CN108551285A - 基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及永磁同步电机技术，具体涉及基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制系统及方法。该控制系统，包括二阶滑模控制器模块、变参数PI调节器模块、dq/αβ模块、SVPWM模块、abc/αβ模块、逆变器模块、速度传感器模块、全阶滑模观测器模块和永磁同步电机；永磁同步电机分别与逆变器模块、abc/αβ模块和速度传感器模块并联连接；逆变器模块依次连接SVPWM模块、dq/αβ模块、二阶滑模控制器模块；abc/αβ模块与全阶滑模观测器模块连接；全阶滑模观测器模块与二阶滑模控制器模块和变参数PI调节器模块并联；速度传感器模块与变参数PI调节器模块连接。使用该系统的控制方法能够提高永磁同步电机的控制性能，减小转矩脉动，同时减小逆变器的开关动作次数。增强了系统的鲁棒性及系统稳定性。

Description

基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制系统及方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机技术领域，尤其涉及基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制系统及方法。

背景技术

永磁同步电动机(PMSM)由于自身结构简单，具有转速平稳、动态响应快、过载能力强、可靠性高、结构多样化、应用范围广等优点，已成为研究热点，并得到广泛的应用。

直接转矩控制(DTC)摒弃了传统矢量控制中的解耦思想，而是将转子磁通定向更换为定子磁通定向，取消了旋转坐标变换，减弱了系统对电机参数的依赖性，通过实时检测电机定子电压和电流，计算转矩和磁链的幅值，并分别与转矩和磁链的给定值比较，利用所得差值来控制定子磁链的幅值及该矢量相对于磁链的夹角，由转矩和磁链调节器直接输出所需的空间电压矢量，从而达到磁链和转矩直接控制的目的。但直接转矩控制系统存在转矩和磁链脉动，开关频率变化等缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种能提高永磁同步电机的控制性能，减小转矩脉动，同时减小逆变器开关动作次数的永磁同步电机直接转矩控制系统。

本发明的第二个目的是提供用于对永磁同步电机进行控制的方法。

为实现上述第一个目的，本发明采用的技术方案是：基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制系统，包括二阶滑模控制器模块、变参数PI调节器模块、dq/αβ模块、SVPWM模块、abc/αβ模块、逆变器模块、速度传感器模块、全阶滑模观测器模块和永磁同步电机；永磁同步电机分别与逆变器模块、abc/αβ模块和速度传感器模块并联连接；逆变器模块依次连接SVPWM模块、dq/αβ模块、二阶滑模控制器模块；abc/αβ模块与全阶滑模观测器模块连接；全阶滑模观测器模块与二阶滑模控制器模块和变参数PI调节器模块并联；速度传感器模块与变参数PI调节器模块连接。

在上述的基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制系统中，二阶滑模控制器模块包括转矩磁链控制器和定子磁链控制器。

为实现上述第二个目的，本发明采用的技术方案是：

基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：

步骤1、abc/αβ模块通过检测逆变器模块的电压、电流转换成静止坐标系下的电压、电流；

步骤2、全阶滑模观测器模块通过检测静止坐标系下的电压、电流进行估算，得出永磁同步电机的定子磁链、电磁转矩；

步骤3、速度传感器模块检测永磁同步电机的实时转速n；

步骤4、变参数PI调节器模块通过检测转速的差值而输出相应转矩给定值；

步骤5、二阶滑模控制器模块的输入为转矩差值和定子磁链差值，输出为旋转坐标系下的电压

步骤6、dq/αβ模块根据输入的经过旋转变化得到静止坐标系下的

步骤7、SVPWM模块的输入为静止坐标系下的输出为逆变器模块的开关信号；

步骤8、逆变器模块的输入为逆变器的开关信号输出为三相交流电，通过对逆变器开关状态的控制，实现对永磁同步电机转速的控制。

在上述的基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制方法中，二阶滑模控制器的设计步骤包括：

dq坐标系下PMSM的数学模型为：

式(1)中：ψ_f为永磁体转子磁链，ω_e为电角速度，R_s为定子电阻，L_s为定子电感，ψ_s＝ψ_d+jψ_q为定子磁链空间矢量，i_s＝i_d+ji_q为定子电流空间矢量，u_s＝u_d+ju_q为定子电压空间矢量；

电磁转矩方程为：

式(2)中，p_n为电机的极对数；

当定子磁链矢量的方向与d轴方向一致时，磁链幅值表达式为：

ψ_s＝∫(u_d-Ri_d)dt (3)

