CN115001328A - 基于滑模观测器的电机控制方法、设备及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于滑模观测器的永磁同步电机控制方法、设备及存储介质，该方法包括以下步骤：步骤S1、构建永磁同步电机PMSM在α、β坐标系下的数学模型，得到α‑β坐标系下的定子电流方程；步骤S2、确定滑模面，将滑膜观测器的符号函数替换为分段指数函数，构建新型滑模观测器，得到永磁同步电机PMSM的反电动势估计值，进而估计定子电流以及转子位置信号。与现有技术相比，本发明减少了永磁同步电机低速控制时抖振现象，具有控制精度高的优点。

Description

基于滑模观测器的电机控制方法、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及电机控制领域，尤其是涉及一种基于滑模观测器的电机控制方法、设备及存储介质。
背景技术
在现有的技术条件下，V/F控制，矢量控制和直接转矩控制是感应电机的三大最主要也是最常用的控制方法。
通过同时改变定子电压与定子频率来控制电机的方式被称为V/F控制。在V/F控制的过程中，特别是在低速段运行下，常会伴随有性能的降低以及轻载震荡。矢量控制的基础是坐标变换。其控制思路是将不便于控制的交流电机转化为易于控制的直流电机。其使用的方式为利用坐标变换将电机控制中的交流变量转换成直流分量，从而达成上述控制思路。直接转矩控制法也存在低速段运行下的各种问题，同时，由于需要先了解转子的初始位置，直接转矩控制的控制效果还对电机的参数十分敏感。
针对上述现有技术存在的电机低速端运行存在的控制精度过低、扰动震荡较大、控制成本较高的缺陷，亟需设计一种减少抖振、精度更高的电机控制方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术电机低速端运行存在的控制精度过低、扰动震荡较大、控制成本较高的缺陷而提供了一种基于滑模观测器的电机控制方法、设备及存储介质。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
根据本发明的第一方面，提供了一种基于滑模观测器的电机控制方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1、构建永磁同步电机PMSM在α、β坐标系下的数学模型，得到α-β坐标系下的定子电流方程；
步骤S2、确定滑模面，将滑膜观测器的符号函数替换为分段指数函数，构建新型滑模观测器，得到永磁同步电机PMSM的反电动势估计值，进而估计定子电流以及转子位置信号。
优选地，所述永磁同步电机PMSM在α、β坐标系下的数学模型为：
Figure BDA0003523101540000021
式中，uα、uβ为α-β坐标系下的定子电压分量；iα、iβ为α-β坐标系下的定子电流分量；eα、eβ为反电动势在α、β轴上的分量；p为微分算子；Ls为α-β坐标系下的电感等效值。
优选地，所述步骤S1中的α-β坐标系下的定子电流方程为：
Figure BDA0003523101540000022
式中，uα、uβ为α-β坐标系下的定子电压分量；iα、iβ为α-β坐标系下的定子电流分量；eα、eβ为反电动势在α、β轴上的分量；Rs为相电阻，Ls为α-β坐标系下的电感。
优选地，所述反电动势在α、β轴上的分量eα、eβ的表达式为：
Figure BDA0003523101540000023
式中，ψf为永磁体磁链，θ为转子位置；ωe为转子的电角速度。
优选地，所述步骤S2中的滑模面表达式为：
Figure BDA0003523101540000024
式中，
Figure BDA0003523101540000025
为定子电流估计值；is＝[iα iβ]T为定子电流测量值。
优选地，所述步骤S2中的新型滑模观测器表达式为：
Figure BDA0003523101540000026
式中，uα、uβ为α-β坐标系下的定子电压分量；iα、iβ为α-β坐标系下的定子电流分量；Rs为相电阻，Ls为α-β坐标系下的电感；zα、zβ为反电动势eα、eβ的误差信号，表达式为：
Figure BDA0003523101540000031
式中，Y(·)为分段指数函数，k为滑模增益；
Figure BDA0003523101540000032
为定子电流估计值；is＝[iα iβ]T为定子电流测量值。
优选地，所述分段指数函数表达式为：
Figure BDA0003523101540000033
式中，a为滑模边界层的厚度。
优选地，所述定子电流以及转子位置信号采用锁相环技术计算获取。
根据本发明的第二方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述的方法。
根据本发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现任一项所述的方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明的控制方法将传统滑模观测器中的符号函数替换为分段指数函数，降低了永磁同步电机低速运行时的抖振，提高了永磁同步电机的控制精度，一定程度上保护了电机；
2)本发明将滑模观测器和锁相环结束相结合，实现了对定子电流以及转子位置的估计，降低了现有滑模观测器在电机低速运转时的系统抖振；
3)本发明的方法结构简单，控制成本较低。
附图说明
图1为本发明的电机控制方法信号流图；
图2为传统滑模观测器转速响应性能；
