专利名称：基于终端滑模的永磁同步电机直接转矩控制系统的制作方法
基于终端滑模的永磁同步电机直接转矩控制系统技术领域
本发明属于电机控制技术领域，涉及一种基于终端滑模的永磁同步电机直接转矩 控制系统。
背景技术：
交流永磁同步电动机(PMSM，Permanent Magnet Synchronous Machine)以结构简 单、运行可靠、转矩重量比高、损耗小等特点，在高精度和高可靠性要求场合获得广泛应用， 如工业、民用、军事等领域。直接转矩控制系统(DTC，Direct Torque Control)是以转矩为 中心来进行磁链、转矩的综合控制。与矢量控制不同，直接转矩控制不需要解耦，通过检测 电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比 较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。其具有鲁棒性强、转矩动态响应速度快、控制结 构简单等优点，它在很大程度上解决了矢量控制中结构复杂、计算量大、对参数变化敏感等 问题。但存在磁链控制不对称、转矩脉动大、逆变器开关频率不恒定、低速时磁链和转矩难 以控制等问题。
传统的直接转矩控制技术采用了定子磁链定向和空间电压矢量的思想，通过采用 传感器检测电机定子电流和电压，在定子坐标系下观测电机的磁链、转矩，并把二者的观测 值与给定的磁链和转矩进行比较，差值经过两个滞环比较控制器得到相应的控制信号，再 根据当前定子磁链矢量的位置从预制的开关状态表中选择相应的电压空间矢量，实现对电 机转矩的控制。为了降低或消除低速时的转矩脉动，提高转速、转矩控制精度，扩大直接转 矩控制系统的调速范围，近些年来提出了许多新型的直接转矩控制系统。虽然这些新型直 接转矩控制技术在不同程度上改善了调速系统的低速性能，但是其低速性能还是不能达到 矢量控制的水平。而且对于高性能永磁同步电动机的直接转矩控制系统，需要准确获取转 子位置信息，产生所需要的电磁转矩。传统转子位置和速度的检测多采用光电编码器或者 旋转变压器等机械位置传感器，这种传感器的使用不但增加了系统成本，同时也增大了电 机的尺寸和转动惯量，降低了系统可靠性，也限制了传动系统在一些特殊环境下的应用。为 了解决上述问题，无位置传感器控制系统成为研究热点，通过检测永磁同步电动机定子电 压、电流等易测量的物理量，进行转子位置信息的计算。
滑模变结构控制因其对系统参数不确定性和外部扰动具有良好的不变性，在电机 调速领域已开始广泛使用，传统线性滑模变结构控制，系统状态与给定轨迹之间的偏差渐 近收敛。终端滑模变结构控制由Zak于1998年提出的，与线性滑模相比，终端滑模变结构 控制通过在滑模中引入非线性项，改善了系统的收敛特性，使得系统状态能够在有限时间 内收敛到给定轨迹，具有鲁棒性强、可靠性高、动态响应速度快、有限时间收敛、稳态跟踪精 度高等优点。由于在平衡点附近加速收敛，滑动模态是可设计的，且与系统的参数变化及外 部扰动无关，因此终端滑模理论特别适用于高精度的控制，并且在实际工程中逐渐得到了 推广和应用。发明内容
为了解决永磁同步电机直接转矩控制系统现有技术所存在的磁链控制不对称、转 矩脉动大、逆变器开关频率不恒定、对系统参数摄动、外干扰、测量噪声等鲁棒性低，低速时 磁链和转矩难以控制的问题，本发明提供一种基于终端滑模的永磁同步电机直接转矩控制 系统。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下
