一種變負載永磁同步電機調(diào)速的自適應(yīng)滑?？刂品椒?br> 【專利摘要】本發(fā)明公開了一種變負載永磁同步電機調(diào)速的自適應(yīng)滑模控制方法。對給定的永磁同步電機速度參考值，在負載改變的條件下，本發(fā)明對階躍干擾和連續(xù)干擾分別設(shè)計了二階有限時間干擾觀測器，估計和補償負載變化，設(shè)計絕對值分數(shù)階滑模面，提出改進冪次趨近律方法，設(shè)計了連續(xù)滑模控制器。用二階有限時間干擾觀測器和連續(xù)滑模控制器構(gòu)成的自適應(yīng)滑?？刂破鬟M行永磁同步電機的速度調(diào)節(jié)，使其在負載變化后仍能以參考速度運行，極大的減小了負載變化對電機轉(zhuǎn)速的影響。本發(fā)明的方法繼承了滑?？刂屏己玫聂敯粜?，同時拓展二階有限時間干擾觀測器對階躍信號進行觀測，改善了負載變化情況下轉(zhuǎn)速波動，有效提高了永磁同步電機的驅(qū)動能力。
【專利說明】一種變負載永磁同步電機調(diào)速的自適應(yīng)滑?？刂品椒?br>
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于永磁同步電機的轉(zhuǎn)速控制領(lǐng)域，更具體地，涉及一種變負載永磁同步 電機調(diào)速的自適應(yīng)滑模控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]永磁同步電機因其結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便、效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速 性能好等諸多優(yōu)點在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，特別是在電動車輛、航天和電動工具 等方面。轉(zhuǎn)速控制是永磁同步電機應(yīng)用中的重要問題之一。由于在應(yīng)用中，永磁同步電機 常會遇到各種干擾，如負載變化、系統(tǒng)本身的摩擦力和工作溫度等，都會影響永磁同步電機 的性能。因此，永磁同步電機的魯棒控制是一個非常有必要研究的問題。本發(fā)明從永磁同 步電機的速度控制問題出發(fā)，研究在負載變化這種最常見干擾下，電機速度調(diào)節(jié)問題，是符 合電機技術(shù)的應(yīng)用需求和發(fā)展趨勢的。
[0003]近年來，許多學(xué)者在永磁同步電機的滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)方面做 了大量的研究，這些系統(tǒng)都有著非線性、強耦合以及時變性等特點。滑模變結(jié)構(gòu)控制具有良 好的自適應(yīng)性能，在運動控制、機械手等領(lǐng)域都有應(yīng)用。理想滑模狀態(tài)下的變結(jié)構(gòu)控制是 一種自適應(yīng)控制，自適應(yīng)機構(gòu)為控制量表達式中的不連續(xù)控制部分?；ｉ_關(guān)能夠根據(jù)擾 動的情況在滑模平面兩側(cè)高速切換，從而調(diào)節(jié)了控制量的等效平均值，相當于自適應(yīng)地調(diào) 制出等效控制量，使運動點停留在滑模平面上。從這個意義上講，變結(jié)構(gòu)控制屬于自適應(yīng)控 制范疇。但是，由于實際執(zhí)行機構(gòu)的頻帶限制，理想開關(guān)狀態(tài)不可能實現(xiàn)，相反開關(guān)造成的 時間和空間的滯后會使系統(tǒng)容易受到抖振現(xiàn)象的影響。因此，在實際的應(yīng)用中很重要的就 是要消除系統(tǒng)的抖振，所以有些學(xué)者將邊界層法引入傳統(tǒng)的滑?？刂?，在邊界層外采用常 規(guī)的滑模控制，而在邊界層內(nèi)采用基于飽合函數(shù)的連續(xù)反饋控制。飽合函數(shù)法雖然消弱了 抖振，但如果邊界層寬度參數(shù)選擇不當，造成系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差，難以滿足高精度控制的要 求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供一種變負載永磁同步電機速度 控制方法，是基于矢量控制方法，將永磁同步電機按速度、電流解耦成內(nèi)外環(huán)，使用自適應(yīng) 滑?？刂破骺刂朴来磐诫姍C的速度環(huán)，采用PI控制器調(diào)節(jié)永磁同步電機的電流環(huán)，PI控 制器輸出值轉(zhuǎn)換成三相逆變器的輸入信號，從而調(diào)節(jié)永磁同步電機的轉(zhuǎn)速。
