，Ls为定子电感，Uα,Uβ是定子电压，eα,eβ是反电动势。
超扭曲算法可表示为：
Figure BDA0003604625160000021
式中，x1，x2为状态变量，
Figure BDA0003604625160000022
为估计值与实际值的偏差，k1，k2为所设计的滑模增益，ρ1，ρ2表示扰动项系数。
根据定子电流微分方程和超扭曲算法可以写出超扭曲滑模观测器的永磁同步电机电流方程(将符号函数改成饱和函数)：
Figure BDA0003604625160000023
其中，
Figure BDA0003604625160000024
代表电流估计误差，sat()代表饱和函数。
步骤二：根据上述获得的电流方程推导出反电动势的方程：
当超扭曲滑模系统稳定时，估算值近似等于实际值，此时二阶滑模面上，即电流估计误差近似等于零。则可得到超扭曲滑模观测器估算的永磁同步电机反电势的信息
Figure BDA0003604625160000025
步骤三：通过上述得到的反电势信息可获得估算的转子转速及位置：
本发明在传统反正切法基础上加入了相位补偿，提高了获得转子信息的精度。
Figure BDA0003604625160000026
本发明具有以下效果：
在高阶滑模和连续函数作用下得到的定子电流、转速和转矩曲线比传统滑模的更加平滑，抖振更小，系统更快进入稳定状态，同时引入相位补偿来估算转子位置的方法，避免因为低通滤波带来的明显误差而影响的转子位置估计精度。
附图说明
图1为基于超扭曲滑模观测器的永磁同步电机控制系统框图。
图2为超扭曲滑模观测器内部实现框图。
图3为带有相位补偿反正切法获得转子信息框图。
图4为永磁同步电机转速设定为1000转的实际和估算转速波形。
图5为永磁同步电机转速设定为1000转的实际与估算的转子位置波形。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。
图1为基于超扭曲滑模观测器的永磁同步电机控制系统框图。图1中，通过Clark模块将电机的三相电流和三相电压转变成Uα,Uβ,iα,iβ；在超扭曲滑模模块中，输入是Uα,Uβ,iα,iβ，输出是转子位置角θe和角速度ωe；转速PI的输入是给定转速和实际转速的误差nref-n，输出是q轴给定电流
Figure BDA0003604625160000031
通过Park变换模块和转子位置角θe将电机的三相电流变成的实际d，q轴电流id,iq；d，q轴电流模块输入是给定d，q轴电流
Figure BDA0003604625160000032
id *和实际d，q轴电流id,iq的误差，输出是给定d，q轴电压
Figure BDA0003604625160000033
Ud *；在通过反Park变换模块和转子位置角θe将给定d，q轴电压
Figure BDA0003604625160000034
Ud *变成给定
Figure BDA0003604625160000035
Uβ *；
Figure BDA0003604625160000036
Uβ *通过空间矢量脉宽调制模块(SVPWM)输出脉冲信号给到逆变电路中；逆变电路通过直流电压和脉冲信号得到三相电压来驱动永磁同步电机。
在本发明中，超扭曲滑模观测器的永磁同步电机控制方法中超扭曲滑模观测器推导如下：
永磁同步电机电压方程：
Figure BDA0003604625160000037
其中，Ld,Lq为定子电感，ωe为角速度，p为微分算子，ψf是转子磁链，SPMSM中Ld＝Lq＝Ls。
定子电流微分方程：
Figure BDA0003604625160000041
Figure BDA0003604625160000042
超扭曲算法基本模型：
Figure BDA0003604625160000043
用定子电流微分方程构建超扭曲滑模观测器：
Figure BDA0003604625160000044
设定子电流误差
Figure BDA0003604625160000045
则定子电流误差的微分方程可表示为：
Figure BDA0003604625160000046
滑模控制律设计为：
Figure BDA0003604625160000047
其中，饱和函数sat(s)为
Figure BDA0003604625160000051
其中Δ为边界层。
图2是完全由推导结果搭建的计算反电动势的超扭曲滑模观测器的仿真模块。
图3是加了相位补偿的计算转子信息的反正切法的仿真模块。
图4，图5是基于超扭曲滑模观测器的永磁同步电机控制仿真结果。图4是电机转速设定1000转时的转速波形，可见转速稳定速度较快，波形稳定抖振小，估算转速跟踪真实转速效果好；图5是电机为转子位置在转速1000转时的波形，也可看出波形跟踪效果好，稳定，抖振小。
应理解上述施例仅用于说明本发明的原理及其功效，而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权力要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种基于超扭曲滑模观测器的永磁同步电机控制方法，其特征在于，根据电机在α-β两相坐标系下建立数学模型，设计超扭曲滑模观测器去替代传统的滑模观测器；设计带有相位补偿的反正切法来代替传统反正切法。
2.如权利要求 1所述的一种基于超扭曲滑模观测器的永磁同步电机控制方法，其特征在于，滑模观测器的设计为：
根据三相永磁同步电机在α-β两相坐标系下的数学模型设计出超扭曲滑模观测器。设计方法具体如下：
定子电流微分方程：
Figure FDA0003604625150000011
其中，iα,iβ是定子电流，Rs为定子电阻，Ls为定子电感，Uα,Uβ是定子电压，eα,eβ是反电动势。
超扭曲算法可表示为：
Figure FDA0003604625150000012
式中，x1，x2为状态变量，
Figure FDA0003604625150000013
为估计值与实际值的偏差，k1，k2为所设计的滑模增益，ρ1，ρ2表示扰动项系数。
根据定子电流微分方程和超扭曲算法可以写出超扭曲滑模观测器的永磁同步电机电流方程(将符号函数改成饱和函数)：
Figure FDA0003604625150000014
其中，
Figure FDA0003604625150000015
代表电流估计误差，sat()代表饱和函数。
根据上述获得的电流方程推导出反电动势的方程：
当超扭曲滑模系统稳定时，估算值近似等于实际值，此时二阶滑模面上，即电流估计误差近似等于零。则可得到超扭曲滑模观测器估算的永磁同步电机反电势的信息
Figure FDA0003604625150000021
通过上述得到的反电势信息可获得估算的转子转速及位置。
本发明在传统反正切法基础上加入了相位补偿。
Figure FDA0003604625150000022
。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115566743A (zh) * 2022-11-09 2023-01-03 国网江西省电力有限公司电力科学研究院 一种基于5g的分布式光储集群控制方法

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