基于二阶滑模的磁链控制器为：

式(4)中：为磁链控制器计算得到的d轴电压分量，u_d为定子电压在d轴的分量；磁链的滑膜面函数其中为定子磁链给定值；且增益K_p和K_i满足式(5)的稳定条件，

K_m为李雅普诺夫稳定性判别系数，C为常数；选取K_p＝100,K_i＝1；

同理，基于二阶滑模的转矩控制器为：

式(6)中，为磁链控制器计算得到的q轴电压分量，u_q为定子电压在q轴的分量，转矩的滑膜面函数其中，为转矩给定值，T_e为实际转矩，且增益K_p和K_i满足式(5)的稳定条件，式(4)和式(6)中的r为0或0.5。

在上述的基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制方法中，变参数PI控制器的设计步骤包括：

将常规PI调节器的比例、积分参数K_pp、K_ii由固定值改为转速偏差差e的函数，通过设计合理的函数实时根据e的大小对K_pp、K_ii进行调节；采用改进的正态函数来设计K_pp、K_ii关于转速偏差e的函数方程，为：

其中e＝n^*-n，n^*、n分别为电机转速的设定值和实际值，k₁、k₂为增益系数，一般取为k₁＞0，k₂＞0；取k₁＝0.1，k₂＝5；为均方值系数，取值

在上述的基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制方法中，全阶滑模观测器模块的设计步骤包括：

有效定子磁链ψ_a与转子磁链ψ_f的关系为：

ψ_a＝ψ_f+(L_d-L_q)i_d (8)

其中L_d、L_q为d、q轴电感，i_d为定子电流在d轴分量；

有效定子磁链矢量与转子磁链同向，即与旋转坐标系的d轴一致；根据有效磁链的定义式(8)可得：ψ_a＝ψ_s-L_qi_s，其中ψ_s、i_s分别为定子磁链和定子电流，在静止坐标系下可写成：

其中ψ_αa、ψ_βa分别为有效定子磁链在αβ轴的分量，ψ_α、ψ_β分别为定子磁链在αβ轴的分量，i_α、i_β分别为定子电流在在αβ轴的分量；

转子位置角和定子磁链角的估计值和可分别表示为：

式(10)和式(11)中：分别为有效磁链在αβ轴的分量的估计值，分别为定子磁链在αβ轴的分量的估计值；

根据静止坐标系下的电压方程可构建定子磁链全阶滑模观测器为：

式(12)和式(13)中：为电流估计误差，u_α、u_β为定子电压在αβ轴的分量，T为从转子dq坐标系到定子αβ坐标系的变换矩阵，L为电感矩阵，K、K_sm为观测器增益；其中：

式(12)和式(13)共同构成全阶滑模观测器。

本发明的有益效果是：能够提高永磁同步电机的控制性能，减小转矩脉动，同时减小逆变器的开关动作次数。有效降低转矩脉动和磁链脉动，增强了系统的鲁棒性，提高了系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明一个实施例的控制系统结构示意图；

图2为本发明一个实施例的二阶滑模控制器模块的原理图；

图3为本发明一个实施例变参数PI调节器模块的原理图；

图4为本发明一个实施例包含有效定子磁链的永磁同步电机的磁链矢量图；

图5为本发明一个实施例的全阶滑模观测器模块原理图；

图6为本发明一个实施例传统直接转矩控制的定子磁链仿真波形图；

图7为本发明一个实施例传统直接转矩控制的电磁转矩仿真模型图；

图8为本发明一个实施例的直接转矩控制定子磁链仿真波形图；

图9为本发明一个实施例的直接转矩控制电磁转矩仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本实施例是采用以下技术方案来实现的：

基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制系统，如图1所示，控制系统包括二阶滑模控制器模块、变参数PI调节器模块、dq/αβ模块、SVPWM模块、abc/αβ模块、逆变器模块、速度传感器模块、全阶滑模观测器模块和永磁同步电机。

而且，永磁同步电机分别与逆变器模块、abc/αβ模块和速度传感器模块并联连接；逆变器模块依次连接SVPWM模块、dq/αβ模块、二阶滑模控制器模块；abc/αβ模块与全阶滑模观测器模块连接；全阶滑模观测器模块与二阶滑模控制器模块和变参数PI调节器模块并联；速度传感器模块与变参数PI调节器模块连接。

