一种永磁同步电机无传感器滑模控制系统及方法与流程

本发明属于电机控制领域，特别涉及一种用于永磁同步电机无传感器控制系统。

背景技术：

随着稀土永磁材料钕铁硼的出现，永磁同步电机在高速发展的电力电子技术、电机控制技术等的支撑下，已经在生产生活中获得广泛应用。永磁同步电机矢量控制系统中电机的转子位置和速度是由传感器获得，而机械传感器的安装则会导致成本大大增加，同时增加电机的占用面积，使用场合受限。因此，无传感器控制技术具有重要的实用价值和现实意义。

在此之前，已经有专家学者对于无传感器控制技术进行了大量的研究，也提出了诸多控制方法。滑模观测器法由于其具有响应速度快，易于实现等优点被广泛研究和应用，但是滑模抖振的存在会影响控制系统性能，甚至可能破坏系统稳定性，损坏控制器。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种永磁同步电机无传感器滑模控制系统及方法，该系统减小电机的占用面积，降低电机运行成本，且有效减小系统抖振，提高系统控制性能，实现永磁同步电机无传感器控制。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种永磁同步电机无传感器滑模控制系统，包括滑模控制器模块、滑模观测器模块、电流控制器模块、帕克逆变换模块、帕克变换模块、克拉克变换模块、空间矢量调制模块、三相逆变器模块和控制对象模块；所述的滑模控制器模块速度控制器的输出端和电流控制器模块的交轴电流控制模块的输入端连接；所述的电流控制器模块的直轴电流控制模块和交轴电流控制模块的输出端与帕克逆变换模块的输入端连接；所述的帕克逆变换模块的输出端与空间矢量调制模块的输入端连接；所述的空间矢量调制模块输出端与三相逆变器模块输入端连接；所述的控制对象模块的永磁同步电机的输入端与三相逆变器模块的输出端连接；所述的克拉克变换模块的输入端与三相逆变器模块输出端连接，克拉克变换模块的输出端与滑模观测器模块的输入端连接，克拉克变换模块的输出端与帕克变换模块的输入端连接；所述的帕克变换模块的输出端与电流控制器模块的直轴电流控制模块与交轴电流控制模块的输入端连接；所述的滑模观测器模块的输出端分别与滑模控制器模块速度控制器和帕克变换模块及帕克逆变换模块的输入端连接。

所述的滑模控制器模块的速度控制器的输入为外界速度给定和来自滑模观测器模块中锁相环模块输出的永磁同步电机转子速度信号；转速误差经过滑模面函数及其趋近律的计算，计算得出的交轴电流给定信号作为速度控制器模块的输出。

所述滑模趋近律为

其中x为系统状态；k＞0,δ＞0,0<λ<1,0<ε<1。

所述的滑模观测器模块包括定子电流误差系统模块、滑模控制律模块和锁相环模块；滑模观测器模块的输入为两相静止坐标系下的永磁同步电机的定子电压和电流，输出两相静止坐标系下的反电动势估算值到锁相环模块，锁相环模块输出永磁同步电机的转子位置和速度估算值。

所述滑模观测器模块的滑模控制律为：

v＝[vαvβ]^t＝[-ksatsα-ksatsβ]^t

式中：k为切换增益，且k>max(|eα|,|eβ|)，sat(s)为幂级数型饱和函数；

定义幂级数型饱和函数：

式中：n为幂级数，δ为边界层。

所述的电流控制器模块包含直轴电流控制模块和交轴电流控制模块；其中直轴电流控制模块的输入是直轴电流给定值0和来自帕克变换模块输出的直轴电流信号；交轴电路控制模块的输入是交轴电流给定和来自帕克变换模块输出的交轴电流信号；直轴电流控制模块和交轴电流控制模块的输出分别是两相旋转坐标系下的永磁同步电机的定子电压给定。

