CN202103620U - 基于永磁同步电机矢量控制系统的复合控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于永磁同步电机矢量控制系统的复合控制系统，所提出的基于永磁同步电机矢量控制系统的复合控制系统在速度环的控制中所采用的复合控制调节模块兼备分数阶PI^λD^μ控制和滑膜变结构控制各自的优点，扬长避短，同时分数阶PI^λD^μ控制相对于传统PID控制对其控制范围得以拓宽，从而可以更灵活的去匹配滑膜变结构实现对永磁同步电机的复合控制。

Description

基于永磁同步电机矢量控制系统的复合控制系统

技术领域

本发明涉及交流电机传动技术领域，具体涉及一种基于永磁同步电机矢量控制系统的复合控制系统。 

背景技术

随着经济的不断发展，汽车已经成为人们生活中必不可少的交通工具之一，汽车产业已成为国民经济重要的支柱产业。电动汽车作为一种绿色交通工具，其旗帜鲜明且独树一帜。近年来，消费者和政府对环境保护的意识增强以及世界能源价格的不断疯涨，电动汽车作为一种零排放无污染的新能源汽车，倍受汽车界人士的青睐。而电机及其驱动控制系统作为电动汽车的控制核心，其控制效果的好坏直接影响着电动汽车整车性能的优劣。电动汽车有限的空间要求选用小型、轻量和高效的电机，而永磁同步电机具有体积小、重量轻、转动惯量轻、功率密度高、效率高和输出转矩大等优点，成为电动汽车用驱动电机中最具竞争力的一款电机，日本和欧洲在混合动力电动汽车上已普遍使用。同时，我国蕴藏有丰富的稀土资源，随着新型永磁材料的不断涌现，永磁材料的成本有望降低，从而永磁电机比其他类电机在价格方面更是占有绝对的优势，永磁同步电机本身就是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，因此很难对这样一个复杂的系统进行精确的目标化控制。20世纪70年代初，德国学者F.Blaschke等人提出了矢量控制原理，针对交流电机这个强耦合的控制对象，采用参数重构的现代控制理论来解耦，进行矢量变换，仿照直流调速原理，使交流调速系统的动、静态性能达到直流调速的水平。对于表贴式的永磁同步电机一般采用直轴电流i_d＝0的方法进一步对永磁同步电机进行线性化解耦。目前，永磁同步电机(PMSM)矢量控制系统普遍采用速度和电流双闭环控制方法，对速度的控制大部分利用传统的PID控制器，传统PID控制虽然原理简单，鲁棒性、稳定性好，但是快速性和抗干扰的能力非常有限。 

发明内容

本实用新型目的在于提供一种基于永磁同步电机矢量控制系统的复合控制系统，其能够有效提高永磁同步电机控制器的鲁棒性、稳定性以及稳态 精度，并能达到控制的快速性和强的抗负载扰动能力。 

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是： 

一种基于永磁同步电机矢量控制系统的复合控制系统，所述的复合控制系统包括三相逆变器，所述的三相逆变器的三路输出接入永磁同步电机，所述的永磁同步电机与转速位置检测模块相连，所述的转速位置检测模块与误差比较模块相连，所述的误差比较模块与复合控制调节模块相连，所述的复合控制调节模块与一比较模块相连，所述的三相逆变器的输出端与Clark变换模块相连，所述的Clark变换模块的输出端与比较模块相连，所述的比较模块连接PI调节模块，所述的PI调节模块接入Park你变换模块，所述的Park你变换模块与电压矢量脉宽调制模块相连，所述的电压矢量脉宽调制模块的输出端与三相逆变器相连，所述的复合控制调节模块为分数阶PI^λD^μ与滑膜变结构复合控制模块。 

