專利名稱：基于終端滑模的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的制作方法
基于終端滑模的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于終端滑模的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩 控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
交流永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM，Permanent Magnet Synchronous Machine)以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、運(yùn)行可靠、轉(zhuǎn)矩重量比高、損耗小等特點(diǎn)，在高精度和高可靠性要求場(chǎng)合獲得廣泛應(yīng)用， 如工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)(DTC，Direct Torque Control)是以轉(zhuǎn)矩為 中心來(lái)進(jìn)行磁鏈、轉(zhuǎn)矩的綜合控制。與矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制不需要解耦，通過(guò)檢測(cè) 電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比 較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。其具有魯棒性強(qiáng)、轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、控制結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，它在很大程度上解決了矢量控制中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算量大、對(duì)參數(shù)變化敏感等 問(wèn)題。但存在磁鏈控制不對(duì)稱、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、逆變器開(kāi)關(guān)頻率不恒定、低速時(shí)磁鏈和轉(zhuǎn)矩難 以控制等問(wèn)題。
傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)采用了定子磁鏈定向和空間電壓矢量的思想，通過(guò)采用 傳感器檢測(cè)電機(jī)定子電流和電壓，在定子坐標(biāo)系下觀測(cè)電機(jī)的磁鏈、轉(zhuǎn)矩，并把二者的觀測(cè) 值與給定的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，差值經(jīng)過(guò)兩個(gè)滯環(huán)比較控制器得到相應(yīng)的控制信號(hào)，再 根據(jù)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶康奈恢脧念A(yù)制的開(kāi)關(guān)狀態(tài)表中選擇相應(yīng)的電壓空間矢量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電 機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。為了降低或消除低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制精度，擴(kuò)大直接轉(zhuǎn) 矩控制系統(tǒng)的調(diào)速范圍，近些年來(lái)提出了許多新型的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。雖然這些新型直 接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在不同程度上改善了調(diào)速系統(tǒng)的低速性能，但是其低速性能還是不能達(dá)到 矢量控制的水平。而且對(duì)于高性能永磁同步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，需要準(zhǔn)確獲取轉(zhuǎn) 子位置信息，產(chǎn)生所需要的電磁轉(zhuǎn)矩。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子位置和速度的檢測(cè)多采用光電編碼器或者 旋轉(zhuǎn)變壓器等機(jī)械位置傳感器，這種傳感器的使用不但增加了系統(tǒng)成本，同時(shí)也增大了電 機(jī)的尺寸和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，降低了系統(tǒng)可靠性，也限制了傳動(dòng)系統(tǒng)在一些特殊環(huán)境下的應(yīng)用。為 了解決上述問(wèn)題，無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)永磁同步電動(dòng)機(jī)定子電 壓、電流等易測(cè)量的物理量，進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置信息的計(jì)算。