一种永磁同步电机无传感器滑模控制系统的控制方法，包括以下步骤：

电机给定转速n^*与滑模观测器输出的转速估算值作为滑模控制器的输入，经过滑模控制器中滑模面函数的计算，计算结果输入到速度控制模块，速度控制模块输出交轴电流给定值iq^*；交轴电流给定值iq^*、直轴电流给定值id^*＝0、交轴电流iq和直轴电流id作为电流控制器的输入，电流控制器的交轴电流控制模块利用输入的交轴电流给定值iq和交轴电流iq计算出交轴电压给定值uq^*，直轴电流控制模块利用输入的直轴电流给定值id^*＝0和直轴电流id计算出直轴电压给定值ud^*；交轴电压给定值uq^*和直轴电压给定值ud^*输入到帕克逆变换模块，经过帕克逆变换得到两相静止坐标系下的两相电压值uα^*,uβ^*，再经过空间矢量调制模块，获得pwm控制信号；pwm信号和直流母线电压udc输入到三相逆变器，三相逆变器输出三相正弦电压到控制对象模块永磁同步电机；在系统闭环反馈部分，通过测量电机的三相静止电压和电流ua,ub,uc,ia,ib,ic，将三相电压和电流ua,ub,uc,ia,ib,ic输入到克拉克变换模块，将其转换为两相静止坐标系下的两相电压和电流uα,uβ,iα,iβ；两相电压和电流uα,uβ,iα,iβ输入到新型滑模观测器中，经过滑模观测器的估算，为帕克变换及帕克逆变换模块提供转子位置为转速闭环提供转速两相电流iα,iβ输入到帕克变换模块中，将其转换为交直轴电流iq,id输入到电流控制器。

相比现有技术，本发明的优点在于：

本发明公开了一种永磁同步电机无传感器滑模控制系统，提供一种基于新型趋近律的滑模控制器和一种新型滑模观测器，采用新型滑模观测器对永磁同步电机的转子位置和速度进行估算，在转速控制器部分采用基于新型趋近律的滑模控制器。滑模控制具有较好的鲁棒性，且结构简单，易于工程实现。基于新型趋近律的滑模控制器缩短了系统趋近滑模面的时间，提高了系统响应速度和动态性能。同时滑模观测器取代转子位置传感器进行转子位置和速度信号的估算，大大降低了成本，提高了系统稳定性。新型滑模观测器利用一种幂级数型饱和函数取代滑模控制律中的符号函数，有效减小传统滑模观测器中存在的系统抖振。在有效削弱系统抖振现象的同时，在转速控制器中滑模控制部分，采用新型幂次趋近律，提高了系统的趋近速度，使系统响应速度更快，动态性能提升。具体表现为：一、基于新型趋近律的滑模控制器。幂次趋近律在误差大的情况下趋近速度快，但随着误差不断减小，趋近速度变慢，导致系统的响应速度慢。新型趋近律在保证误差大趋近速度快的同时，在误差小时，以接近等速趋近律的趋近速度趋近于滑模面，使系统响应速度变快，动态性能得到提高。二、采用幂级数型饱和函数代替滑模控制律中的符号函数。由于饱和函数在边界层内是连续函数，相比于非线性的符号函数，可以有效减小抖振。同时，幂级数型饱和函数在边界层内曲线更加平滑，通过适当调节边界层大小和幂级数值，可以获得优于初等线性饱和函数的动态性能。

进一步，新型趋近律是以幂次趋近律和等速趋近律为基础，采用一种幂级数型饱和函数代替滑模控制律中的符号函数，从而削弱系统高频抖振，提高滑模观测器的估算精度。解决幂次趋近律在误差小时趋近速度慢和等速趋近律在误差大时趋紧速度慢的问题，从而提高趋近速度，使控制系统的响应速度更快，动态性能更好。

本发明的控制的方法在转速控制器中滑模控制部分，采用新型幂次趋近律，提高了系统的趋近速度，使系统响应速度更快，动态性能提升。整个控制过程降低电机运行成本，且有效减小系统抖振，提高系统控制性能，实现永磁同步电机无传感器控制。

附图说明

图1为永磁同步电机无传感器控制系统的整个系统拓扑图。

图2为滑模控制器的结构，包括滑模面函数模块和速度控制器模块。

图3为新型滑模观测器的结构框图，包括定子电流误差系统模块，滑模控制律模块和锁相环模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

如图1所示，一种永磁同步电机无传感器滑模控制系统，包括滑模控制器模块、滑模观测器模块、电流控制器模块、帕克逆变换模块、帕克变换模块、克拉克变换模块、空间矢量调制模块、三相逆变器模块和控制对象模块。滑模控制器模块速度控制器的输出端和电流控制器模块的交轴电流控制模块的输入端连接；电流控制器模块的直轴电流控制模块和交轴电流控制模块的输出端与帕克逆变换模块的输入端连接；帕克逆变换模块的输出端与空间矢量调制模块的输入端连接；空间矢量调制模块输出端与三相逆变器模块输入端连接；控制对象模块的永磁同步电机的输入端与三相逆变器模块的输出端连接；克拉克变换模块的输入端与三相逆变器模块输出端连接；克拉克变换的输出端与滑模观测器模块的新型滑模观测器模块的输入端连接；克拉克变换的输出端与帕克变换模块的输入端连接；帕克变换模块的输出端与电流控制器模块的直轴电流控制模块与交轴电流控制模块的输入端连接；滑模观测器模块的锁相环模块的输出端分别与滑模控制器模块速度控制器和帕克变换及帕克逆变换模块的输入端连接。