[0005] 本發(fā)明一種變負載永磁同步電機調(diào)速的自適應(yīng)滑模控制方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟一、采集永磁同步電機的三相電流ia(t)、ib(t)、i c(t)，并進行Clark變換，將 三相電流轉(zhuǎn)換成為α、β坐標系下的等效電流ia (t)、ie (t);通過位置速度傳感器獲得永 磁同步電機的轉(zhuǎn)子位置Θ (t)，和α、β坐標系下的等效電流I (t)、ie (t)進行Park變 換，獲得永磁同步電機d、q坐標系下的等效電流id⑴和iq(t)，簡稱為d、q軸電流i d⑴和 iq(t)；
[0007] 步驟二、以永磁同步電機實際轉(zhuǎn)速ω⑴，d、q軸電流id(t)和iq⑴為狀態(tài)變量， 獲得永磁同步電機d、q坐標系下的狀態(tài)空間表達式； ^
[0008] 步驟三、令d軸參考電流雜)卻，將永磁同步電機解耦為速度環(huán)和電流環(huán)分別進行 控制，獲得永磁同步電機實際轉(zhuǎn)速ω (t)的二階微分方程；ω (t)的二階微分方程中，記速 度環(huán)負載干擾項為d(t) ; ^
[0009] 步驟四、設(shè)永磁同步電機參考轉(zhuǎn)速wr(t),將永磁同步電機參考轉(zhuǎn)速《r⑴_與實 際轉(zhuǎn)速《(t)的差記為速度調(diào)節(jié)誤ge w(t);結(jié)合步驟三中獲得的永磁同步電機實際轉(zhuǎn)速 c〇(t)的二階微分方程，獲得永磁同步電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)誤差ew(t)的微分方程，并將ew(t)的 微分方程表達為二階積分系統(tǒng)的形式；
[0010] 步驟五、結(jié)合步驟四中獲得的6"0：)的二階積分系統(tǒng)，考慮速度環(huán)負載干擾項d(t) 為典型的階躍信號和連續(xù)信號時，設(shè)計有限時間千擾觀測器Σ，對速度環(huán)負載千擾項d(t) 進行觀測，獲得速度環(huán)負載千擾項d(t)的觀測值4〇 ;
[0011] 步驟六、將步驟四中的永磁同步電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)誤差一"!:）作為滑模面函數(shù)的自變 量，構(gòu)造絕對值分數(shù)階滑模面函數(shù)σ (t);
[0012] 步驟七、依據(jù)步驟六中構(gòu)造的絕對值分數(shù)階滑模面函數(shù)σ (t)，用改進冪次趨近律 的滑模控制器設(shè)計方法，設(shè)計等效控制律Uq (t)和切換控制律Usw (t)，進一步獲得連續(xù)滑模 控制器U(t);
[0013] 步驟八、在連續(xù)滑模控制器u(t)中引入步驟五獲得的速度環(huán)負載千擾項d(t)的 觀測值心0，構(gòu)造永磁同步電機速度環(huán)的自適應(yīng)滑模控制器;
[0014] 步驟九、結(jié)合步驟三中永磁同步電機實際轉(zhuǎn)速ω (t)二階微分方程的建立過程， 獲得永磁同步電機速度環(huán)的自適應(yīng)滑模控制器右@與q軸的參考電流_〖)的關(guān)系，從而獲 得q軸參考電流;以ζ(〇 = 〇，0)作為d、q軸電流的參考值，與d、q軸電流id(t)、iq(t) 比較的差值作為電流環(huán)PI控制器的調(diào)節(jié)變量；
