基于滑模观测器的电机驱动系统的制作方法

总的而言本实用新型涉及电机，特别涉及一种基于滑模观测器的电机驱动系统。

背景技术：

电动车辆，例如电动汽车，越来越受到人们的青睐。目前电动汽车的驱动一般采用蓄电池+永磁电机的模式，控制系统采用开环/闭环控制。对于开环控制而言，车辆(车速)不能精确的跟随给定，已逐步淘汰。在闭环控制中，当前一般采用速度闭环控制方式，其采用传统的PID调节器对给定速度与实际速度的偏差进行调节，根据调整结果控制逆变器的输出。这种控制方式，系统响应速度慢，调整过程中易出现超调，实际速度围绕设定值长时间振动，这样就造成在车辆提速过程中驾驶者感觉车速不稳定。机械位置传感器能实现转子位置的高精度检测，但通常价格高昂，易受环境条件限制，而且存在增加电机转子转动惯量、增大系统体积及系统可靠性降低等缺点。除此之外，目前电动车辆一般采用斩波升压(boost)的方式对蓄电池的输出电压进行升压，这种方式开关管损耗大，功率因数低。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本实用新型提供了一种基于滑模观测器的电机驱动系统。

一种基于滑模观测器的电机驱动系统，包括：DC/DC变换单元、逆变器、永磁电机、MCU，角生成器以及滑模观测器；所述DC/DC变换单元与电池相连，DC/DC变换单元的输出端连接逆变器，逆变器与永磁电机相连；驱动系统采用转速外环、电流内环的双闭环结构，它包括Cark变换模块、Park变换模块、滑模观测器、角生成器、分数阶PID调节器、电流调节器、Park逆变换模块、脉冲宽度调制模块和逆变器；滑模观测器通过开关S2与过渡器相连，角生成器也与过渡器相连，过渡器输出转子位置θ和实际转速ωm；转子位置θ与Park逆变换模块的转子位置数据输入端连接；转速ωm与第一比较器的反向输入端相连，第一比较器的正向输入端与转速给定信号相连，第一比较器的输出端与分数阶PID调节器的输入端连接；分数阶PID调节器的输出端连接第二比较器的正向输入端，第二比较器的反向输入端与Park变换模块的q轴电流输出端相连；d轴电流给定值与第三比较器的正向输入端相连，第三比较器的反向输入端与Park变换模块的d轴电流输出端相连；第二比较器和第三比较器的输出端与电流调节器相连，电流调节器的输出端通过Park逆变换模块与脉冲宽度调制模块相连，脉冲宽度调制模块输出调制信号至逆变器。

可选的，所述DC/DC变换单元包括电感L、串联连接的晶体管Q1与Q2，晶体管Q1与Q2分别反并联有二极管D1与D2；电感L一端经由开关SR1连接到电池的正极，另一端连接到晶体管Q1与晶体管Q2之间的中间点；电容C1的一端连接于开关SR1与电感L之间，另一端接电池负极，电容器C1对电池电压进行平滑；晶体管Q1与Q2串联后与电容C2并联，电容C2作为DC/DC变换单元的输出电容，逆变器连接于电容C2的两端。

本实用新型的有益效果是：采用转速外环、电流内环的双闭环控制结构，转速可以快速跟随给定，提高了系统响应速度；通过采用分数阶PID使得系统具有了更大的调节范围，获得了比传统PID更好的控制品质及更强的鲁棒性；利用滑模观测器对电机转子位置角进行观测，利用角生成器进行电机启动，从而取代了传统的机械位置传感器，降低了系统成本，提高了可靠性。

附图说明

图1为本实用新型系统整体结构示意图；

图2为本实用新型驱动系统的结构示意图；

图3为滑模观测器的结构示意图；

图4为饱和函数曲线图；

图5为DC/DC变换单元的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明，使本实用新型的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。