滑模變結(jié)構(gòu)控制因其對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不確定性和外部擾動(dòng)具有良好的不變性，在電機(jī) 調(diào)速領(lǐng)域已開(kāi)始廣泛使用，傳統(tǒng)線性滑模變結(jié)構(gòu)控制，系統(tǒng)狀態(tài)與給定軌跡之間的偏差漸 近收斂。終端滑模變結(jié)構(gòu)控制由Zak于1998年提出的，與線性滑模相比，終端滑模變結(jié)構(gòu) 控制通過(guò)在滑模中引入非線性項(xiàng)，改善了系統(tǒng)的收斂特性，使得系統(tǒng)狀態(tài)能夠在有限時(shí)間 內(nèi)收斂到給定軌跡，具有魯棒性強(qiáng)、可靠性高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、有限時(shí)間收斂、穩(wěn)態(tài)跟蹤精 度高等優(yōu)點(diǎn)。由于在平衡點(diǎn)附近加速收斂，滑動(dòng)模態(tài)是可設(shè)計(jì)的，且與系統(tǒng)的參數(shù)變化及外 部擾動(dòng)無(wú)關(guān)，因此終端滑模理論特別適用于高精度的控制，并且在實(shí)際工程中逐漸得到了 推廣和應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容
為了解決永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)所存在的磁鏈控制不對(duì)稱、轉(zhuǎn) 矩脈動(dòng)大、逆變器開(kāi)關(guān)頻率不恒定、對(duì)系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)、外干擾、測(cè)量噪聲等魯棒性低，低速時(shí) 磁鏈和轉(zhuǎn)矩難以控制的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于終端滑模的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 系統(tǒng)。
本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案如下
基于終端滑模的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，包括主電路、信號(hào)檢測(cè)電路和 控制電路，其特征在于，所述主電路包括逆變器和PMSM模塊，所述控制電路包括終端滑模 轉(zhuǎn)速外環(huán)控制器、自適應(yīng)模糊滑模轉(zhuǎn)矩、磁鏈內(nèi)環(huán)控制器、SVPWM模塊、定子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩 估計(jì)模塊、3/2坐標(biāo)變換模塊和轉(zhuǎn)子位置、速度估計(jì)模塊；控制電路通過(guò)信號(hào)檢測(cè)電路檢測(cè) 到PMSM模塊的三相定子電流和電壓，經(jīng)過(guò)3/2坐標(biāo)變換模塊得到的兩相靜止交流坐標(biāo)系下 的電壓和電流值，然后通過(guò)轉(zhuǎn)子位置、速度估計(jì)模塊計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，求得的轉(zhuǎn)子 位置和經(jīng)過(guò)3/2坐標(biāo)變換模塊得到的兩相靜止交流坐標(biāo)系下的電壓和電流值計(jì)算求得電 機(jī)的磁鏈、轉(zhuǎn)矩，并把觀測(cè)值和給定的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，給定的轉(zhuǎn)矩值由終端滑模轉(zhuǎn)速 外環(huán)控制器求得，差值經(jīng)過(guò)自適應(yīng)模糊滑模轉(zhuǎn)矩、磁鏈內(nèi)環(huán)控制器得到相應(yīng)的兩相靜止交 流坐標(biāo)系上的電壓控制信號(hào)，通過(guò)SVPWM模塊綜合當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶康奈恢脧念A(yù)制優(yōu)化的 開(kāi)關(guān)狀態(tài)表中選擇相應(yīng)的電壓空間矢量，產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)控制逆變器，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電 機(jī)轉(zhuǎn)矩的直接控制。
本發(fā)明控制系統(tǒng)的自適應(yīng)模糊滑模轉(zhuǎn)矩、磁鏈內(nèi)環(huán)控制器分別采用了自適應(yīng)模糊 終端滑模和自適應(yīng)模糊線性滑模，通過(guò)滿足滑?？蛇_(dá)條件這一前提進(jìn)行在線修正模糊控制 器參數(shù)，利用模糊控制器的輸出逼近滑?？刂撇呗?，以消除系統(tǒng)中的不確定性，降低系統(tǒng)抖 振；終端滑模轉(zhuǎn)速外環(huán)控制器通過(guò)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)進(jìn)行自適應(yīng)估計(jì)，采用終端滑?？刂撇呗裕?消除滑?？刂葡到y(tǒng)抖振現(xiàn)象的同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速誤差狀態(tài)變量的有限時(shí)間收斂；基于主動(dòng)控制 方法設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器，取代了傳統(tǒng)的機(jī)械式傳感器，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的有益效果如下
1)本發(fā)明采用自適應(yīng)模糊滑模控制策略替代傳統(tǒng)的滯環(huán)比較器，采用自適應(yīng)模糊 控制算法對(duì)快速終端滑?？刂撇呗赃M(jìn)行逼近，不需要知道系統(tǒng)中不確定項(xiàng)的上界，因此對(duì) 系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)、外干擾、測(cè)量噪聲等具有較高的魯棒性，保證了逆變器開(kāi)關(guān)頻率恒定，減少 開(kāi)關(guān)損耗并充分利用了功率器件，降低磁鏈和轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)；