[0015]步驟十、步驟九中的電流環(huán)PI控制器的輸出為d、q軸電壓值ud (t)和uq (t)，對d、 q軸電壓值ud(t)和士⑴進行Park逆變換，轉(zhuǎn)換為α、β軸下的電壓Ua( t)和"⑴，再 通過空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM技術(shù)，產(chǎn)生三相電壓信號控制三相逆變器，從而驅(qū)動永磁同 步電機按參考轉(zhuǎn)速〇 r(t)運行。
[0016]進一步講，所述步驟五具體包括： C〇〇17] 5-1、根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩TL(t)的變化，判斷由負載變化引起的速度環(huán)負載干擾項d(t) 是否為連續(xù)信號；
[0018] 2、當負載干擾項d(t)為連續(xù)信號時，根據(jù)永磁同步電機的參考速度〇r(t)及 導(dǎo)數(shù)?#)，成績'實際速度ω (t)及導(dǎo)數(shù)辦丨)，速度環(huán)自適應(yīng)滑?？刂破靼醛?，設(shè)計負 載干擾項d(t)的二階有限時間干擾觀測器Σι，表達式為：
[0019]

【權(quán)利要求】
1. 一種變負載永磁同步電機調(diào)速的自適應(yīng)滑?？刂品椒?，其特征在于，包括如下步 驟： 步驟一、采集永磁同步電機的三相電流ia(t)、ib(t)、ie(t),并進行Clark變換,將三相 電流轉(zhuǎn)換成為α、β坐標系下的等效電流ia (t)、ie (t);通過位置速度傳感器獲得永磁同 步電機的轉(zhuǎn)子位置Θ (t)，和α、β坐標系下的等效電流ia(t)、ie(t)進行Park變換，獲得 永磁同步電機d、q坐標系下的等效電流i d(t)和iq(t)，簡稱為d、q軸電流id(t)和iq(t); 步驟二、以永磁同步電機實際轉(zhuǎn)速《(t)，d、q軸電流id(t)和iq(t)為狀態(tài)變量，獲得 永磁同步電機d、q坐標系下的狀態(tài)空間表達式； 步驟三、令d軸參考電流<(〇=0,將永磁同步電機解耦為速度環(huán)和電流環(huán)分別進行控 制，獲得永磁同步電機實際轉(zhuǎn)速ω (t)的二階微分方程；ω (t)的二階微分方程中，記速度 環(huán)負載干擾項為d(t); 步驟四、設(shè)永磁同步電機參考轉(zhuǎn)速《Jt)，將永磁同步電機參考轉(zhuǎn)速cojt)與實際轉(zhuǎn) 速ω (t)的差記為速度調(diào)節(jié)誤差~(〇 ;結(jié)合步驟三中獲得的永磁同步電機實際轉(zhuǎn)速ω (t) 的二階微分方程，獲得永磁同步電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)誤差ew(t)的微分方程，并將ew(t)的微分方 程表達為二階積分系統(tǒng)的形式； 步驟五、結(jié)合步驟四中獲得的~(0的二階積分系統(tǒng)，考慮速度環(huán)負載干擾項d(t)為 典型的階躍信號和連續(xù)信號時，設(shè)計有限時間干擾觀測器Σ，對速度環(huán)負載干擾項d(t)進 行觀測，獲得速度環(huán)負載干擾項d(t)的觀測值心… 步驟六、將步驟四中的永磁同步電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)誤差ew (t)作為滑模面函數(shù)的自變量，構(gòu) 造絕對值分數(shù)階滑模面函數(shù)σ (t); 步驟七、依據(jù)步驟六中構(gòu)造的絕對值分數(shù)階滑模面函數(shù)σ (t)，用改進冪次趨近律的滑 模控制器設(shè)計方法，設(shè)計等效控制律U% (t)和切換控制律Usw (t)，進一步獲得連續(xù)滑?？刂?器 U(t); 步驟八、在連續(xù)滑?？刂破鱑(t)中引入步驟五獲得的速度環(huán)負載干擾項d(t)的觀測 值士〇，構(gòu)造永磁同步電機速度環(huán)的自適應(yīng)滑?？刂破鱰>(/); 步驟九、結(jié)合步驟三中永磁同步電機實際轉(zhuǎn)速ω (t)二階微分方程的建立過程，獲得 永磁同步電機速度環(huán)的自適應(yīng)滑?？