基于终端滑模的永磁同步电机直接转矩控制系统，包括主电路、信号检测电路和 控制电路，其特征在于，所述主电路包括逆变器和PMSM模块，所述控制电路包括终端滑模 转速外环控制器、自适应模糊滑模转矩、磁链内环控制器、SVPWM模块、定子磁链、电磁转矩 估计模块、3/2坐标变换模块和转子位置、速度估计模块；控制电路通过信号检测电路检测 到PMSM模块的三相定子电流和电压，经过3/2坐标变换模块得到的两相静止交流坐标系下 的电压和电流值，然后通过转子位置、速度估计模块计算电机转子位置和转速，求得的转子 位置和经过3/2坐标变换模块得到的两相静止交流坐标系下的电压和电流值计算求得电 机的磁链、转矩，并把观测值和给定的磁链和转矩进行比较，给定的转矩值由终端滑模转速 外环控制器求得，差值经过自适应模糊滑模转矩、磁链内环控制器得到相应的两相静止交 流坐标系上的电压控制信号，通过SVPWM模块综合当前定子磁链矢量的位置从预制优化的 开关状态表中选择相应的电压空间矢量，产生开关信号来控制逆变器，实现对永磁同步电 机转矩的直接控制。
本发明控制系统的自适应模糊滑模转矩、磁链内环控制器分别采用了自适应模糊 终端滑模和自适应模糊线性滑模，通过满足滑模可达条件这一前提进行在线修正模糊控制 器参数，利用模糊控制器的输出逼近滑模控制策略，以消除系统中的不确定性，降低系统抖 振；终端滑模转速外环控制器通过对负载扰动进行自适应估计，采用终端滑模控制策略，在 消除滑模控制系统抖振现象的同时实现转速误差状态变量的有限时间收敛；基于主动控制 方法设计了转子位置观测器，取代了传统的机械式传感器，简化了系统结构。
本发明的有益效果如下
1)本发明采用自适应模糊滑模控制策略替代传统的滞环比较器，采用自适应模糊 控制算法对快速终端滑模控制策略进行逼近，不需要知道系统中不确定项的上界，因此对 系统参数摄动、外干扰、测量噪声等具有较高的鲁棒性，保证了逆变器开关频率恒定，减少 开关损耗并充分利用了功率器件，降低磁链和转矩的脉动；
2)本发明通过在转速环中采用终端滑模控制策略，将控制策略中的切换项加在终 端滑模控制策略的导数上，有效的降低了滑模变结构控制中存在的抖振问题，提高了系统 的控制精度，使得转速差作为系统的状态可在有限时间内就能收敛至平衡点，且收敛的时 间可通过设计参数进行调节，具有鲁棒性强、可靠性高、动态响应速度快、稳态跟踪精度高 的优点，有效地改善了系统的动、静态特性；
3)本发明对负载扰动进行自适应估计，减小了滑模变结构控制中的切换函数增 益，解决了原有的控制策略中由于大的切换增益对控制量的平滑无抖振产生的不利影响； 而且不需要已知负载扰动的界限，使系统不但对负载扰动具有鲁棒性，而且降低了控制器 设计的限制条件，抑制了滑模变结构控制中存在的抖振现象；
4)本发明基于主动控制的方法设计转子位置观测器，实现转子位置与转速的估4计，取代了传统的机械式传感器，降低了系统成本，提高了系统可靠性；
5)本发明简化了控制系统结构，使系统易于实现。
图1是本发明基于终端滑模的永磁同步电机直接转矩控制系统的原理图。
图中1、逆变器，2、PMSM模块，3、信号检测电路，4、控制电路，5、终端滑模转速外 环控制器，6、自适应模糊滑模转矩、磁链内环控制器，7、SVPWM模块，8、定子磁链、电磁转矩 估计模块，9、3/2坐标变换模块，10、转子位置、转速估计模块，11、主电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明基于终端滑模的永磁同步电机直接转矩控制系统包括主电路 11、控制电路4和信号检测电路3，其中主电路11包括逆变器1和PMSM模块2 ；控制电路4 包括终端滑模转速外环控制器5、自适应模糊滑模转矩、磁链内环控制器6、SVPWM模块7、定 子磁链、电磁转矩估计模块8、3/2坐标变换模块9和转子位置、速度估计模块10。
本发明基于终端滑模的永磁同步电机直接转矩控制系统的具体实施步骤如下