具体控制过程为：电机给定转速n^*与新型滑模观测器输出的转速估算值作为滑模控制器的输入，经过滑模控制器中滑模面函数的计算，计算结果输入到速度控制模块，速度控制模块输出交轴电流给定值iq^*；交轴电流给定值iq^*、直轴电流给定值id^*＝0、交轴电流iq和直轴电流id作为电流控制器的输入，电流控制器的交轴电流控制模块利用输入的交轴电流给定值iq和交轴电流iq计算出交轴电压给定值uq^*，直轴电流控制模块利用输入的直轴电流给定值id^*＝0和直轴电流id计算出直轴电压给定值ud^*；交轴电压给定值uq^*和直轴电压给定值ud^*输入到帕克逆变换模块，经过帕克逆变换得到两相静止坐标系下的两相电压值uα^*,uβ^*，再经过空间矢量调制模块，获得pwm控制信号；pwm信号和直流母线电压udc输入到三相逆变器，三相逆变器输出三相正弦电压到控制对象模块永磁同步电机。而在系统闭环反馈部分，通过测量电机的三相静止电压和电流ua,ub,uc,ia,ib,ic，将三相电压和电流ua,ub,uc,ia,ib,ic输入到克拉克变换模块，将其转换为两相静止坐标系下的两相电压和电流uα,uβ,iα,iβ；两相电压和电流uα,uβ,iα,iβ输入到新型滑模观测器中，经过滑模观测器的估算，为帕克变换及帕克逆变换模块提供转子位置为转速闭环提供转速两相电流iα,iβ输入到帕克变换模块中，将其转换为交直轴电流iq,id输入到电流控制器。

如图2所示，滑模控制器模块速度控制器的输入为外界速度给定和来自滑模观测器模块中锁相环模块输出的永磁同步电机转子速度信号。转速误差经过滑模面函数及其趋近律的计算，计算得出的交轴电流给定信号作为速度控制器模块的输出。电机给定转速n^*与新型滑模观测器输出的转速估算值作为滑模控制器的输入，经过滑模控制器中滑模面函数的计算，计算结果输入到速度控制模块，速度控制模块输出交轴电流给定值iq^*。

选择线性滑模面设计滑模控制器，选择新型趋近律设计滑模控制输出。

设计新型趋近律为：

其中x为系统状态；k＞0,δ＞0,0<λ<1,0<ε<1。

根据新型趋近律的表达式可以推导出在新型趋近律的作用下系统趋近滑模面的时间为：

其中|s|max≥|s|m≥|s|min,

对比在新型趋近律和等速趋近律作用下系统趋近滑模面的时间：

等速趋近律趋近滑模面的时间为

取则新型趋近律趋近滑模面时间简化为则由于是绝对正数，是ε-1负数，则是负数，则t-t1＜0。即新型趋近律趋近滑模面的时间更短。

如图3所示，新型滑模观测器模块包括定子电流误差系统模块、滑模控制律模块和锁相环模块；滑模观测器模块的输入为两相静止坐标系下的永磁同步电机的定子电压和电流，输出两相静止坐标系下的反电动势估算值到锁相环模块，锁相环模块输出永磁同步电机的转子位置和速度估算值。永磁同步电机在两相静止坐标系下的状态方程：

式中：iα,iβ,uα,uβ分别为α,β两相定子电流，电压；rs为定子电阻；ls为定子绕组等效电感；eα,eβ为α,β两相反电动势。

构建永磁同步电机新型滑模观测器：

式中：为α,β轴定子电流估算值；vα,vβ为滑模控制器控制律。

定子电流误差系统：

式中：为电流估算值与实际值的误差。

定义滑模面为：

传统滑模观测器控制律为：

v＝[vαvβ]^t＝[-ksgnsα-ksgnsβ]^t

式中：k为切换增益，且k>max(|eα|,|eβ|)。

新型滑模观测器控制律为：

v＝[vαvβ]^t＝[-ksatsα-ksatsβ]^t

定义幂级数型饱和函数：

式中：n为幂次数，δ为边界层。

根据滑动模态条件可以推导出为α,β两相反电动势估算值。最后利用锁相环技术估算出电机转子位置和速度信息。

上面结合附图对本发明专利进行的描述显然并不能以此限定本发明型实施的范围，凡依本发明专利要求说明书内容所做的简单的变换，皆应属于本发明的保护范围。