刂破髋cq軸的參考電流￠(0的關(guān)系，從而獲得q軸 參考電流(>);以C(〇 = 〇，￠(0作為d、q軸電流的參考值，與d、q軸電流id(t)、iq(t)比較 的差值作為電流環(huán)PI控制器的調(diào)節(jié)變量； 步驟十、步驟九中的電流環(huán)PI控制器的輸出為d、q軸電壓值ud (t)和u, (t)，對d、q軸 電壓值ud(t)和uq(t)進行Park逆變換，轉(zhuǎn)換為α、β軸下的電壓ua(t)和11 0(〇,再通過 空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM技術(shù)，產(chǎn)生三相電壓信號控制三相逆變器，從而驅(qū)動永磁同步電 機按參考轉(zhuǎn)速《Jt)運行。
2. 如權(quán)利要求1所述的變負載永磁同步電機調(diào)速的自適應(yīng)滑?？刂品椒?，其中，所述 步驟五具體包括： 5-1、根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩IY(t)的變化，判斷由負載變化引起的速度環(huán)負載干擾項d(t)是否 為連續(xù)信號； 5-2、當負載干擾項d(t)為連續(xù)信號時，根據(jù)永磁同步電機的參考速度cojt)及導(dǎo)數(shù) ?, (0，?,⑴，實際速度ω⑴及導(dǎo)數(shù)郵)，郵)，速度環(huán)自適應(yīng)滑?？刂破魅纾?，設(shè)計負載干擾 項d(t)的二階有限時間干擾觀測器，表達式為：
其中，λ 0、λ " λ 2是二階有限時間干擾觀測器的待設(shè)計參數(shù)，B為等效摩擦系數(shù)，J為 等效轉(zhuǎn)動慣量，kp kp為電流環(huán)ΡΙ控制器比例系數(shù)和積分系數(shù)；Z(l (t)、Zl (t)、z2 (t)是二階 有限時間干擾觀測器的狀態(tài)變量，V〇(t)、Vl(t)是二階有限時間干擾觀測器的輔助變量， χ 2(〇 = ?"(〇 = ?,.(〇-?(〇，t是時間變量；L為李普希茨常數(shù)；Zl(t)在有限時間Tz內(nèi)收斂到負 載干擾項d(t)，Τζ是二階有限時間干擾觀測器的收斂時間，Zl (t)等于心〇 ; 5-3、當負載干擾項d(t)為階躍信號時，如d(t) = L+hsignU-ti)，其中，sign(·) 表示符號函數(shù)，定義為sign(x)=
X為自變量，tp t為時間變量，tp t>0，γ ρ γ2為 幅值系數(shù)，且L，Υ2#〇,
; d(t)不連續(xù)，連續(xù)信號的二階有限時間干 擾觀測器在(KWh和t〉^時間內(nèi)可用，但在整個時間段t>0內(nèi)由于d(t)不連續(xù)，Σι 不適用；設(shè)計階躍信號的二階有限時間觀測器Σ2，數(shù)學(xué)描述為：
其中SjUt)表示連續(xù)信號的二階有限時間干擾觀測器的李普希茲常數(shù)為L，時 間變量為t，P表示以e為底的指數(shù)函數(shù)，這里的e是數(shù)學(xué)常數(shù)，就是自然對數(shù)的底數(shù)，近 似等于 2. 718281828 ; 5-4、設(shè)定有限時間干擾觀測器初值；如果負載按連續(xù)信號變化，采用二階有限時間 干擾觀測器;如果負載按階躍信號變化，采用二階有限時間干擾觀測器Σ2 ;被選用的 二階有限時間干擾觀測器用Σ表示；設(shè)計Σ初值為：zQ(t) = 0, zjt) = 0, z2(t) = 0， v0(t) = 0, vjt) = 0,設(shè)定參數(shù)λ。，λ ρ λ2, L ;獲得永磁同步電機的參考速度c〇r(t) 及導(dǎo)數(shù)夂⑴，?,.(〇,實際速度co(t)及導(dǎo)數(shù)?(〇，刮〇,自適應(yīng)滑?？刂破鬏敵黾?br> 3. 如權(quán)利要求1所述的變負載永磁同步電機調(diào)速的自適應(yīng)滑?？刂品椒?，其中，所述 步驟六具體包括： 6-1、引入連續(xù)函數(shù)IxfsignU)，|x|表示X的絕對值，sign(x)表示X的符號函數(shù)， 〇〈r〈l，來構(gòu)造絕對值分數(shù)階滑模面函數(shù)〇 (t)，滑模面函數(shù)的自變量為速度調(diào)節(jié)誤差~(〇 =〇^(〇-?