本发明涉及一种基于超扭曲滑膜变结构算法的永磁同步电机控制系统及其工作方法，属于电机控制技术领域。
背景技术：
永磁同步电动机(pmsm)具有效率高、功率密度大、动态响应快、鲁棒性强、结构简单等优点，在电动汽车控制中被广泛应用。然而，永磁同步电动机是一个多变量非线性的被控对象，其转速和定子电流之间存在耦合，加之负载的变化等外部扰动的影响，使高性能电动机的控制成为难题。
直接转矩控制(dtc)是继矢量控制之后出现的一种交流电动机调速控制方案，直接转矩控制与矢量控制不同，它是直接将定子磁链和转矩作为控制变量，无需进行磁场定向、矢量变换和电流控制，具有结构简单、动态响应好等优点。但dtc控制存在转矩和磁链脉动较大，损耗增加等问题。
空间矢量脉宽调制(svpwm)具有开关损耗小、直流电压利用率高等优点，对转矩和磁链的控制更准确，在一定程度上解决了因电压矢量有限导致的脉动问题。
滑模变结构控制因其鲁棒性强、响应迅速以及对外界扰动不敏感而备受关注，针对传统直接转矩控制效果的不足，基于超螺旋滑模变结构控制策略，设计磁链控制器和转矩控制器取代传统滞环比较器，搭建模型，对pmsm控制进行研究。
在永磁同步电机的传统dtc中，滞环控制器分别对转矩和磁链复制进行控制，但是会导致存在较大的磁链和转矩脉动，逆变器开关频率不稳定等问题。国内外学者对其改进进行了大量的研究，因滑模变结构的非线性特点而广受关注，但是传统的滑模变结构采用的是符号函数，这样切换开关的工作，使滑模趋近运动带来了严重的抖振。
中国专利文献cn106487301a公开了一种基于滑膜观测器的死区补偿控制方法，该方法首先基于永磁同步电机，采用滑模观测器，对旋转坐标系下的参考电压、旋转坐标系下的实际电流和定子反电动势进行实时在线观测；然后滑膜观测器通过观测到的值估计出旋转坐标系下的扰动电压；最后将所述估计出的扰动电压反馈到参考电压，进行死区补偿。该专利虽然改善了电流波形，提高系统低速低频性能，但是反电势经过一阶低通滤波器会引起转子位置的相位滞后，这样造成估算出的转子位置和速度信息不准确。
中国专利文献cn202103620u公开了一种基于永磁同步电机矢量控制系统的复合控制系统，所提出的基于永磁同步电机矢量控制系统的复合控制系统在速度环的控制中所采用的复合控制调节模块兼备分数阶piλdμ控制和滑膜变结构控制各自的优点，扬长避短，同时分数阶piλdμ控制相对于传统pid控制对其控制范围得以拓宽，更灵活匹配滑膜变结构实现对永磁同步电机的复合控制。该专利虽然能够提高永磁同步电机的鲁棒性、稳定性，但是id＝0控制算法控制结构简单、易于实现、转矩的控制特性好，但其缺陷在于当转矩过大时，漏感及压降都会随之增加，导致功率因数降低，且在缺乏直轴电流分量的情况下，造成电机调速范围有很大局限性。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于超扭曲滑膜变结构算法的永磁同步电机控制系统；
本发明还提供了上述基于超扭曲滑膜变结构算法的永磁同步电机控制系统的工作方法；
本发明在一般指数趋近律滑模控制方法的基础上，采用连续化方法，将滑膜控制率中符号函数sign(s)用饱和函数sat(s)取代，设计了一种新型趋近律滑模控制算法。由于饱和函数本身平滑性的特点，使系统状态点离切换面远时，趋近速度大幅提高；状态点离切换面近时，趋近速度能够平滑下降；通过调节控制器的参数，使幂次函数工作在线性区域，从根本上避免了切换开关的工作，从而消除了滑模控制的趋近运动带来的抖振，使系统具有全局鲁棒性。
术语解释：
旋转坐标系dq、静止坐标系系αβ、自然坐标系abc、dq坐标系：在永磁同步电机中存在两种坐标系，一种是固定在定子上的它相对于我们是静止的，即αβ坐标系，它的方向和定子三相绕组的位置相对固定，它的方向定位于定子绕组a相产生磁势的方向，另一种是固定在转子上旋转坐标系，通常称为dq坐标系，其中d轴与单磁极的n极方向相同，即和磁力线的方向相同，q轴超前d轴90度。自然坐标系abc与永磁同步电机中三相绕组的方向相同。
本发明的技术方案为：
