專利名稱：基于終端滑模的永磁同步電機直接轉(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直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于電機控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于終端滑模的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩 控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
交流永磁同步電動機(PMSM，Permanent Magnet Synchronous Machine)以結(jié)構(gòu)簡 單、運行可靠、轉(zhuǎn)矩重量比高、損耗小等特點，在高精度和高可靠性要求場合獲得廣泛應(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 中心來進行磁鏈、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，通過檢測 電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比 較所得差值，實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。其具有魯棒性強、轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)速度快、控制結(jié) 構(gòu)簡單等優(yōu)點，它在很大程度上解決了矢量控制中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計算量大、對參數(shù)變化敏感等 問題。但存在磁鏈控制不對稱、轉(zhuǎn)矩脈動大、逆變器開關(guān)頻率不恒定、低速時磁鏈和轉(zhuǎn)矩難 以控制等問題。
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，通過采用 傳感器檢測電機定子電流和電壓，在定子坐標(biāo)系下觀測電機的磁鏈、轉(zhuǎn)矩，并把二者的觀測 值與給定的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進行比較，差值經(jīng)過兩個滯環(huán)比較控制器得到相應(yīng)的控制信號，再 根據(jù)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶康奈恢脧念A(yù)制的開關(guān)狀態(tài)表中選擇相應(yīng)的電壓空間矢量，實現(xiàn)對電 機轉(zhuǎn)矩的控制。為了降低或消除低速時的轉(zhuǎn)矩脈動，提高轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制精度，擴大直接轉(zhuǎn) 矩控制系統(tǒng)的調(diào)速范圍，近些年來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到 矢量控制的水平。而且對于高性能永磁同步電動機的直接轉(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多采用光電編碼器或者 旋轉(zhuǎn)變壓器等機械位置傳感器，這種傳感器的使用不但增加了系統(tǒng)成本，同時也增大了電 機的尺寸和轉(zhuǎn)動慣量，降低了系統(tǒng)可靠性，也限制了傳動系統(tǒng)在一些特殊環(huán)境下的應(yīng)用。為 了解決上述問題，無位置傳感器控制系統(tǒng)成為研究熱點，通過檢測永磁同步電動機定子電 壓、電流等易測量的物理量，進行轉(zhuǎn)子位置信息的計算。
滑模變結(jié)構(gòu)控制因其對系統(tǒng)參數(shù)不確定性和外部擾動具有良好的不變性，在電機 調(diào)速領(lǐng)域已開始廣泛使用，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) 控制通過在滑模中引入非線性項，改善了系統(tǒng)的收斂特性，使得系統(tǒng)狀態(tài)能夠在有限時間 內(nèi)收斂到給定軌跡，具有魯棒性強、可靠性高、動態(tài)響應(yīng)速度快、有限時間收斂、穩(wěn)態(tài)跟蹤精 度高等優(yōu)點。由于在平衡點附近加速收斂，滑動模態(tài)是可設(shè)計的，且與系統(tǒng)的參數(shù)變化及外 部擾動無關(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稱、轉(zhuǎn) 矩脈動大、逆變器開關(guān)頻率不恒定、對系統(tǒng)參數(shù)攝動、外干擾、測量噪聲等魯棒性低，低速時 磁鏈和轉(zhuǎn)矩難以控制的問題，本發(fā)明提供一種基于終端滑模的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制 系統(tǒng)。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下
基于終端滑模的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，包括主電路、信號檢測電路和 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 估計模塊、3/2坐標(biāo)變換模塊和轉(zhuǎn)子位置、速度估計模塊；控制電路通過信號檢測電路檢測 到PMSM模塊的三相定子電流和電壓，經(jīng)過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，然后通過轉(zhuǎn)子位置、速度估計模塊計算電機轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，求得的轉(zhuǎn)子 位置和經(jīng)過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算求得電 機的磁鏈、轉(zhuǎn)矩，并把觀測值和給定的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進行比較，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，通過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 開關(guān)狀態(tài)表中選擇相應(yīng)的電壓空間矢量，產(chǎn)生開關(guān)信號來控制逆變器，實現(xiàn)對永磁同步電 機轉(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，通過滿足滑?？蛇_條件這一前提進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韵到y(tǒng)中的不確定性，降低系統(tǒng)抖 振；終端滑模轉(zhuǎn)速外環(huán)控制器通過對負(fù)載擾動進行自適應(yīng)估計，采用終端滑?？刂撇呗?，在 消除滑?？刂葡到y(tǒng)抖振現(xiàn)象的同時實現(xiàn)轉(zhuǎn)速誤差狀態(tài)變量的有限時間收斂；基于主動控制 方法設(shè)計了轉(zhuǎn)子位置觀測器，取代了傳統(tǒng)的機械式傳感器，簡化了系統(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?？刂撇呗蕴娲鷤鹘y(tǒng)的滯環(huán)比較器，采用自適應(yīng)模糊 控制算法對快速終端滑?？刂撇呗赃M行逼近，不需要知道系統(tǒng)中不確定項的上界，因此對 系統(tǒng)參數(shù)攝動、外干擾、測量噪聲等具有較高的魯棒性，保證了逆變器開關(guān)頻率恒定，減少 開關(guān)損耗并充分利用了功率器件，降低磁鏈和轉(zhuǎn)矩的脈動；