图3为改进后的新型滑模观测器转速响应性能。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
本实施例给出了一种基于新型滑模观测器的永磁同步电机控制方法，所采用的控制方法为现有的基于滑模观测器的永磁同步电机控制方法，控制原理如图1所示，具体过程为：
直轴电流id的反馈值与直轴参考电流idref的偏差经PI调节后，得到直轴电压给定值
Figure BDA0003523101540000041
转子电角速度ωe偏差经速度环调节器后得到交轴参考电流iqref，与反馈交轴电压iq的偏差，经过PI调节得到交轴电压给定值
Figure BDA0003523101540000042
直轴电压给定值
Figure BDA0003523101540000043
和交轴电压给定值
Figure BDA0003523101540000044
经过Park逆变输出得到α-β轴下的直轴电压给定值
Figure BDA0003523101540000045
和交轴电压给定值
Figure BDA0003523101540000046
经过电压空间矢量SVPWM调制后输入至三相逆变器，通过三相逆变器控制永磁同步电机PMSM；
将实时测取永磁同步电机PMSM的三相定子电流iabc，经过Clarke变换得到α-β轴下的直轴电流iα和交轴电流iβ，再经过Park变换，分别作为直轴电流反馈信号id和交轴电流反馈信号iq，构成电流闭环控制；
同时，将永磁同步电机PMSM端测得的三相电压信号Uabc，经过Clack变换得到α-β轴的电压分量iα和iβ，再经过Park变换，得到d-q坐标系下的定子电压分量ud和uq，同时将电流反馈值id和iq作为滑膜观测器SMO的输入量，输出反电动势观测值zd和zq，计算得到转子转速估计值ωe和转子位置估计值θ。
本发明上述将滑模观测器SMO中的符号函数替换为分段指数函数，构建新型滑模观测器，降低了永磁同步电机低速运行时的抖振，提高了永磁同步电机的控制精度，该方法包括以下步骤：
步骤S1、构建永磁同步电机PMSM在α、β坐标系下的数学模型，得到α-β坐标系下的定子电流方程，具体为：
1)构建d-q坐标系下永磁同步电机PMAM的数学模型：
Figure BDA0003523101540000047
式中，ud、uq为定子电压在d-q坐标系下的直轴分量和交轴分量；id、iq为定子电流d-q坐标系下的直轴分量和交轴分量；ωe为转子的电角速度；ψd、ψq为d-q坐标系下的定子磁链分量，表达式为：
Figure BDA0003523101540000051
式中，Ld、Lq分别为直轴电感和交轴电感，Rs为相电阻；
此时，电磁转矩方程可表示为：
Figure BDA0003523101540000052
2)将d-q坐标系下的永磁同步电机PMAM的数学模型利用反Park变换到α-β坐标系，得到α-β坐标系下永磁同步电机PMSM的数学模型：
Figure BDA0003523101540000053
式中，uα、uβ为α-β坐标系下的定子电压分量；iα、iβ为α-β坐标系下的定子电流分量；eα、eβ为反电动势在α、β轴上的分量；Rs为相电阻，Ls为α-β坐标系下的电感；
则永磁同步电机PMSM在α-β坐标下的定子电流方程为：
Figure BDA0003523101540000054
式中，uα、uβ为α-β坐标系下的定子电压分量；iα、iβ为α-β坐标系下的定子电流分量；ψα、ψγ为α-β坐标系下的定子磁链分量；eα、eβ为反电动势在α、β轴上的分量；Rs为相电阻，Ls为α-β坐标系下的电感；ψf为永磁体磁链，θ为转子位置；ωe为转子的电角速度；
步骤S2、确定滑模面，将滑膜观测器的符号函数替换为分段指数函数，构建新型滑模观测器，得到永磁同步电机PMSM的反电动势估计值，进而通过锁相环技术获取估计定子电流以及转子位置信号，具体为：
所述滑模面表达式为：
Figure BDA0003523101540000055
式中，
Figure BDA0003523101540000056
为定子电流估计值；is＝[iα iβ]T为定子电流测量值。
所述新型滑模观测器表达式为：
Figure BDA0003523101540000061
式中，uα、uβ为α-β坐标系下的定子电压分量；iα、iβ为α-β坐标系下的定子电流分量；Rs为相电阻，Ls为α-β坐标系下的电感；zα、zβ为反电动势eα、eβ的误差信号，表达式为：
Figure BDA0003523101540000062
式中，Y(·)为分段指数函数，k为滑模增益。
所述分段指数函数表达式为：
Figure BDA0003523101540000063
式中，a为滑模边界层的厚度。
函数线具象化为系统状态点运行穿越滑模面的一个过程，与传统的符号函数比较，分段指数函数在穿过界面零点时，可近似与X轴平行，渐进逼近横轴。远离原点即穿过滑模面后，按照指数函数运动轨迹导向，导致其偏离系统滑模曲面的速度变慢，这种速度可以让系统状态点及时调整，且及时返回滑模面处。
在Simulink软件中搭建本发明的电机控制模型以进行仿真实验，验证本专利设计的新型滑模观测器的可行性。仿真参数设置：电机转速为1000r/min，初始负载转矩为0N/m，0.05s时将负载转矩由0升至0.8N/m。所得实验结果图像如图2和图3所示。经仿真实验可知，本发明设计的新型滑模观测器可有效降低抖振，显著提高电机控制的精度。