1)信号检测电路3将PMSM模块2的定子绕组电压ua、ub、Uc和定子绕组电流ia、 ib、i。输入到控制电路4中的3/2坐标变换模块9，经3/2坐标变换得到α-β两相静止坐 标系下的电流分量ia、ie和电压分量ua、U0，然后将上述信号送至转子位置、转速估计模 块10和定子磁链、电磁转矩估计模块8。
2)转子位置、转速估计模块10采用基于主动控制的转子位置观测器方法取代传 统的机械式转子位置检测传感器，通过计算得到转子位置和转速，然后分别将转速和转子 位置送给终端滑模转速外环控制器5和定子磁链、电磁转矩估计模块8。
算法如下
α、β两相静止坐标系下永磁同步电动机电压方程为
权利要求
1.基于终端滑模的永磁同步电机直接转矩控制系统，包括主电路(11)、信号检测电路 (3)和控制电路，其特征在于，所述主电路(11)包括逆变器(1)和PMSM模块O)，所述控 制电路(4)包括终端滑模转速外环控制器( 、自适应模糊滑模转矩、磁链内环控制器(6)、 SVPWM模块(7)、定子磁链、电磁转矩估计模块(8)、3/2坐标变换模块(9)和转子位置、速度 估计模块(10)；控制电路⑷通过信号检测电路(3)检测到PMSM模块⑵的三相定子电 流和电压，经过3/2坐标变换模块(9)得到的两相静止交流坐标系下的电压和电流值，然后 通过转子位置、速度估计模块(10)计算电机转子位置和转速，求得的转子位置和经过3/2 坐标变换模块(9)得到的两相静止交流坐标系下的电压和电流值计算求得电机的磁链、转 矩，并把观测值和给定的磁链和转矩进行比较，给定的转矩值由终端滑模转速外环控制器 (5)求得，差值经过自适应模糊滑模转矩、磁链内环控制器(6)得到相应的两相静止交流坐 标系上的电压控制信号，通过SVPWM模块(7)综合当前定子磁链矢量的位置从预制优化的 开关状态表中选择相应的电压空间矢量，产生开关信号来控制逆变器(1)，实现对永磁同步 电机转矩的直接控制。
2.如权利要求1所述的基于终端滑模的永磁同步电机直接转矩控制系统，其特征在 于，所述终端滑模转速外环控制器( 通过对负载扰动进行自适应估计，采用终端滑模控 制策略，在消除滑模控制系统抖振现象的同时实现转速误差状态变量的有限时间收敛，从 而获得系统所需的设定转矩。
3.如权利要求1所述的基于终端滑模的永磁同步电机直接转矩控制系统，其特征在 于，所述自适应模糊滑模转矩、磁链内环控制器(6)采用了自适应模糊终端滑模和自适应 模糊线性滑模，通过满足滑模可达条件这一前提进行在线修正模糊控制器参数，利用模糊 控制器的输出逼近滑模控制策略，获得直接转矩控制所需的两相静止交流坐标系下的电压 值。
4.如权利要求1所述的基于终端滑模的永磁同步电机直接转矩控制系统，其特征在 于，所述转子位置、速度估计模块(10)采用基于主动控制方法设计了转子位置观测器，通 过设计观测器控制策略，得到电机的反电动势，从而求得转子位置与转速的估计值。
全文摘要
基于终端滑模的永磁同步电机直接转矩控制系统属于电机控制领域，该系统包括主电路、信号检测电路、终端滑模转速外环控制器、自适应模糊滑模转矩磁链内环控制器、定子磁链电磁转矩估计模块、SVPWM模块、3/2坐标变换模块和转子位置、速度估计模块；其采用基于负载扰动自适应估计的终端滑模控制方法实现转速外环控制器的设计，输出为直接转矩控制的给定信号，转矩磁链内环控制器采用自适应模糊滑模控制方法，其输出为两相静止坐标系上的两相交流电压，经SVPWM变换，作用在主电路逆变器上的功率开关器件，实现永磁同步电机的直接转矩控制。本发明具有转矩响应速度快、鲁棒性好和跟踪误差小的优点，提高了系统的可靠性和静动态品质。
文档编号H02P21/14GK102035456SQ20101058580
公开日2011年4月27日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者卢秀和, 孙颖, 张袅娜, 杨宏韬, 王冬梅 申请人:长春工业大学