利用二阶滑模控制器模块代替了传统直接转矩控制系统中滞环比较器和开关表选择模块，通过测量逆变器输出端的三相电流i_a、i_b、i_c和三相电压u_a、u_b、u_c，经坐标变换后得到i_α、i_β和u_α、u_β输入到全阶滑模观测器模块中，估算出定子磁链ψ_α、ψ_β和电磁转矩，通过计算得到的ψ_s和电磁转矩T_e,与给定值和的差值通过二阶滑模控制器模块得到u_α、u_β，接下来通过SVPWM模块合成最优电压矢量，控制逆变器开关来控制电机的运行。

如图2所示的二阶滑模控制器模块，包括转矩磁链控制器和定子磁链控制器两部分组成，转矩误差控制器根据给定转矩和估计转矩比较输出转矩误差，转矩误差通过二阶滑模空控制器设计搭建的数学模型可以得到磁链误差控制器根据给定磁链和估计磁链比较输出磁链误差，磁链误差通过二阶滑模控制器设计搭建的数学模型可以得到和通过坐标变换得到u_α和u_β输入到SVPWM模块。

基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制方法，用于对永磁同步电机的控制。包括：

abc/αβ模块通过检测三相逆变器电压、电流转换成静止坐标系下的电压、电流；

全阶滑模观测器模块通过检测静止坐标系下的电压、电流进行估算得出永磁同步电机的定子磁链、转矩等参数；

变参数PI调节器模块通过检测转速的差值而输出相应转矩给定值；

二阶滑模控制器模块的输入为转矩差值和定子磁链差值，输出为旋转坐标系下的电压

dq/αβ模块根据输入的经过旋转变化得到静止坐标系下的

SVPWM模块的输入为静止坐标系下的输出为逆变器模块的开关信号；

逆变器模块的输入为逆变器的开关信号输出为三相交流电，通过对三相逆变器开关状态的控制，实现对永磁同步电机转速的控制。

而且，由于采用的变参数PI调节器模块，如图3所示，其中的K_p、K_i由固定值改为转速偏差差e的函数，因此该控制器具有可以根据转速误差在线调节比例积分增益，计算量小，调节精度高等优点。二阶滑模观测器模块中不含随时间变化的变量，并且可以消除一阶滑模的抖振现象，具有很强的鲁棒性和抗干扰能力。

而且，二阶滑模控制器模块的设计步骤包括：

在dq坐标系下建立直接转矩控制的二阶滑模控制器模块设计，dq坐标系下的PMSM数学模型表达式为：

式(1’)中：ψ_f为永磁体磁链；ω_e为电角速度；R_s为定子电阻；L_s为定子电感；ψ_s＝ψ_d+jψ_q为定子磁链空间矢量；i_s＝i_d+ji_q为定子电流空间矢量；u_s＝u_d+ju_q为定子电压空间矢量。

电磁转矩方程为：

式(2’)中，p_n为电机的极对数。

当定子磁链矢量的方向与d轴方向一致时，磁链幅值表达式为：

ψ_s＝∫(u_d-Ri_d)dt (3’)

二阶滑模控制器的磁链控制器模块能够设计为：

式(4’)中：磁链的滑膜面函数且增益K_p和K_i满足式(5’)的稳定条件，本发明中选取K_p＝100,K_i＝1。

同理，二阶滑模控制器的转矩控制器模块能够设计为：

式(6’)中，转矩的滑膜面函数且增益K_p和K_i满足式(5’)的稳定条件，本实施例中式(4’)和式(6’)中的r可以设计为0.5。

而且，变参数PI调节器模块的设计步骤包括：

将常规PI调节器的比例、积分参数K_pp、K_ii由固定值改为转速偏差差e的函数，通过设计合理的函数实时根据e的大小对K_pp、K_ii进行调节。为减小系统稳态误差和提高控制器灵敏度，K_ii在e较小的时候取较大值，在e较大时取较小值，为达到期望的变参数PI变化规律，本实施例采用改进的正态函数来设计K_pp、K_ii关于转速偏差e的函数方程，为：

其中e＝n^*-n，n^*、n分别为电机转速的设定值和实际值，k₁、k₂为增益系数，一般取为k₁＞0，k₂＞0；本实施例取k₁＝0.1，k₂＝5。为均方值系数，本实施例取