本发明电子设备包括中央处理单元(CPU)，其可以根据存储在只读存储器(ROM)中的计算机程序指令或者从存储单元加载到随机访问存储器(RAM)中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在RAM中，还可以存储设备操作所需的各种程序和数据。CPU、ROM以及RAM通过总线彼此相连。输入/输出(I/O)接口也连接至总线。
设备中的多个部件连接至I/O接口，包括：输入单元，例如键盘、鼠标等；输出单元，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元，例如磁盘、光盘等；以及通信单元，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元允许设备通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
处理单元执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法S1～S2。例如，在一些实施例中，方法S1～S2可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM和/或通信单元而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载到RAM并由CPU执行时，可以执行上文描述的方法S1～S2的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，CPU可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法S1～S2。
本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)等等。
用于实施本发明的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本发明的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于滑模观测器的电机控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1、构建永磁同步电机PMSM在α、β坐标系下的数学模型，得到α-β坐标系下的定子电流方程；
步骤S2、确定滑模面，将滑膜观测器的符号函数替换为分段指数函数，构建新型滑模观测器，得到永磁同步电机PMSM的反电动势估计值，进而估计定子电流以及转子位置信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于滑模观测器的电机控制方法，其特征在于，所述永磁同步电机PMSM在α、β坐标系下的数学模型为：
Figure FDA0003523101530000011
式中，uα、uβ为α-β坐标系下的定子电压分量；iα、iβ为α-β坐标系下的定子电流分量；eα、eβ为反电动势在α、β轴上的分量；p为微分算子；Ls为α-β坐标系下的电感等效值。
3.根据权利要求2所述的一种基于滑模观测器的电机控制方法，其特征在于，所述步骤S1中的α-β坐标系下的定子电流方程为：
Figure FDA0003523101530000012
式中，uα、uβ为α-β坐标系下的定子电压分量；iα、iβ为α-β坐标系下的定子电流分量；eα、eβ为反电动势在α、β轴上的分量；Rs为相电阻，Ls为α-β坐标系下的电感。
4.根据权利要求2所述的一种基于滑模观测器的电机控制方法，其特征在于，所述反电动势在α、β轴上的分量eα、eβ的表达式为：
Figure FDA0003523101530000013
式中，ψf为永磁体磁链，θ为转子位置；ωe为转子的电角速度。
5.根据权利要求1所述的一种基于滑模观测器的电机控制方法，其特征在于，所述步骤S2中的滑模面表达式为：
Figure FDA0003523101530000021
式中，
Figure FDA0003523101530000022
为定子电流估计值；is＝[iα iβ]T为定子电流测量值。
6.根据权利要求5所述的一种基于滑模观测器的电机控制方法，其特征在于，所述步骤S2中的新型滑模观测器表达式为：
Figure FDA0003523101530000023
式中，uα、uβ为α-β坐标系下的定子电压分量；iα、iβ为α-β坐标系下的定子电流分量；Rs为相电阻，Ls为α-β坐标系下的电感；zα、zβ为反电动势eα、eβ的误差信号，表达式为：
Figure FDA0003523101530000024
式中，Y(·)为分段指数函数，k为滑模增益；
Figure FDA0003523101530000025
为定子电流估计值；is＝[iαiβ]T为定子电流测量值。
7.根据权利要求6所述的一种基于滑模观测器的电机控制方法，其特征在于，所述分段指数函数表达式为：
Figure FDA0003523101530000026
式中，a为滑模边界层的厚度。
8.根据权利要求1所述的一种基于滑模观测器的电机控制方法，其特征在于，所述定子电流以及转子位置信号采用锁相环技术计算获取。
9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1～8任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1～8中任一项所述的方法。
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