本发明涉及油田设备应用技术领域，具体涉及一种开关磁阻电机分数阶滑模控制器的设计方法及控制系统。
背景技术：
随着老油井逐渐步入贫油期，新油井在尚未正式投产之前需要进行试油试采工作，以探明区域工业性油气流储量。试油试采工作周期一般不长，车载试油试采举升设备可以满足在不同油井间快速移动，并且能够适应不同油井特殊的地形位置特点。
现在技术采用的是将变频器加异步电机组成变频调速系统应用于车载试油试采设备上代替原有的柴油发电机，作为车载试油试采举升设备的驱动力。如图1应用于车载试油试采举升设备变频调速系统总体设计方案图所示，pc计算机和plc控制器通过以太网进行网络通信，使用梯形图对系统编写程序。通过程序中对系统设定的速度曲线，plc控制器对变频器powerflex40的输出频率进行控制，完成正反向加速、匀速、减速运动。通过powerflex40变频器对三相异步电机进行变频控制，异步电动机经过减速器带动滚筒拖动有杆泵进行上下往复运动，完成试油试采工作。同时在异步电动机连接的同轴减速器上外接旋转编码器，用于把异步电动机输出脉冲累加值反馈给plc系统中的高速计数器模块，经程序换算单位，把反馈的脉动电信号换算成实际输出频率值，与预设定的频率值进行比较，其偏差作为控制量，加入模糊pid控制算法，实现系统的智能控制算法。但现有技术存在以下缺点：
1.传统滑模控制是通过设计系统切换面和控制量，通过不间断地来回切换控制量，使得系统被约束在切换面上，系统的状态变量会自动地滑到系统相对稳定的原点，其在切换流面存在抖震问题。
2.车载试油试采举升设备电机驱动需要频繁的起、制动和正反转，导致变频调速系统的绕组电流较大，造成异步电机发热严重，导致电机容易损坏；
3.变频调速的主功率变换电路存在桥臂直通短路的威胁；
4.变频调速开关频率高，功耗高，从而增加了igbt的热冲力老化，增加了电解电容高频损耗电流，导致igbt的使用寿命减少。
5.变频调速系统中异步电机转子由鼠笼条，机械强度低，可靠性不高；
6.在变频调速系统中，当电动机或控制器的某一相出现故障时，电动机不能工作。
随着新能源节能环保概念的不断推广，对车载试油试采设备进行节能改造有重要意义，采用电机直接驱动控制代替柴油和天然气发动机驱动的传统模式，改变车载试油试采设备的动力驱动方式，提高试油试采工作效率，既有利于降低在边远油井进行作业的能源消耗，又可以达到保护环境的目的。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种开关磁阻电机分数阶滑模控制器的设计方法和一种开关磁阻电机控制系统。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种开关磁阻电机分数阶滑模控制器的设计方法，包括以下步骤：
s1、基于开关磁阻电机的机电联系方程，建立开关磁阻电机模型；
s2、基于开关磁阻电机模型进行切换流形面设计；
s3、利用lyapunov函数验证分数阶滑模控制器的稳定性，并以此设计满足逼近条件的分数阶滑模控制器的控制律；
s4、对分数阶滑模控制器的控制律中的参数进行整定；
s5、利用模糊推理算法对分数阶滑模控制开关增益εs进行整定。
具体地，步骤s1的具体过程为：
s11、开关磁阻电机的机电联系方程为：
s12、对开关磁阻电机的机电联系方程进行变换得：
令
s13、引入开关磁阻电机设定转速
s14、建立开关磁阻电机模型为：
具体地，步骤s2的具体过程为：
s21、基于开关磁阻电机模型建立切换流形面方程为：
s22、对切换流形面求导可得：
s23、系统进入滑模态，即
s24、根据分数阶稳定性理论，保证
具体地，步骤s3的具体过程为：
s31、分数阶滑模控制器的控制律的开关函数为：
s32、利用lyapunov函数来验证分数阶滑模控制器的稳定性，必须保证开关磁阻电机控制系统在任意初始状态都能达到滑模态；
所述lyapunov函数为：
对其求导可得：
判断
令
将式子(10)带入式子(9)得：
由此得出，分数阶滑模控制开关增益εs＞|δ(t)|，则
s33、根据开关磁阻电机模型和分数阶滑模控制开关增益εs计算分数阶滑模控制器输出：
由(5)式和(10)式可得分数阶滑模控制器的输出为：
具体地，步骤s4的具体过程为：
s41、当扰动误差δ(t)＝0，则分数阶滑模控制器的输出等效为分数阶pdr控制器；