(〇，絕對值分數(shù)階滑模面函數(shù)設(shè)計為 σ(〇 = < (t) + (t) + c2 |ei( (t)\ signC^ (t))dr 其中，qX), C2>0是滑模面函數(shù)的增益系數(shù),0〈r〈l是分數(shù)階，t|ew(〇「sign(e w(〇)i/r表示速 度調(diào)節(jié)誤差ew(t)的絕對值分數(shù)階積分函數(shù)； 6- 2、計算絕對值分數(shù)階滑模面函數(shù)的導(dǎo)數(shù)；對滑模面函數(shù)〇 (t)直接求導(dǎo)獲得 ?(? = (/) + c^tl, (〇 + c2 |etl, (/)|r sign(e", (/)) 結(jié)合永磁同步電機轉(zhuǎn)速ω (t)的二階微分方程，將上式進一步表達為包含速度環(huán)控制 器的形式；如果連續(xù)滑?？刂破鱑(t)作為速度環(huán)控制器，邱)為 &{t) = c0r{t)-U(t) + f{t) + d{t) + c^,,,(/) + c2|e",sign(e",(〇) 如果自適應(yīng)滑?？刂破鱰>(0作為速度環(huán)控制器，為 沖)=(〇 -1>(，) + /(，) + i/(/) + + c2 卜川(〇「sign(tv(〇) 〇
4. 如權(quán)利要求1所述的變負載永磁同步電機調(diào)速的自適應(yīng)滑?？刂品椒?，步驟七中， 構(gòu)造永磁同步電機速度環(huán)連續(xù)滑?？刂破鱑(t)的具體內(nèi)容如下： 7- 1、連續(xù)滑?？刂破鱑(t)由等效控制律Ue(1(t)和切換控制律Usw(t)構(gòu)成，即U(t)= u eq(t)+usw(t);采用趨近律方法，獲得等效控制律ueq(t)和切換控制律u sw(t);提出的改進 冪次趨近律為 a(t) = -^|c7(〇psigii(〇-(/))-A:2 jjsigniai/))!^：- 7-2、等效控制律Ueq(t)保證當?(〇 = 0時，誤差變量ew停留在滑模面σ (t) =0上，故 私.⑴+ + + 々) + c2|e,,,(〇「sign(e,,,(〇) = 0,等效控制律 Ueq(t)為 Ueq{1) = ?\·(1) +fit)+ d{1) + c^H,(t) + c2|e",(/)|* sign(e".(〇) 7-3、切換控制規(guī)律Usw(t)保證誤差變量ew停留在滑模 面σ (t) = 0附近時，ew向滑模面〇 (t) = 0運動，根據(jù)改進冪 次趨 近律，代入 ％(,)=私.(,) + /(,)+^) + 44(,) + 0^(01^^(4,(,))至 σ(〇 = ?Γ (/) -U(t) + f(t) + d{t) + qe,,, (〇 + <?, \ew (/)|r sign(ew (〇) = -kx |σ(/)|5 sign(<r(〇) - k2 ￡ |sign(cr(〇)|1 d τ 中， 得到切換控制規(guī)律為 =女ι|〇·(,)Γ_η(σ(')) + ir2JJsign(cr('))|, t/r 7- 4、結(jié)合等效控制律U% (t)和切換控制律Usw (t)，獲得連續(xù)滑?？刂破?U(t) = ueq(t)+usw(t) 〇
5.如權(quán)利要求1所述的變負載永磁同步電機調(diào)速的自適應(yīng)滑?？刂品椒?，步驟八中， 構(gòu)造永磁同步電機速度環(huán)自適應(yīng)滑?？刂破饕冤柕木唧w內(nèi)容如下： 8- 1、引入步驟五獲得負載干擾項觀測值辦)，代替步驟七中等效控制律 Mt)包含的速度環(huán)負載干擾項d(t)，獲得自適應(yīng)滑模控制器的等效控制律 Ueq{t) = ar(t) + f(t) + d(t) + + c2\ew(t)\ sign(eM,(i))； 8-2、將自適應(yīng)滑?？刂破鞯牡刃Э刂坡?,(0結(jié)合步驟七中的切換控制律Usw(t)，獲得 永磁同步電機的自適應(yīng)滑?？刂破鱚) = ^(0+ 。
【文檔編號】H02P21/00GK104300863SQ201410564140
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】穆朝絮, 徐偉, 賈宏杰, 孫長銀 申請人:天津大學(xué)