2)本發(fā)明通過在轉(zhuǎn)速環(huán)中采用終端滑?？刂撇呗裕瑢⒖刂撇呗灾械那袚Q項加在終 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)可在有限時間內(nèi)就能收斂至平衡點，且收斂的時 間可通過設(shè)計參數(shù)進行調(diào)節(jié)，具有魯棒性強、可靠性高、動態(tài)響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)跟蹤精度高 的優(yōu)點，有效地改善了系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性；
3)本發(fā)明對負(fù)載擾動進行自適應(yīng)估計，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控制量的平滑無抖振產(chǎn)生的不利影響； 而且不需要已知負(fù)載擾動的界限，使系統(tǒng)不但對負(fù)載擾動具有魯棒性，而且降低了控制器 設(shè)計的限制條件，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)明基于主動控制的方法設(shè)計轉(zhuǎn)子位置觀測器，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速的估4計，取代了傳統(tǒng)的機械式傳感器，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)可靠性；
5)本發(fā)明簡化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)易于實現(xiàn)。


圖1是本發(fā)明基于終端滑模的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理圖。
圖中1、逆變器，2、PMSM模塊，3、信號檢測電路，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 估計模塊，9、3/2坐標(biāo)變換模塊，10、轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速估計模塊，11、主電路。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。
如圖1所示，本發(fā)明基于終端滑模的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)包括主電路 11、控制電路4和信號檢測電路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)矩估計模塊8、3/2坐標(biāo)變換模塊9和轉(zhuǎn)子位置、速度估計模塊10。
本發(fā)明基于終端滑模的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的具體實施步驟如下
1)信號檢測電路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，然后將上述信號送至轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速估計模 塊10和定子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩估計模塊8。
2)轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速估計模塊10采用基于主動控制的轉(zhuǎn)子位置觀測器方法取代傳 統(tǒng)的機械式轉(zhuǎn)子位置檢測傳感器，通過計算得到轉(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)矩估計模塊8。
算法如下
α、β兩相靜止坐標(biāo)系下永磁同步電動機電壓方程為
權(quán)利要求
1.基于終端滑模的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，包括主電路(11)、信號檢測電路 (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)矩估計模塊(8)、3/2坐標(biāo)變換模塊(9)和轉(zhuǎn)子位置、速度 估計模塊(10)；控制電路⑷通過信號檢測電路(3)檢測到PMSM模塊⑵的三相定子電 流和電壓，經(jīng)過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 通過轉(zhuǎn)子位置、速度估計模塊(10)計算電機轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，求得的轉(zhuǎn)子位置和經(jīng)過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算求得電機的磁鏈、轉(zhuǎn) 矩，并把觀測值和給定的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進行比較，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，通過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 開關(guān)狀態(tài)表中選擇相應(yīng)的電壓空間矢量，產(chǎn)生開關(guān)信號來控制逆變器(1)，實現(xiàn)對永磁同步 電機轉(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( 通過對負(fù)載擾動進行自適應(yīng)估計，采用終端滑模控 制策略，在消除滑?？刂葡到y(tǒng)抖振現(xiàn)象的同時實現(xiàn)轉(zhuǎn)速誤差狀態(tài)變量的有限時間收斂，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，通過滿足滑?？蛇_條件這一前提進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?，獲得直接轉(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、速度估計模塊(10)采用基于主動控制方法設(shè)計了轉(zhuǎn)子位置觀測器，通 過設(shè)計觀測器控制策略，得到電機的反電動勢，從而求得轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速的估計值。
全文摘要
基于終端滑模的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)屬于電機控制領(lǐng)域，該系統(tǒng)包括主電路、信號檢測電路、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)矩估計模塊、SVPWM模塊、3/2坐標(biāo)變換模塊和轉(zhuǎn)子位置、速度估計模塊；其采用基于負(fù)載擾動自適應(yīng)估計的終端滑模控制方法實現(xiàn)轉(zhuǎn)速外環(huán)控制器的設(shè)計，輸出為直接轉(zhuǎn)矩控制的給定信號，轉(zhuǎn)矩磁鏈內(nèi)環(huán)控制器采用自適應(yīng)模糊滑?？刂品椒ǎ漭敵鰹閮上囔o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關(guān)器件，實現(xiàn)永磁同步電機的直接轉(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，提高了系統(tǒng)的可靠性和靜動態(tài)品質(zhì)。
文檔編號H02P21/14GK102035456SQ20101058580
公開日2011年4月27日 申請日期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 申請人:長春工業(yè)大學(xué)