更为详细的技术方案是：一种基于永磁同步电机矢量控制系统的复合控制系统，所述的复合控制系统包括三相逆变器，所述的三相逆变器的三路输出接入永磁同步电机，所述的永磁同步电机与转速位置检测模块相连，所述的转速位置检测模块与误差比较模块相连，所述的误差比较模块与复合控制调节模块相连，所述的复合控制调节模块与一比较模块相连，所述的三相逆变器的输出端与Clark变换模块相连，所述的Clark变换模块的输出端与比较模块相连，所述的比较模块连接PI调节模块，所述的PI调节模块接入Park你变换模块，所述的Park你变换模块与电压矢量脉宽调制模块相连，所述的电压矢量脉宽调制模块的输出端与三相逆变器相连，所述的复合控制调节模块为分数阶PI^λD^μ与滑膜变结构复合控制模块，Clark变换模块与三相逆变器的两相输出相连，ark变换模块与所述的Park逆变换模块相连，所述的转速位置检测模块与所述的Park变换模块、Park逆变换模块分别相连，复合控制系统采用的主控芯片为TMS320LF2812数字处理芯片，分数阶PI^λD^μ与滑膜变结构复合控制模块用于对永磁同步电机速度环的控制。 

进一步，分数阶PI^λD^μ控制与滑膜变结构复合控制模块通过加权因子α将分数阶PI^λD^μ和滑膜变结构复合控制结合在一起，加权因子α的范围为 0≤α≤1。 

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是： 

1.本实用新型所提出的基于永磁同步电机矢量控制系统的复合控制系统在速度环的控制中所采用的复合控制调节模块兼备分数阶PI^λD^μ控制和滑膜变结构控制各自的优点，扬长避短，同时分数阶PI^λD^μ控制相对于传统PID控制对其控制范围得以拓宽，从而可以更灵活的去匹配滑膜变结构实现对永磁同步电机的复合控制； 

2.本实用新型中所提出的分数阶PI^λD^μ控制和滑膜变结构复合控制中的分数阶PI^λD^μ控制是传统整数阶PID控制的推广，分数阶PI^λD^μ利用λ、μ两个自由度可将传统PID的点域控制范围拓展到面域，已有实验证明分数阶PI^λD^μ控制较传统整数阶PID控制具有更好的控制效果； 

3.本实用新型通过可变加权因子α(0≤α≤1)来判断两种控制器工作时间段，根据实际需要满足的特性要求来确定对应的α值，不同的α值一定范围内对应着各自的控制策略，单独的滑膜变结构控制(α＝0)和单独的分数阶PI^λD^μ控制(α＝1)是本发明复合控制的两种特例情况； 

4.本实用新型所采用的TMS320LF2812芯片，其高效的数据处理速度能满足复合控制器中矢量控制及速度环复合控制等所带来的大量的数据运算。 

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述： 

图1为本实用新型的原理框图； 

图2为本实用新型按微积分阶次分的控制器； 

图3为本实用新型对速度环进行控制的原理框图。 

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以 根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。 

实施例： 

本实施例所描述的基于永磁同步电机矢量控制系统的复合控制系统的原理框图如图1所示，首先借助Clark变换模块、Park变换模块，使各物理量从静止坐标系(三相定子坐标系)转换到同步旋转坐标系(d、q坐标系)，本实施例实际检测两相电流i_a、i_b，通过Clark变换模块得到i_α、i_β，再通过Park变换模块得到旋转坐标系下的直轴电流i_d和交轴电流i_q作为电流环的电流反馈量进行反馈比较，同时采用i_d＝0的方法对永磁同步电机d、q轴上的数学模型进一步线性解耦，直轴和交轴电流通过反馈比较后分别通过PI调节后产生直轴、交轴的电压信号u_d、u_q，再进行Park逆变换得到两相坐标的电压u_α、u_β，然后进过空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)产生六路PWM信号通过逆变电路对永磁同步电机进行控制，引用的空间电压矢量控制(SVPWM)技术实质上通过适当的组合基本空间矢量的开关状态所产生的有效矢量来逼近基准圆，即用多变形来近似模拟圆形，从而使永磁同步电机的控制达到直流电机的控制效果。 