首先结合附图1对本实用新型的系统结构做说明。本实用新型提供了一种电动车辆驱动系统，系统包括：DC/DC变换单元、逆变器、永磁电机、MCU(主控单元)，角生成器以及滑模观测器等。DC/DC变换单元与电池相连，DC/DC变换单元的输出端连接逆变器，逆变器与永磁电机相连，通过永磁电机驱动车辆运行。通过电压传感器分别检测DC/DC变换单元的输入电压Vin和输出电压Vo，通过电流传感器检测逆变器的输出电压ia、ib，通过滑模观测器对永磁电机的转速ω_m和转子位置进行检测，这些检测信号被送入MCU，MCU根据这些检测信号分别向DC/DC变换单元和逆变器输出驱动信号G1、G2，从而调节DC/DC变换单元和逆变器的输出。

整个系统由一块MCU处理器控制运行，各个部分协调运行，人机交换部分可采用LCD和按键实现(图中未示出)。MCU控制逆变器中IGBT的导通频率，从而实现永磁同步电机线圈磁场顺序变化驱动电机运转；角生成器用于按照指令在电机启动阶段生成特定角度，以使得电机能顺利启动；电流检测电路通过实时检测电机线圈的相电流，并与MCU处理器中电机理论模型进行比较，实现电机的闭环控制，以及实现电机的过压、过流保护。

下面对本实用新型中驱动系统的控制结构做详细介绍，请参阅图2。驱动系统采用转速外环、电流内环的双闭环结构，它包括Cark变换模块、Park变换模块、滑模观测器、角生成器、分数阶PID调节器、电流调节器、Park逆变换模块、脉冲宽度调制模块和逆变器。

其中，滑模观测器通过开关S2与过渡器相连，角生成器也与过渡器相连，过渡器输出转子位置θ、实际转速ωm。转子位置θ发送给Park逆变换模块的转子位置数据输入端；转速ωm发送至第一比较器的反向输入端，第一比较器的正向输入端与转速给定信号相连，转速给定信号可以由油门踏板给出。第一比较器的输出端与分数阶PID调节器的输入端连接。分数阶PID调节器的输出端连接第二比较器的正向输入端，第二比较器的反向输入端与Park变换模块的q轴电流输出端相连。本实用新型中采用d轴电流恒零控制，即d轴电流给定值恒为零，这一给定值与第三比较器的正向输入端相连，第三比较器的反向输入端与Park变换模块的d轴电流输出端相连。第二比较器和第三比较器的输出端与电流调节器相连，电流调节器的输出端通过Park逆变换模块与脉冲宽度调制模块相连，脉冲宽度调制模块输出调制信号至逆变器，逆变器接收DC/DC变换单元的输出电压Vo，根据调制信号打开/关闭逆变器中的IGBT，从而输出可变频率的电压信号至永磁电机。

永磁同步电机的转子位置θ、转速ωm，通过电流传感器采集逆变器输出的其中两相ia、ib，ia、ib经过Clark变换和Park变换，得到永磁同步电机在dq轴坐标系下的等效电流id和iq。第一比较器将转速给定值与实际转速ωm进行比较，偏差信号经过分数阶PID调节器调节，分数阶PID调节器的输出值作为q轴的电流给定值d轴电流给定值

第二比较器对iq与进行比较，第三比较器对id与进行比较，第二比较器和第三比较器的比较结果送入电流调节器，通过电流调节器调节后得到dq轴坐标系下的q轴电压给定值和d轴电压给定值Park逆变换模块对和进行Park逆变换后，依次输出给脉冲宽度调制模块和逆变器，从而得到永磁同步电机的三相输入电压，驱动永磁同步电机运行。

下面重点对本实用新型中的滑模观测器、角生成器和过渡器做详细介绍，参阅图3和图4。永磁电机开始处于静止状态，若要顺利启动必须获得转子的初始位置信息。初始位置的准确程度关系着电机启动的稳定性，若初始位置便存在误差很可能导致电机失控。为此，本实用新型利用角生成器给出初始角度，采用速度开环启动的方式，当电机转速达到设定的较高转速后，通过过渡器将其切换为闭环控制。具体而言，直接控制输出电压，省去速度和电流的控制环节，Park逆变换所需角度由角生成器给出，通过人为控制位置角生成器，使电机按设定加速度启动加速到固定转速的状态。当位置角生成器给定的角度与电机转子之间的相位差为θ_m时根据转矩方程有：