2)本發(fā)明通過(guò)在轉(zhuǎn)速環(huán)中采用終端滑?？刂撇呗?，將控制策略中的切換項(xiàng)加在終 端滑?？刂撇呗缘膶?dǎo)數(shù)上，有效的降低了滑模變結(jié)構(gòu)控制中存在的抖振問(wèn)題，提高了系統(tǒng) 的控制精度，使得轉(zhuǎn)速差作為系統(tǒng)的狀態(tài)可在有限時(shí)間內(nèi)就能收斂至平衡點(diǎn)，且收斂的時(shí) 間可通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有魯棒性強(qiáng)、可靠性高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)跟蹤精度高 的優(yōu)點(diǎn)，有效地改善了系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性；
3)本發(fā)明對(duì)負(fù)載擾動(dòng)進(jìn)行自適應(yīng)估計(jì)，減小了滑模變結(jié)構(gòu)控制中的切換函數(shù)增 益，解決了原有的控制策略中由于大的切換增益對(duì)控制量的平滑無(wú)抖振產(chǎn)生的不利影響； 而且不需要已知負(fù)載擾動(dòng)的界限，使系統(tǒng)不但對(duì)負(fù)載擾動(dòng)具有魯棒性，而且降低了控制器 設(shè)計(jì)的限制條件，抑制了滑模變結(jié)構(gòu)控制中存在的抖振現(xiàn)象；
4)本發(fā)明基于主動(dòng)控制的方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速的估4計(jì)，取代了傳統(tǒng)的機(jī)械式傳感器，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)可靠性；
5)本發(fā)明簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)。


圖1是本發(fā)明基于終端滑模的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理圖。
圖中1、逆變器，2、PMSM模塊，3、信號(hào)檢測(cè)電路，4、控制電路，5、終端滑模轉(zhuǎn)速外 環(huán)控制器，6、自適應(yīng)模糊滑模轉(zhuǎn)矩、磁鏈內(nèi)環(huán)控制器，7、SVPWM模塊，8、定子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩 估計(jì)模塊，9、3/2坐標(biāo)變換模塊，10、轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速估計(jì)模塊，11、主電路。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，本發(fā)明基于終端滑模的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)包括主電路 11、控制電路4和信號(hào)檢測(cè)電路3，其中主電路11包括逆變器1和PMSM模塊2 ；控制電路4 包括終端滑模轉(zhuǎn)速外環(huán)控制器5、自適應(yīng)模糊滑模轉(zhuǎn)矩、磁鏈內(nèi)環(huán)控制器6、SVPWM模塊7、定 子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩估計(jì)模塊8、3/2坐標(biāo)變換模塊9和轉(zhuǎn)子位置、速度估計(jì)模塊10。
本發(fā)明基于終端滑模的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的具體實(shí)施步驟如下
1)信號(hào)檢測(cè)電路3將PMSM模塊2的定子繞組電壓ua、ub、Uc和定子繞組電流ia、 ib、i。輸入到控制電路4中的3/2坐標(biāo)變換模塊9，經(jīng)3/2坐標(biāo)變換得到α-β兩相靜止坐 標(biāo)系下的電流分量ia、ie和電壓分量ua、U0，然后將上述信號(hào)送至轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速估計(jì)模 塊10和定子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩估計(jì)模塊8。
2)轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速估計(jì)模塊10采用基于主動(dòng)控制的轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器方法取代傳 統(tǒng)的機(jī)械式轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)傳感器，通過(guò)計(jì)算得到轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，然后分別將轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子 位置送給終端滑模轉(zhuǎn)速外環(huán)控制器5和定子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩估計(jì)模塊8。
算法如下
α、β兩相靜止坐標(biāo)系下永磁同步電動(dòng)機(jī)電壓方程為
權(quán)利要求