理想状态下，等效分数阶pdr控制器控制律简化为：
s42、分数阶滑模控制三个参数通过如下三条整定规则进行整定：
(1)相角裕度准则：
(2)穿越频率准则：|g(jωc)db＝1；
(3)增益变化鲁棒性准则：
s43、基于kp、ki和r的非线性关系，借助matlab画图，求出待整定的三个参数，从而确定分数阶滑模控制器的输出。
具体地，步骤s5的具体过程为：
s51、模糊推理算法的输入为
s52、隶属度函数uj(s)为三角形，设计以下的模糊规则：
r1：
r2：
r3：
r4：
r5：
s53、模糊输出dε，使用如下重心法进行解模糊计算：
s54、采用如下积分法，估计确定分数阶滑模开关增益
一种开关磁阻电机控制系统，包括：基于所述设计方法而设计的分数阶滑模控制器，开关磁阻电机、控制面板，以及均连接至所述分数阶滑模控制器和开关磁阻电机的功率变换电路、电流检测电路和位置检测电路；所述控制面板用于设定所述开关磁阻电机转速并显示其状态信息，所述电流检测电路，用于检测所述开关磁阻电机电流；所述位置检测电路，用于检测电机转子位置，所述分数阶滑模控制器获取所述电机转子位置得到开关磁阻电机转速；所述分数阶滑模控制器通过所述开关磁阻电机的实测电流、实测转速和设定转速，利用分数阶滑模控制方法调节所述功率变换电路，控制所述开关磁阻电机运行。
进一步，所述电流检测电路，还连接有用于过电流检测的硬件过流保护电路。进一步，所述分数阶滑模控制器还连接有输出信号驱动电路，用于所述分数阶滑模控制器输出信号对所述功率变换电路进行调节。
进一步，所述输出信号驱动电路包括电平变换电路、逻辑综合电路和输出驱动电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、通过利用分数阶多一个阶次r自由度，缓慢传递能量的特性，减弱传统滑模控制在切换流面存在的抖震问题，同时能使系统对参数变化和外部扰动的强鲁棒性，在电机低速运行时，能有效地减弱转距脉动，减弱开关磁阻电机的噪音；
2、利用开关磁阻电机自身结构简单的特点，定子上有集中绕组、转子是硅钢片叠加而成、没有绕组和鼠笼条、机械强度高、可靠性高的特点，解决变频调速异步电机转子上有鼠笼条，机械强度低，可靠性不高的问题；
3、通过利用开关磁阻电机可以频繁正反转，结构简单、不易损坏的特点，能够忍受长期试油试采举升装置频繁正反转对电机的强冲击；
4、开关磁阻电机或者控制器的某一相出现故障，开关磁阻电机仍能运行；
5、通过开关磁阻电机的功率变换电路开关器件和绕组串联，不会出现直通故障，可靠性高于变频器的三相桥式电路，使车载试油试采举升设备可以长期稳定地运行发挥作用。
附图说明：
图1为本发明的开关磁阻电机分数阶滑模控制器的设计方法流程图。
图2为本发明的开关磁阻电机控制系统的系统框图。
图3为本发明的开关磁阻电机控制系统的电流检测电路图。
图4为本发明的开关磁阻电机控制系统的硬件过流保护电路图。
图5为本发明的开关磁阻电机控制系统的位置检测电路图。
图6为本发明的开关磁阻电机控制系统的电平转换电路图。
图7为本发明的开关磁阻电机控制系统的逻辑综合电路图。
图8为本发明的开关磁阻电机控制系统的输出驱动电路图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
一种开关磁阻电机分数阶滑模控制器的设计方法，包括以下步骤：
s1、基于开关磁阻电机的机电联系方程，建立开关磁阻电机模型；
s11、开关磁阻电机的机电联系方程为：
s12、对开关磁阻电机的机电联系方程进行变换得：
令
s13、引入开关磁阻电机设定转速
s14、建立开关磁阻电机模型为：
s2、基于开关磁阻电机模型进行切换流形面设计；
s21、基于开关磁阻电机模型建立切换流形面方程为：
s22、对切换流形面求导可得：
系统在滑模面上运动，当系统进入滑动模态后，开始滑模运动，需保证系统在分数阶积分滑模面上的运动是渐进稳定的；
s23、系统进入滑模态，即
s24、根据分数阶稳定性理论，保证
s3、利用lyapunov函数验证分数阶滑模控制器的稳定性，并以此设计满足逼近条件的分数阶滑模控制器的控制律；
s31、分数阶滑模控制器的控制律的开关函数为：
(8)，通过利用分数阶导数的滤波特性抑制开关函数高频切换造成的抖震问题；
s32、利用lyapunov函数来验证分数阶滑模控制器的稳定性，必须保证开关磁阻电机控制系统在任意初始状态都能达到滑模态；
