一种基于永磁同步电机调速系统的新型速度控制器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于永磁同步电机调速系统的新型速度控制器，属于电机技术。
【背景技术】
[0002] 永磁同步电机具有体积小、结构简单、运行效率高、转动惯量小等特点，在数控机 床、航天、电动汽车等领域应用广泛，现阶段永磁同步电机的速度控制器常采用PI控制器， 其算法简单、易于调节，能满足一定范围内的控制要求，但是，永磁同步电机是一个非线性、 强耦合、多变量、变参数的复杂系统，PI控制器的性能易受系统参数变化、外部扰动等影响， 而且快速性和超调量大是一个基本矛盾，这些限制会降低系统运行的可靠性以及系统的 动、静态性能。而滑模变结构控制以其对参数变化及扰动不敏感、强鲁棒性等优点日益成为 研宄的热点，现已被成功应用于永磁同步电机交流调速系统中。
[0003] 但是滑模控制中快速性与大起动电流之间的矛盾不能解决，如何保证鲁棒性的前 提下快速响应且无超调、抑制起动电流过大的现象具有重要的研宄意义。
【发明内容】
[0004] 发明目的：为了提高永磁同步电机调速系统的鲁棒性、快速性，以及削弱滑模控制 的大起动电流问题，本发明提出了一种基于SMC和PI的新型速度控制器，相比PI速度控制 器，其鲁棒性强，响应速度更快，且速度无超调；相比于SMC速度控制器，其鲁棒性进一步得 到增强，收敛到稳态的时间大大降低，且有效的限制了过大的起动电流；本发明的新型速度 控制器大大提高了永磁同步电机调速系统的控制性能，实现了对永磁同步电机调速系统的 高精度矢量控制。
[0005] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] 一种基于永磁同步电机调速系统的新型速度控制器，永磁同步电机调速系统采用 速度、电流双闭环控制的<=〇的矢量控制系统，为d轴电流给定值；速度控制器基于PI控 制和滑模控制（SMC)进行设计，首先设置一较小的正数常值X。作为切换点，以转子角速度 误差Xl作为控制器输入：在转子角速度误差大于x。时，即xPx。时，速度控制器采用PI控 制；在转子角速度误差小于等于x。时，即当xx。时，速度控制器采用滑模控制（SMC)，该 控制器很好地结合了PI和SMC各自的优点，实现了快速跟踪速度信号，具有无超调、起动电 流小、受外界干扰以及内部参数扰动影响小的优点。
[0007] 所述PI控制的设计如下：
[0008]
[0009]其中：（为q轴电流给定值；Kp为比例系数，Ki为积分系数；t为积分变量。
[0010] 所述滑模控制的设计如下：
[0011] 趋近律采用指数趋近律：
[0012]
[0013] 设计线性滑模面函数为：
[0014] s=cx!+x2c>0
[0015] 结合永磁同步电机机械运动方程及电磁转矩方程，得q轴电流给定值如下：
[0016]
[0017] 其中为滑模面函数s的导数，sgn(_)为符号函数，e为常数；为系 统状态量；c为滑模面参数；d= P为电机转子极对数，！^为永磁体磁链，J为电机 转动惯量。
[0018] 有益效果：本发明提供的基于永磁同步电机调速系统的新型速度控制器，解决了 传统PI速度控制器快速性与超调量大之间的矛盾，克服了PI控制器鲁棒性差等缺点；解决 了SMC速度控制器快速性与大起动电流之间的矛盾；本发明的速度控制器在快速响应的同 时能够有效抑制过大的起动电流，且转速无超调，鲁棒性好；本发明的速度控制器用在永磁 同步电机矢量控制系统中能大大改善系统的动、静态性能以及强鲁棒性，可实现对永磁同 步电机调速系统的高精度矢量控制。
【附图说明】
[0019] 图1是基于矢量控制的永磁同步电机调速系统原理框图；
[0020] 图2是本发明的设计流程图；
[0021] 图3是SMC的设计流程图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0023] 图1为本发明的基于矢量控制的永磁同步电机调速系统原理框图，是速度、电流 双闭环控制系统。该控制系统由永磁同步电机、逆变器、转速位置传感器、电压空间矢量调 制（SVPWM)、电流PI控制器、新型速度控制器、CLARKE变换、PARK变换以及逆变换构成。其 中，三相定子电流ia，ib，i。由电流传感器测得，然后经过CLARKE、PARK变换得到旋转坐标系 下d、q轴电流id和iq;转速、位置传感器为系统提供实时转速以及位置信号0 ;本系统 采用〇 = 〇的矢量控制，其与实测的d轴电流id做差得到d轴PI电流控制器的输入，q轴给 定电流由新型速度控制器的输出得到，即 <，其与实测q轴电流^做差得到q轴PI电流控 制器的输入，经两个电流控制器分别输出旋转坐标系下定子电压的给定值^和uq，其经过PARK逆变换得到两相静止坐标系下定子电压11。和1^，作为电压空间矢量调制的输入，产生 作用于逆变器中功率器件的开关信号，最终驱动永磁同步电机运行。