一种基于超扭曲滑膜变结构算法的永磁同步电机控制系统，包括第一比较单元、第一超扭曲滑膜控制模块、park逆变换模块、svpwm模块、逆变器模块、第二超扭曲滑膜控制模块、第二比较单元、速度调节器、第三比较单元、3/2变换模块、磁链转矩估计单元、永磁同步电机模块、速度计算单元；
所述永磁同步电机模块、所述速度计算单元、所述第三比较单元、所述速度调节器、所述第二比较单元依次连接，所述逆变器模块、所述3/2变换模块、所述磁链转矩估计单元依次连接，所述磁链转矩估计单元分别连接所述第一比较单元、所述第二比较单元，所述第一比较单元、所述第一超扭曲滑膜控制模块、所述park逆变换模块、所述svpwm模块依次连接，所述第二比较单元、所述第二超扭曲滑膜控制模块、所述park逆变换模块、所述svpwm模块依次连接，所述svpwm模块连接所述逆变器模块，所述逆变器模块连接所述永磁同步电机模块。
根据本发明优选的，第一比较单元为磁链比较模块；第一超扭曲滑膜控制模块为磁链超扭曲滑模控制器；park逆变换模块为电压由旋转坐标系dq转化到静止坐标系系αβ下的模块：svpwm模块为空间电压脉冲调制模块；第二超扭曲滑膜控制模块为转矩超扭曲滑模控制器；第二比较单元为转矩比较模块；第三比较单元为转速比较模块；3/2变换模块为自然坐标系abc下的电压电流转化到旋转坐标系dq下的模块；磁链转矩估计单元为定子磁链计算模块：速度计算单元为电机机械角速度转化为电机转速模块；所述逆变器模块为逆变器；所述永磁同步电机模块为永磁同步电机。
上述磁链比较模块、磁链超扭曲滑模控制器、park逆变换模块、空间电压脉冲调制模块、转矩超扭曲滑模控制器、转矩比较模块、转速比较模块、3/2变换模块、定子磁链计算模块、速度计算单元的硬件实现系统包括主控制模块及连接所述主控制模块的计算机、电源模块、显示模块、信号处理模块、检测单元。
主控制模块的型号为stm32f407zgt6，显示模块为tft320240触摸屏，信号处理模块包括运算放大器，检测单元为霍尔传感器。
所述电源模块用于为所述主控制模块、显示模块、信号处理模块、电机驱动模块提供电源；所述信号处理模块用于将所述主控制模块输出的pwm波经缓冲处理给所述电机驱动模块；所述电机驱动模块是永磁同步电机能量获取的来源，用于实现电机正反转及调速功能；所述检测单元是霍尔传感器，用于进行电流检测、光电编码器进行转速测量送入到所述主控制模块中；所述显示模块与主控制模块直接通信，实现永磁同步电机转速显示功能。
根据本发明优选的，
通过所述速度计算单元计算得到所述永磁同步电机模块的转速；
将计算得到所述永磁同步电机模块的转速与给定速度通过第三比较单元进行比较，并在所述速度调节器中进行调节；
将调节后的结果输出到所述第二比较单元中，经过所述3/2变换模块得到的iq由所述磁链转矩估计单元得到的转矩反馈信号，将调节后的结果作为给定信号与转矩反馈信号在所述第二比较单元进行比较，将比较结果输入至所述第二超扭曲滑膜控制模块进行超扭曲滑膜控制；
由所述磁链转矩估计单元得到的磁链反馈信号，与给定磁链在所述第一比较单元进行比较，将比较结果输入至所述第一超扭曲滑膜控制模块进行超扭曲滑模控制；
将所述第一超扭曲滑膜控制模块获取的结果通过所述park逆变换模块进行坐标变换，坐标变换后的结果通过所述svpwm模块进行调制，输出整流电源；
将所述第二超扭曲滑膜控制模块获取的结果通过所述park逆变换模块进行坐标变换，坐标变换后的结果通过所述svpwm模块进行调制，输出整流电源；
所述svpwm模块输出整流电源至所述逆变器模块；
所述逆变器模块对所述永磁同步电机模块进行供电。
上述基于超扭曲滑膜变结构算法的永磁同步电机控制系统的工作方法，包括：
(1)通过所述速度计算单元计算得到所述永磁同步电机模块的转速nr，计算公式如式(i)所示：
式(i)中，ωm是指所述永磁同步电机模块的机械角；
(2)转速控制外环模块中采用比例积分型控制器，通过所述第三比较单元求取给定转速
(3)通过所述速度调节器求取
获取反馈转矩te；
求取
将差值st输入至所述第二超扭曲滑膜控制模块，可以避免系统参数和外界扰动造成影响。得到结果uq，计算公式如式(ⅱ)、式(ⅲ)、式(ⅳ)所示：