而且，全阶滑模观测器模块的设计步骤包括：

在转子磁链坐标系中，永磁同步电机的电压方程、磁链方程和转矩方程分别式(8’)、式(9’)和式(10’)：

式(8’)—式(10’)中u_d，u_q，i_d，i_q，ψ_d和ψ_q为定子电压、定子电流和定子磁链在dq轴的分量；

有效定子磁链ψ_a与转子磁链ψ_f的关系为：

ψ_a＝ψ_f+(L_d-L_q)i_d (11’)

该有效定子磁链包括转子永磁体磁链和凸极磁链两部分，有效磁链矢量ψ_a和定子磁链矢量ψ_s、转子磁链矢量ψ_f在静止坐标系αβ和转子磁链旋转坐标系dq中的关系如图4所示。从图4中可以看出，有效定子磁链矢量与转子磁链同向，即与旋转坐标系的d轴一致。根据有效磁链的定义式(11’)可得：ψ_a＝ψ_s-L_qi_s，其中ψ_s、i_s分别为定子磁链和定子电流；在静止坐标系下可写成：

其中ψ_αa、ψ_βa分别为有效定子磁链在αβ轴的分量，ψ_α、ψ_β分别为定子磁链在αβ轴的分量，i_α、i_β分别为定子电流在在αβ轴的分量。

转子位置角和定子磁链角的估计值和可分别表示为：

式(13’)和式(14’)中：分别为有效磁链在αβ轴的分量的估计值，分别为定子磁链在αβ轴的分量的估计值。

根据静止坐标系下的电压方程：

可构建定子磁链全阶滑模观测器为：

式(16’)和式(17’)中：为电流估计误差，u_α、u_β为定子电压在αβ轴的分量，T为从转子dq坐标系到定子αβ坐标系的变换矩阵，L为电感矩阵，K、K_sm为观测器增益。其中：

式(16’)和式(17’)共同构成了本实施例所提出的全阶滑模观测器。其中式(16’)右边包括一个Luenberger观测器反馈项用于校正定子磁链估计值；1个符号函数项用于改善观测器的鲁棒性。

由式(17’)可得定子电流估计误差为：

式(15’)减去式(16’)，可得定子磁链误差动态方程：

其中为定子磁链误差，定义如下的Lyapunov函数：

这里令对V求导则有：

将式(19’)和式(20’)代入式(22’)有：

其中I为单位矩阵，J＝[0 -1；1 0]，并设K＝k₃I+k₄J，则有：

由于

若选(R_s+k₁)>0且k₂＞max(ω_eL_d,ω_eL_q)，则(R_s+k₁)I+J(k₂I-ω_eL)正定；再取K_sm＝k_smI，k_sm＞0，则从而有V′＜0，观测器将渐进收敛，证明本实施例的全阶滑模观测器模块的有效性。

如图5所示的全阶滑模观测器模块原理图，输入为电机的定子电压和定子电流，输出为定子磁链，与以往的滑膜观测器不同的是，该观测器的实现并不需要任何转速自适应机制，从而避免了由于转速估计偏差导致的磁链观测误差。通过引入有效磁链概念，也可以间接计算出转速。提出的全阶滑膜观测器能够精确给出转子和定子磁链信息，即使在电机低速运行时，观测器依然有良好的估计性能。

以下对本实施例进行了实验验证，实验条件给定转速1500r/min，负载转矩为0起动，在0.2s时突加转矩1.5N·m，仿真时间为0.4s。图6和图7是传统直接转矩控制下的磁链和转矩波形图，图8和图9是本实施例方法控制下的磁链和转矩波形图，从图7和图9中对比可以看出，基于本实施例的控制方法，可以有效降低转矩脉动和磁链脉动，增强了系统的鲁棒性，提高了系统的稳定性。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (6)

1.基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制系统，其特征是，包括二阶滑模控制器模块、变参数PI调节器模块、dq/αβ模块、SVPWM模块、abc/αβ模块、逆变器模块、速度传感器模块、全阶滑模观测器模块和永磁同步电机；永磁同步电机分别与逆变器模块、abc/αβ模块和速度传感器模块并联连接；逆变器模块依次连接SVPWM模块、dq/αβ模块、二阶滑模控制器模块；abc/αβ模块与全阶滑模观测器模块连接；全阶滑模观测器模块与二阶滑模控制器模块和变参数PI调节器模块并联；速度传感器模块与变参数PI调节器模块连接。

2.如权利要求1所述的基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制系统，其特征是，二阶滑模控制器模块包括转矩磁链控制器和定子磁链控制器。