1.基于終端滑模的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，包括主電路(11)、信號(hào)檢測(cè)電路 (3)和控制電路，其特征在于，所述主電路(11)包括逆變器(1)和PMSM模塊O)，所述控 制電路(4)包括終端滑模轉(zhuǎn)速外環(huán)控制器( 、自適應(yīng)模糊滑模轉(zhuǎn)矩、磁鏈內(nèi)環(huán)控制器(6)、 SVPWM模塊(7)、定子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩估計(jì)模塊(8)、3/2坐標(biāo)變換模塊(9)和轉(zhuǎn)子位置、速度 估計(jì)模塊(10)；控制電路⑷通過(guò)信號(hào)檢測(cè)電路(3)檢測(cè)到PMSM模塊⑵的三相定子電 流和電壓，經(jīng)過(guò)3/2坐標(biāo)變換模塊(9)得到的兩相靜止交流坐標(biāo)系下的電壓和電流值，然后 通過(guò)轉(zhuǎn)子位置、速度估計(jì)模塊(10)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，求得的轉(zhuǎn)子位置和經(jīng)過(guò)3/2 坐標(biāo)變換模塊(9)得到的兩相靜止交流坐標(biāo)系下的電壓和電流值計(jì)算求得電機(jī)的磁鏈、轉(zhuǎn) 矩，并把觀測(cè)值和給定的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，給定的轉(zhuǎn)矩值由終端滑模轉(zhuǎn)速外環(huán)控制器 (5)求得，差值經(jīng)過(guò)自適應(yīng)模糊滑模轉(zhuǎn)矩、磁鏈內(nèi)環(huán)控制器(6)得到相應(yīng)的兩相靜止交流坐 標(biāo)系上的電壓控制信號(hào)，通過(guò)SVPWM模塊(7)綜合當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶康奈恢脧念A(yù)制優(yōu)化的 開(kāi)關(guān)狀態(tài)表中選擇相應(yīng)的電壓空間矢量，產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)控制逆變器(1)，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步 電機(jī)轉(zhuǎn)矩的直接控制。
2.如權(quán)利要求1所述的基于終端滑模的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在 于，所述終端滑模轉(zhuǎn)速外環(huán)控制器( 通過(guò)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)進(jìn)行自適應(yīng)估計(jì)，采用終端滑?？?制策略，在消除滑?？刂葡到y(tǒng)抖振現(xiàn)象的同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速誤差狀態(tài)變量的有限時(shí)間收斂，從 而獲得系統(tǒng)所需的設(shè)定轉(zhuǎn)矩。
3.如權(quán)利要求1所述的基于終端滑模的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在 于，所述自適應(yīng)模糊滑模轉(zhuǎn)矩、磁鏈內(nèi)環(huán)控制器(6)采用了自適應(yīng)模糊終端滑模和自適應(yīng) 模糊線性滑模，通過(guò)滿足滑?？蛇_(dá)條件這一前提進(jìn)行在線修正模糊控制器參數(shù)，利用模糊 控制器的輸出逼近滑?？刂撇呗裕@得直接轉(zhuǎn)矩控制所需的兩相靜止交流坐標(biāo)系下的電壓 值。
4.如權(quán)利要求1所述的基于終端滑模的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在 于，所述轉(zhuǎn)子位置、速度估計(jì)模塊(10)采用基于主動(dòng)控制方法設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器，通 過(guò)設(shè)計(jì)觀測(cè)器控制策略，得到電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，從而求得轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速的估計(jì)值。
全文摘要
基于終端滑模的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)屬于電機(jī)控制領(lǐng)域，該系統(tǒng)包括主電路、信號(hào)檢測(cè)電路、終端滑模轉(zhuǎn)速外環(huán)控制器、自適應(yīng)模糊滑模轉(zhuǎn)矩磁鏈內(nèi)環(huán)控制器、定子磁鏈電磁轉(zhuǎn)矩估計(jì)模塊、SVPWM模塊、3/2坐標(biāo)變換模塊和轉(zhuǎn)子位置、速度估計(jì)模塊；其采用基于負(fù)載擾動(dòng)自適應(yīng)估計(jì)的終端滑模控制方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速外環(huán)控制器的設(shè)計(jì)，輸出為直接轉(zhuǎn)矩控制的給定信號(hào)，轉(zhuǎn)矩磁鏈內(nèi)環(huán)控制器采用自適應(yīng)模糊滑?？刂品椒?，其輸出為兩相靜止坐標(biāo)系上的兩相交流電壓，經(jīng)SVPWM變換，作用在主電路逆變器上的功率開(kāi)關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制。本發(fā)明具有轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快、魯棒性好和跟蹤誤差小的優(yōu)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的可靠性和靜動(dòng)態(tài)品質(zhì)。
文檔編號(hào)H02P21/14GK102035456SQ20101058580
公開(kāi)日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月14日
發(fā)明者盧秀和, 孫穎, 張裊娜, 楊宏韜, 王冬梅 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)