基于扰动观测器的永磁同步电机电流环滑模控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种基于扰动观测器的永磁同步电机电流环 滑模控制系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 永磁同步电机是近几年发展起来的一种新型的电机，具有转子转动惯量小、效率 高、功率密度大、可靠性高的优点，因此十分适合应用于高性能伺服系统中，例如在数控机 床等场合，永磁同步电动机正在逐步取代直流电机和感应电机。同时由于永磁同步电机无 需激磁绕组，明显地减小了体积，减轻了重量，降低了损耗，避免了电机发热，提高了效率和 功率因数，因此在未来永磁同步电机的应用会越来越广泛。
[0003] 滑模变结构的控制方法适合于参数不确定的非线性系统。通过控制策略让控制量 不断切换，即系统的结构不停的变化，有目标地强迫系统进入预先设定的滑模面滑动。系统 进入滑模状态后，系统的稳定性与动态品质仅取决于滑模面及滑模面的参数。由于滑动模 态是可以设计的，且与系统参数变化及外部扰动无关，因此鲁棒性强、可靠性高。因此近年 来滑模变结构的控制方法越来越受到控制界的重视。但是滑模变结构控制方法的鲁棒性也 是有限制的，当外界干扰和系统参数变化较大时，滑模变结构控制的鲁棒性就会减弱，无法 抑制系统参数和外界干扰，因此为了进一步提高系统的鲁棒性，许多学者就引进了扰动观 测器，通过设计扰动观测器来估计这些不确定量，补偿系统的误差，从而在提高系统性能的 同时，提高系统的自适应性和鲁棒性。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于扰动观测器的永磁同步电机电流环滑模控制方 法，使得系统具有良好跟踪性能的同时又具有良好的鲁棒性和抗干扰能力。
[0005] 为实现上述目的，本发明的技术方案为一种基于扰动观测器的永磁同步电机电流 环滑模控制系统，包括一主电路和一控制电路；所述主电路包括一交流电源，所述交流电源 经一整流器与一用于给永磁同步电机的运行供电的三相逆变器相连；所述控制电路包括一 电流控制内环、一速度控制外环和一用于给控制电路供电的电源电路，所述电流控制内环 中设有一用于控制永磁步进电机的滑模控制器和一用于实现永磁同步电机与滑模控制器 相连的扰动观测器；所述滑模控制器经一SVPWM模块与所述三相逆变器相连。
[0006] 进一步的，所述电源电路包括1.8V直流电源、3. 3V直流电源、5V直流电源和15V 直流电源。
[0007] 进一步的，所述速度控制外环包括一速度控制器，所述速度控制器的输出端与所 述滑模控制器的输入端相连。
[0008] 进一步的，还包括一用于检测永磁步进电机每相定子电流的电流传感器，所述电 流传感器的输出端与所述滑模控制器的输入端相连。
[0009] 基于上述所述的一种基于扰动观测器的永磁同步电机电流环滑模控制系统的控 制方法，包括如下步骤：
[0010] 步骤Si:设定滑模控制器的滑模参数，获取滑模面方程；
[0011] 步骤S2 :获取滑模控制器的控制律；
[0012] 步骤S3 :设计扰动观测器，获取扰动观测器的状态空间方程，并且根据扰动观测 器获取系统的不确定量；
[0013] 步骤S4 :获取基于扰动观测器的滑模控制器的控制律；
[0014] 步骤S5 :进行SVPWM调制，得到永磁步进电机实际的驱动信号。
[0015] 进一步的，
[0016] 在所述步骤Sl中，根据已知永磁同步电机电压方程：
【主权项】
1. 一种基于扰动观测器的永磁同步电机电流环滑模控制系统，其特征在于：包括一主 电路和一控制电路；所述主电路包括一交流电源，所述交流电源经一整流器与一用于给永 磁同步电机的运行供电的=相逆变器相连；所述控制电路包括一电流控制内环、一速度控 制外环和一用于给控制电路供电的电源电路，所述电流控制内环中设有一用于控制永磁步 进电机的滑模控制器和一用于实现永磁同步电机与滑模控制器相连的扰动观测器；所述滑 模控制器经一 SVPWM模块与所述=相逆变器相连。
2. 根据权利要求1所述的一种基于扰动观测器的永磁同步电机电流环滑模控制系统， 其特征在于；所述电源电路包括1. 8V直流电源、3. 3V直流电源、5V直流电源和15V直流电 源。