所述lyapunov函数为：
对其求导可得：
判断
令
将式子(10)带入式子(9)得：
由此得出，分数阶滑模控制开关增益εs＞|δ(t)|，则
s33、根据开关磁阻电机模型和分数阶滑模控制开关增益εs计算分数阶滑模控制器的输出：
由(5)式和(10)式可得分数阶滑模控制器的输出为：
s4、对分数阶滑模控制器输出中的参数进行整定
s41、当扰动误差δ(t)＝0，则分数阶滑模控制器的输出等效为分数阶pdr控制器；
理想状态下，等效分数阶pdr控制器控制律简化为：
s42、分数阶滑模控制三个参数通过如下三条整定规则进行整定：
(1)相角裕度准则：
(2)穿越频率准则：|g(jωc)|db＝1；
(3)增益变化鲁棒性准则：
s43、基于kp、ki和r的非线性关系，借助matlab画图，求出待整定的三个参数，从而确定分数阶滑模控制器的输出；
s5、利用模糊推理算法对分数阶滑模控制开关增益εs进行整定
分数阶滑模控制开关增益εs影响系统的控制性能，如果εs太大，则系统存在比较大的抖震；反之，系统对于扰动变化的鲁棒性降低。本发明采用一种简单的模糊推理算法对分数阶滑模控制开关增益εs进行整定，以使分数阶滑模更好地应用于车载试油试采举升装置系统；
s51、模糊推理算法的输入为
s52、隶属度函数uj(s)为三角形，设计以下的模糊规则：
r1：
r2：
r3：
r4：
r5：
s53、模糊输出dε，使用如下重心法进行解模糊计算：
s54、采用如下积分法，估计确定分数阶滑模开关增益
如图2所示，本发明还提供开关磁阻电机控制系统，包括：基于所述设计方法而设计的分数阶滑模控制器，开关磁阻电机、控制面板，以及均连接至所述分数阶滑模控制器和开关磁阻电机的功率变换电路、电流检测电路和位置检测电路；所述控制面板用于设定所述开关磁阻电机转速并显示其状态信息，所述电流检测电路，用于检测所述开关磁阻电机电流；所述位置检测电路，用于检测电机转子位置，所述分数阶滑模控制器获取所述电机转子位置得到开关磁阻电机转速；所述分数阶滑模控制器通过所述开关磁阻电机的实测电流、实测转速和设定转速，利用分数阶滑模控制方法调节所述功率变换电路，控制所述开关磁阻电机运行。
本实施例优选地，所述分数阶滑模控制器，为st公司的stm32f103控制芯片，该stm32f103控制芯片采用基于arm内核的32位mcu系列，其内核为arm公司为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的cortex-m内核。所述分数阶滑模控制器，还用于存储车载试油试采举升装置转距曲线和转速曲线数据，并完成相关数据计算；所述相关数据至少包括如：电机的电流、电压、有杆泵速度信息，产生控制开关磁阻电机电压、电流、转距以及开通角θon和关断角θoff的驱动信号。
所述开关磁阻电机srm采用三相6/4极开关磁阻电机，其额定功率为55kw，额定转距为525n·m，额定电流121a，额定效率为93.1％，额定转速为50-1500r/min，转动惯量为0.557kg·m2。其具体地工作过程为：在有杆泵处于上冲次阶段时，所述分数阶滑模控制器控制开关磁阻电机工作在电动状态，为车载试油试采举升装置提供动能；在有杆泵处于下冲次阶段时，所述分数阶滑模控制器控制开关磁阻电机处于制动状态，将有杆泵上升的使能转化成电能回馈到母线。
优选地，所述功率变换电路为不对称半桥功率变换电路，采用ff150r12r74igbt作为所述功率变换电路开关器件。
优选地，所述控制面板采用epm7064aetc44作为控制核心，采用icm7228a作为数码管的驱动芯片。
本发明实施例的工作原理工程为：从所述分数阶滑模控制器发出的pwm信号驱动功率变换电路igbt开关器件的导通和关闭，以此控制所述开关磁阻电机的电流和转速；所述电流检测电路检测到的所述开关磁阻电机相绕组的电流信号输入到所述分数阶滑模控制器的adc模块；同时，所述位置检测电路检测到的开关磁阻电机转子位置信号反馈给所述分数阶滑模控制器的捕获单元计算电机转速；电机转速和故障的信息可以通过spi和/或sci通信接口传输到控制面板上显示出来。