综上，本发明利用永磁同步电机自带的转速位置检测模块即光电编码器可以测得、计算电机转子的位置和转速，电机转子的位置信号引入Park变换模块与Park逆变换模块之间参与电流环的矢量坐标变换，计算出的转速经过反馈与初始的参考转速进行比较，比较后的误差信号通过本发明提出的分数阶PI^λD^μ控制与滑膜变结构复合控制模块进行调节，d、q轴电流的误差信号经由PI调节、Park逆变换后，通过SVPWM产生6路PWM波送至三相逆变器从而实现对永磁同步电机的正选波控制，而把分数阶PI^λD^μ与滑膜变结构复合控制方法引入到永磁同步电机电流、速度双闭环控制中的速度环，对速度环进行复合控制。 

本实施例中，分数阶PI^λD^μ控制与滑膜变结构控制用一个可变加权因子α(0≤α≤1)进行相互组合，该复合控制器也可单独实现分数阶PI^λD^μ(α＝1)和滑膜变结构(α＝0)对速度环的控制，图3为具体实施原理框图，根据实际的控制系统性能要求，在误差信号较大时，取接近于0或等于0的α值，让复合控制器主要或完全处于滑膜变结构控制，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动，此时的控制器响 应速度快、对参数的变化以及外界扰动不灵敏，鲁棒性强，在本实施例滑膜变结构控制器设计中，为省去滑膜速度控制器所需的加速度信号，在切换函数中引入状态积分项，变结构采用函数切换控制。 

由于滑膜变结构在滑膜平面原点附近会产生高频颤动，为了克服这一问题，当误差信号较小时，取接近1或等于1的α值，让复合控制器主要或完全处于分数阶PI^λD^μ控制，减小系统的超调与振荡，使控制器具有良好的控制品质。图2为本实用新型按微积分阶次分的控制器，可见分数阶PI^λD^μ控制器比传统PID控制器多了λ和μ两个自由度，选择范围更灵活，能更好的控制微分、积分项的增加和减少，有利于进一步消除振荡。 

本实施例中所采用的TMS320LF2812芯片具有强大的控制和信号处理能力，能够实现复杂的控制算法，有专用的电机控制接口，从而为本发明的实施有巨大的帮助。 

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 

Claims (7)

1.一种基于永磁同步电机矢量控制系统的复合控制系统，其特征在于，所述的复合控制系统包括三相逆变器，所述的三相逆变器的三路输出接入永磁同步电机，所述的永磁同步电机与转速位置检测模块相连，所述的转速位置检测模块与误差比较模块相连，所述的误差比较模块与复合控制调节模块相连，所述的复合控制调节模块与一比较模块相连，所述的三相逆变器的输出端与Clark变换模块相连，所述的Clark变换模块的输出端与比较模块相连，所述的比较模块连接PI调节模块，所述的PI调节模块接入Park你变换模块，所述的Park你变换模块与电压矢量脉宽调制模块相连，所述的电压矢量脉宽调制模块的输出端与三相逆变器相连，所述的复合控制调节模块为分数阶PI^λD^μ控制与滑膜变结构复合控制模块。

2.根据权利要求1所述的复合控制系统，其特征在于，所述的Clark变换模块与三相逆变器的两相输出相连。

3.根据权利要求1所述的复合控制系统，其特征在于，所述的Park变换模块与所述的Park逆变换模块相连，所述的转速位置检测模块与所述的Park变换模块、Park逆变换模块分别相连。

4.根据权利要求1或2或3所述的复合控制系统，其特征在于，所述的复合控制系统采用的主控芯片为TMS320LF2812数字处理芯片。

5.根据权利要求1所述的复合控制系统，其特征在于，分数阶PI^λD^μ控制与滑膜变结构复合控制模块用于对永磁同步电机速度环的控制。

6.根据权利要求1或5所述的复合控制系统，其特征在于，所述的分数阶PI^λD^μ控制与滑膜变结构复合控制模块通过加权因子α将分数阶PI^λD^μ和滑膜变结构复合控制结合在一起。

7.根据权利要求6所述的复合控制系统，其特征在于，所述的加权因子α的范围为0≤α≤1。 

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