3. 根据权利要求1所述的一种基于扰动观测器的永磁同步电机电流环滑模控制系统， 其特征在于；所述速度控制外环包括一速度控制器，所述速度控制器的输出端与所述滑模 控制器的输入端相连。
4. 根据权利要求1所述的一种基于扰动观测器的永磁同步电机电流环滑模控制系统， 其特征在于；还包括一用于检测永磁步进电机每相定子电流的电流传感器，所述电流传感 器的输出端与所述滑模控制器的输入端相连。
5. 基于上述权利要求1所述的一种基于扰动观测器的永磁同步电机电流环滑模控制 系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤S1 ;设定滑模控制器的滑模参数，获取滑模面方程； 步骤S2 ;获取滑模控制器的控制律； 步骤S3 ;设计扰动观测器，获取扰动观测器的状态空间方程，并且根据扰动观测器获 取系统的不确定量； 步骤S4 ;获取基于扰动观测器的滑模控制器的控制律； 步骤S5 ;进行SVPWM调制，得到永磁步进电机实际的驱动信号。
6. 根据权利要求5所述的一种基于扰动观测器的永磁同步电机电流环滑模控制方法， 其特征在于： 在所述步骤S1中，根据已知永磁同步电机电压方程：
其中，Vd，v。分别为d-q轴坐标系下的定子电压，id，i。分别为d-q轴坐标系下的定子电 流；R。为永磁同步电机的每一相定子电阻，L。为永磁同步电机的每一相定子电感，4。为永 磁同步电机的磁链，W为永磁同步电机角速度，rip为永磁同步电机的极对数；W定子电流的 误差信号曰。和e d为滑模控制器的滑模参数，将e。和e d构成参数向量e = [e。ea]T，得到滑 模面方程为；S = e+C / e化，其中
7. 根据权利要求5所述的一种基于扰动观测器的永磁同步电机电流环滑 模控制方法，其特征在于：在所述步骤S2中，根据步骤1获取的滑模面方程，选
取趋近律为*j= -"gn(S)-約，其中e，K均为对角矩阵，sgn做为列矢量，即
获取滑模控制器的控制律为：
8.根据权利要求5所述的一种基于扰动观测器的永磁同步电机电流环滑模控制方法， 其特征在于，所述步骤S3还包括W下步骤： 步骤S31 ;当永磁同步电机的参数R，以4发生变动时，得到永磁同步电机参数变化后 的电压方程为：
步骤S32 ;将步骤S31中的不确定量对永磁同步电机参数变化后的电压方程进行简化， 得到：
其中，A R，A L，A 4分别为永磁同步电机的参数R，L，4的变化量，和e。为永磁 步进电机电流环的其余不确定量； 步骤S33 ;设定不确定量的导数为零，目[
将不确定量5 = [ 5。5 JT作为状态 变量，定义其估计值为^ 4 J，结合永磁同步电机参数变化后的电压方程，得到扰动 观测器的状态空间方程为：
其中，X= [iq id]T，v= [Vq Vd]T
步骤S34 ;根据步骤S33中扰动观测器的状态空间方程，得到系统的不确定量为： = 4 2^10$ -年iX-公1- >，即为开环扰动观测器的响应； 步骤S35 ;根据步骤S34中开环扰动观测器的响应，得到闭环扰动观测器的动态响应 为： 相从;'-岭=心;其中，矩阵入和L为扰动观测器的增 益矩阵，T由矩阵L决定。
9.根据权利要求5所述的一种基于扰动观测器的永磁同步电机电流环滑模控制方法， 其特征在于；将步骤S34中扰动观测器获取的不确定量，补偿到滑模控制器的输出中，得到 基于扰动观测器的滑模控制器的控制律为：
【专利摘要】本发明涉及一种基于扰动观测器的永磁同步电机电流环滑模控制方法，通过构建一个多输入多输出的滑模控制器，利用多输入量之间存在耦合的关系，实现电流环的解耦跟踪控制，使电流控制内环只有一个控制器，即滑模控制器。同时考虑到当外界干扰和系统参数变化时，滑模变结构控制的鲁棒性就会减弱，因此为了进一步提高系统的鲁棒性，在控制策略中加入了一个扰动观测器，用于在线预估系统由于参数变化和外界干扰引起的不确定量，补偿到滑模控制器，实现系统电流的误差补偿，确保了电流精确控制，提高了永磁同步电机速度调节性能。本文设计的基于扰动观测器的滑模控制器能使永磁同步电机在保持快速跟踪响应的同时具有更好的鲁棒性和抗干扰能力，并且系统结构简单，稳定性高，可应用于工程实践中。
【IPC分类】H02P21-00
【公开号】CN104601071
【申请号】CN201510050034
【发明人】黄宴委, 熊少华, 刘喆怡, 程国扬
【申请人】福州大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月30日