3.基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、abc/αβ模块通过检测逆变器模块的电压、电流转换成静止坐标系下的电压、电流；

步骤2、全阶滑模观测器模块通过检测静止坐标系下的电压、电流进行估算，得出永磁同步电机的定子磁链、电磁转矩；

步骤3、速度传感器模块检测永磁同步电机的实时转速n；

步骤4、变参数PI调节器模块通过检测转速的差值而输出相应转矩给定值；

步骤5、二阶滑模控制器模块的输入为转矩差值和定子磁链差值，输出为旋转坐标系下的电压

步骤6、dq/αβ模块根据输入的经过旋转变化得到静止坐标系下的

步骤7、SVPWM模块的输入为静止坐标系下的输出为逆变器模块的开关信号；

步骤8、逆变器模块的输入为逆变器的开关信号输出为三相交流电，通过对逆变器开关状态的控制，实现对永磁同步电机转速的控制。

4.如权利要求3所述的基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征是，二阶滑模控制器的设计步骤包括：

dq坐标系下PMSM的数学模型为：

式(1)中：ψ_f为永磁体转子磁链，ω_e为电角速度，R_s为定子电阻，L_s为定子电感，ψ_s＝ψ_d+jψ_q为定子磁链空间矢量，i_s＝i_d+ji_q为定子电流空间矢量，u_s＝u_d+ju_q为定子电压空间矢量；

电磁转矩方程为：

式(2)中，p_n为电机的极对数；

当定子磁链矢量的方向与d轴方向一致时，磁链幅值表达式为：

ψ_s＝∫(u_d-Ri_d)dt (3)

基于二阶滑模的磁链控制器为：

式(4)中：为磁链控制器计算得到的d轴电压分量，u_d为定子电压在d轴的分量；磁链的滑膜面函数其中为定子磁链给定值；且增益K_p和K_i满足式(5)的稳定条件，

K_m为李雅普诺夫稳定性判别系数，C为常数；选取K_p＝100,K_i＝1；

同理，基于二阶滑模的转矩控制器为：

式(6)中，为磁链控制器计算得到的q轴电压分量，u_q为定子电压在q轴的分量，转矩的滑膜面函数其中，为转矩给定值，T_e为实际转矩，且增益K_p和K_i满足式(5)的稳定条件，式(4)和式(6)中的r为0或0.5。

5.如权利要求3所述的基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征是，变参数PI控制器的设计步骤包括：

将常规PI调节器的比例、积分参数K_pp、K_ii由固定值改为转速偏差差e的函数，通过设计合理的函数实时根据e的大小对K_pp、K_ii进行调节；采用改进的正态函数来设计K_pp、K_ii关于转速偏差e的函数方程，为：

其中e＝n^*-n，n^*、n分别为电机转速的设定值和实际值，k₁、k₂为增益系数，一般取为k₁＞0，k₂＞0；取k₁＝0.1，k₂＝5；为均方值系数，取值

6.如权利要求3所述的基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征是，全阶滑模观测器模块的设计步骤包括：

有效定子磁链ψ_a与转子磁链ψ_f的关系为：

ψ_a＝ψ_f+(L_d-L_q)i_d (8)

其中L_d、L_q为d、q轴电感，i_d为定子电流在d轴分量；

有效定子磁链矢量与转子磁链同向，即与旋转坐标系的d轴一致；根据有效磁链的定义式(8)可得：ψ_a＝ψ_s-L_qi_s，其中ψ_s、i_s分别为定子磁链和定子电流，在静止坐标系下可写成：

其中ψ_αa、ψ_βa分别为有效定子磁链在αβ轴的分量，ψ_α、ψ_β分别为定子磁链在αβ轴的分量，i_α、i_β分别为定子电流在在αβ轴的分量；

转子位置角和定子磁链角的估计值和可分别表示为：

式(10)和式(11)中：分别为有效磁链在αβ轴的分量的估计值，分别为定子磁链在αβ轴的分量的估计值；

根据静止坐标系下的电压方程可构建定子磁链全阶滑模观测器为：

式(12)和式(13)中：为电流估计误差，u_α、u_β为定子电压在αβ轴的分量，T为从转子dq坐标系到定子αβ坐标系的变换矩阵，L为电感矩阵，K、K_sm为观测器增益；其中：

式(12)和式(13)共同构成全阶滑模观测器。