Te＝1.5p_n[Ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q] (4)

其中，

i_q＝i*_qsinθ_m i_d＝i*_qcosθ_m

因此，式4可以简化为：

Te＝1.5p_ni*_qsinθ_m[Ψ_fi_q+(L_d-L_q)i*_qcosθ_m] (5)

其中，Te为电磁转矩，T_L为负载转矩，J为转动惯量，ω为电机电角速度，θ为电机转子与初始水平状态时A轴的夹角，Pn为磁极对数。由上式可知，若要保证电机在额定负载内平滑启动，q轴给定电流应在保证不超过电机额定电流的情况下足够大。为此，本实用新型在启动时，保持q轴给定电流为定值，d轴给定电流为0，角度生成器给定角度θ_d由-90度开始。初始时刻，与电机永磁体间的相位差θ_m＝0，为达到恒定加速度启动的效果，保证每个周期内θ_d的增量为定值。

开环启动过程中，电机的位置角信息由角生成器给出，当加速到高速段后开始启用滑模观测器程序，观测得到的位置角此时不直接参与闭环控制，而是先通过过渡器将观测到的角度值与角生成器给定值按比例混合，以保证从开环到闭环切换过程的平稳。开环启动过程时，开关S1和开关S2处于断开状态，参与控制的角度值全部由角生成器给出，当电机转速达到髙速段时，开关S2闭合。滑模观测器估算的角度与角生成器给定角度值开始混合，其混合后的结果参与最终角度控制。初始时刻滑模观测器估算的角度的混合比例为0％，而角生成器给定值所占比例为100％，之后滑模观测器估算的角度所占比例逐渐增加，而角生成器给定值所占比例逐渐减小，当混合比例值达到100％时，表征角生成器己脱离控制状态，此时的控制角度值全部由滑模观测器给出。

滑模观测器在电机转角位置观测中已较为常用，一般的滑模观测器由电流观测单元、电阻辨识单元、开关函数、反电动势观测单元以及锁相环构成，其具有良好的稳定性和极强的鲁棒性。然而由于开关函数的存在，使得观测器本身具有不连续的开关特性，这会导致系统在实际应用的过程中存在着抖振的问题。这种抖振不但使系统的控制精度大打折扣，除了会引起不必要的额外损耗。为此本实用新型中采用饱和函数替代开关函数，滑模观测器的结构如图3所示，其中饱和函数的曲线为图4所示。

其中，k为改进后滑模观测器的增益设定值；δ为误差设定值。通过合理地调节参数δ的值，不仅能够有效地减小系统的“抖振”，并且系统运算过程较简单，易于数字化的实现。

图5为本实用新型中DC/DC变换单元的结构示意图，DC/DC变换单元包括电感L、串联连接的晶体管Q1与Q2，晶体管Q1与Q2分别反并联有二极管D1与D2。电感L一端经由开关SR1连接到电池的正极，另一端连接到晶体管Q1与晶体管Q2之间的中间点。电容C1的一端连接于开关SR1与电感L之间，另一端接电池负极，电容器C1对电池电压进行平滑。晶体管Q1与Q2串联后与电容C2并联，电容C2作为DC/DC变换单元的输出电容，逆变器连接于电容C2的两端。电压传感器V1检测电池的电压Vin，并将检测得到的电压Vin提供给MCU。MCU控制开关SR1的开/闭。MCU以PWM的方式分别向晶体管Q1与Q2提供触发信号G11、G12。电压传感器V2检测DC/DC变换单元的输出电压Vo，并将检测得到的电压Vo提供给MCU。DC/DC变换单元来自电容器C1的电压进行升压，并将升压后的电压提供给电容器C2。电容器C2对输出电压进行平滑，并将平滑后的电压提供给逆变器。MCU将电压Vo与设定值Vdc相比较，根据二者的差值调节G11、G12的占空比，从而使得Vo＝Vdc。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于本申请的方法实施例而言，由于其与装置实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见装置实施例的部分说明即可。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是以上描述仅是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本实用新型不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。