所述电流检测电路，采用霍尔电流检测器，其包括依次连接的信号转换电路，低通滤波电路，信号隔离器和滤波电路；具体地，如图3所示，三相检测电流isa、isb、isc先经过电阻r19、r27和r34组成的信号转换电路转换成所述分数阶滑模控制器芯片stm32f103可以检测的电压信号；然后经过电阻r41和电容c17、电阻r42和电容c18、电阻r43和电容c19组成的低通滤波电路，滤除电流信号中的高频干扰信号；之后通过电压跟随器lm224进行隔离，以防止后续信号对待检测电压信号的干扰；最后经电阻r20和电容c9、电阻r28和电容c11、电阻r35和电容c14组成的滤波电路后输入stm32f103的adc转换模块，完成对开关磁阻电机绕组的电流检测。所述分数阶滑模控制器还设置有电流限幅调节功能，采用电流斩波ccc，固定θon和θoff不变，使相电流在导通角内多次换相，通过给定的容许电流上限幅和下限幅来控制相电流保持在期望值。若电流超过电流上限幅值，该相主开关器件关断，迫使电流下降；若电流衰减到电流下限幅值，主开关器件导通，电流又开始回升。
如图4所示，所述电流检测电路，还连接有用于过电流检测的硬件过流保护电路；具体地，以a相为例，a相电流信号isa经所述电流检测电路检测的电流经过电阻r13转换成电压信号，再经过电阻r18和电容c7对转换后的电压信号进行滤波，之后输入到比较器lm339的负端，与设定好的电压进行比较，实现过电流检测。
如图5所示，所述位置检测电路，包括依次连接的滤波电路、施密特触发器模块、分压电路和电压变换器；具体地，以a相为例，a相位置信号先经过电阻r104、电阻r107和电容c60的滤波电路，滤除干扰信号；然后位置信号经6相施密特触发器cd40106整形输出，再经电阻r97和电阻r99组成的分压电路进行限幅后输入变换器cd4049，该变换器用于将+15v信号变换成+5v信号；所述变换器cd4049的输出传给stm32f103芯片内部，经三相位置信号异或运算得到相绕组导通信号，以控制功率变换电路igbt开关的通断。
所述分数阶滑模控制器还连接有输出信号驱动电路，用于所述分数阶滑模控制器输出信号对所述功率变换电路进行调节；如图6-8所示，所述输出信号驱动电路包括电平变换电路、逻辑综合电路和输出驱动电路，具体地，三相pwm输出信号pwm-au、pwm-ad、pwm-bu、pwm-bd、pwm-cu、pwm-cd先经过所述电平转换电路，pwm三相输出经施密特触发器cd40106反向整形后输出pa-upfront、pa-downfront、pb-upfront、pb-downfront、pc-upfront、pc-downfront，将信号送到逻辑综合电路处理；所述逻辑综合电路将三相pwm整形输出后的信号和电流保护反馈信号经运算芯片cd4081作与运算，并传递到输出驱动电路；经所述逻辑综合电路后输出的pa-uplast、pa-downlast、pb-uplast、pb-downlast、pc-uplast、pc-downlast这6路信号，反向串联2v稳压二极管进行稳压，防止所述功率变换电路igbt驱动信号对分数阶滑模控制器的冲击，而后经uln2003双列16脚封装的晶体管阵列驱动电路进行信号放大，输出到所述分数阶滑模控制器stm32f103芯片的外围接口，va-up作为a相上桥igbt驱动信号，va-down作为a相下桥igbt驱动信号，其余两相与a相相似。+15v串接r52和ua1发光二极管，当va-up输出低电平时，二极管发光，a相上桥igbt驱动信号输出，其余各相驱动信号检测类似。
本实施例的开关磁阻电机控制系统具有以下优点：
1、通过利用分数阶多一个阶次r自由度，缓慢传递能量的特性，减弱传统滑模控制在切换流面存在的抖震问题，同时能使系统对参数变化和外部扰动的强鲁棒性，在电机低速运行时，能有效地减弱转距脉动，减弱开关磁阻电机的噪音；
2、利用开关磁阻电机自身结构简单的特点，定子上有集中绕组、转子是硅钢片叠加而成、没有绕组和鼠笼条、机械强度高、可靠性高的特点，解决变频调速异步电机转子上有鼠笼条，机械强度低，可靠性不高的问题；
3、通过利用开关磁阻电机可以频繁正反转，结构简单、不易损坏的特点，能够忍受长期试油试采举升装置频繁正反转对电机的强冲击；
4、开关磁阻电机或者控制器的某一相出现故障，开关磁阻电机仍能运行；
5、通过开关磁阻电机的功率变换电路开关器件和绕组串联，不会出现直通故障，可靠性高于变频器的三相桥式电路，使车载试油试采举升设备可以长期稳定地运行发挥作用。