[0024] 图2是本发明的设计流程图；图3是SMC的设计流程图；
[0025] 基于永磁同步电机调速系统的新型速度控制器设计方法如下：
[0026] 步骤一：设计切换点
[0027] 取转子角速度误差&作为控制器输入，然后设置一个比较小的正数常值X。作为切 换点。
[0028] 步骤二：设计PI控制器
[0029]
⑴
[0030] 式中： < 为q轴电流给定值；Kp为比例系数，Ki为积分系数；t为积分变量。
[0031] 步骤三：设计SMC控制器
[0032] 取系统的状态变量为
[0033]
[0034] 式中： <为给定转子角速度，实际转子角速度。
[0035] 电机机械运动方程和电磁转矩方程如下：
[0036]
[0037] 式中：Te为电磁转矩；为负载转矩；J为电机转动惯量；P为电机转子极对数；步f 为永磁体磁链；iq为定子相电流q轴分量。
[0038] 由式⑵和式（3)得：
[0042] 式中
勺控制输入。
[0043] 设计线性滑模面函数为：
[0044] s=cx!+x2 (6)
[0045] 式中：c为滑模面参数，且c>0。
[0046] 选择指数趋近率：
[0047] _
(7)
[0048] 对式（6)求导，以及由式（5)和式（7)可得q轴电流给定值如下：
[0049](8) 3fV .
?
[0050] 式中：j ;心=A|为系统状态量； 2J-
[0051] 步骤四：根据&的大小选择控制器类型
[0052] xPxjt，选择PI控制器；
[0053] XiSx。时，选择SMC控制器。
[0054] 步骤五：通过步骤四的算法选择相应的控制器得到控制器输出信号<。
[0055] 本发明所设计的新型速度控制器解决了传统PI速度控制器快速性与超调量大之 间的矛盾，克服了PI控制器鲁棒性差等缺点；解决了SMC速度控制器快速性与大起动电流 之间的矛盾。本发明在快速响应的同时有效的抑制了过大的起动电流，且转速无超调，鲁棒 性好。本速度控制器用在永磁同步电机矢量控制系统中能大大改善系统的动、静态性能以 及强鲁棒性，可实现对永磁同步电机调速系统的高精度矢量控制。
[0056] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于永磁同步电机调速系统的新型速度控制器，永磁同步电机调速系统采用速 度、电流双闭环控制的<=0的矢量控制系统，Z；；为d轴电流给定值；其特征在于：速度控制 器基于PI控制和滑模控制进行设计，首先设置一正数常值X。作为切换点，以转子角速度误 差Xl作为控制器输入：在转子角速度误差大于X。时，即X 时，速度控制器采用PI控制； 在转子角速度误差小于等于X。时，即当X X。时，速度控制器采用滑模控制。2. 根据权利要求1所述的基于永磁同步电机调速系统的新型速度控制器，其特征在 于：所述PI控制的设计如下：其中：^为q轴电流给定值；Kp为比例系数，K i为积分系数；t为积分变量。3. 根据权利要求1所述的基于永磁同步电机调速系统的新型速度控制器，其特征在 于：所述滑模控制的设计如下： 趋近律采用指数趋近律：设计线性滑模面函数为： S = 0X^X2 c>0 结合永磁同步电机机械运动方程及电磁转矩方程，得q轴电流给定值如下：其中为滑模面函数S的导数，sgn(_)为符号函数，e 为常数为系统 状态量；c为滑模面参数；^ = 4^，P为电机转子极对数，为永磁体磁链，J为电机转 1J 动惯量。
【专利摘要】本发明公开了一种基于永磁同步电机调速系统的新型速度控制器，首先设置一较小的正数常值xc作为切换点，以转子角速度误差x1作为控制器输入：当x1>xc时，速度控制器采用PI控制；当x1≤xc时，速度控制器采用SMC控制。本发明解决了传统PI速度控制器快速性与超调量大之间的矛盾，克服了PI控制器鲁棒性差的缺点；解决了SMC速度控制器快速性与大起动电流之间的矛盾。本发明在快速响应的同时有效地抑制了过大的起动电流，且转速无超调，鲁棒性好。本发明用在永磁同步电机矢量控制系统中能大大改善系统的动、静态性能以及鲁棒性，可实现对永磁同步电机调速系统的高精度矢量控制。
【IPC分类】H02P21/00, H02P25/02
【公开号】CN104953916
【申请号】CN201510412532
【发明人】樊英, 周晓飞
【申请人】东南大学
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年7月14日