式(ⅱ)、式(ⅲ)、式(ⅳ)中，s为滑模变量，δ为饱和函数的阈值，r滑模指数，uq为电压在旋转坐标系q轴的分量。
传统的super-twisting采用的切换函数sgn(s)函数是一种不连续型函数，会导致系统出现抖振现象。本发明引入饱和函数sat(s,δ)代替sgn(s)函数，不仅能保证切换函数的开关特性，同时还能减小抖振和系统的不连续。
(4)获取
通过第一比较单元获取
将
式(ⅴ)、式(ⅵ)中，
由于饱和函数本身平滑性的特点，使系统状态点离切换面远时，趋近速度大幅提高；状态点离切换面近时，趋近速度能够平滑下降；通过调节第一超扭曲滑膜控制模块、第二超扭曲滑膜控制模块的参数，使幂次函数工作在线性区域，从根本上避免了切换开关的工作，从而消除了滑模控制的趋近运动带来的抖振，使系统具有全局鲁棒性。
(5)将ud、uq输入至所述park逆变换模块进行park逆变换，变换到两相静止αβ坐标系下，得到两相静止αβ坐标系下的正交电压uα、uβ；ud、uq为电压在旋转坐标系下的电压分量；uα、uβ为电压在两相静止αβ坐标系下的电压分量；
(6)将步骤(5)得到的正交电压uα、uβ输入所述svpwm模块，输出六路整流电源，由所述逆变器模块对于来自所述svpwm模块的六路整流电源逆变后对所述永磁同步电机模块进行供电，8dc为直流母线电压。
根据本发明优选的，获取反馈转矩te，获取
a、对步骤(5)逆变后的三相电流采样得到ia、ib、ic，通过坐标变换，变换到dq坐标系下；
b、对变换到自然坐标系下三相电流ia、ib、ic进行3/2变换得到iα、iβ，再进行park变换得到id、iq；
c、对变换到自然坐标系下三相电压ua、ub、uc进行3/2变换得到uα、uβ，再进行park变换得到ud；
将得到的dq坐标系下的电流id、iq与d轴下的电压ud输入所述磁链转矩估计单元，得到实时磁链
rs为定子电阻，pn为磁极对数，
永磁同步电机(pmsm)的数学模型：
旋转坐标系下的永磁同步电机数学模型，其电压方程为：
永磁同步电机的转矩方程为：
对于表贴式永磁同步电机，有ld＝lq＝l，转矩方程可以简化为：
永磁同步电机的运动方程为：
ud、uq为定子电压矢量在d、q轴分量；id、iq为定子电流矢量在d、q轴分量；
为了获得磁链控制器的表达式，定义磁链的滑模面函数为：
为得到转矩控制器的表达式，定义转矩的滑模面函数表达式为
本发明的有益效果为：
1、本发明引入饱和函数sat(s,δ)代替传统的超扭曲滑模控制采用的切换函数sgn(s)函数，不仅能保证切换函数的开关特性，同时还能减小抖振和系统的不连续。
2、本发明通过调节第一超扭曲滑膜控制模块、第二超扭曲滑膜控制模块的参数，使幂次函数工作在线性区域，从根本上避免了切换开关的工作，从而消除了滑模控制的趋近运动带来的抖振，使系统具有全局鲁棒性。
3、本发明将改进后的超扭曲滑模变结构控制、dtc与svpwm结合，解决了传统dtc存在的转矩与磁链脉动过大、逆变器开关不恒定等问题。
附图说明
图1为永磁同步电机中旋转坐标系dq、静止坐标系系αβ、自然坐标系abc、dq坐标系的示意图；
图2为本发明基于超扭曲滑膜变结构算法的永磁同步电机控制系统的结构框图；
图3为本发明硬件实现系统示意图；
图4为传统永磁同步电机直接转矩控制的转速波形示意图；
图5为传统永磁同步电机直接转矩控制的转矩波形示意图；
图6为本发明基于超扭曲滑膜变结构算法的永磁同步电机控制系统的工作状态下的转速波形示意图；
图7为本发明基于超扭曲滑膜变结构算法的永磁同步电机控制系统的工作状态下的转矩波形示意图；
1、第一比较单元，2、第一超扭曲滑膜控制模块，3、park逆变换模块，4、svpwm模块，5、逆变器模块，6、第二超扭曲滑膜控制模块，7、第二比较单元，8、速度调节器，9、第三比较单元，10、3/2变换模块，11、磁链转矩估计单元，12、永磁同步电机模块，13、速度计算单元。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种基于超扭曲滑膜变结构算法的永磁同步电机控制系统，如图2所示，包括第一比较单元1、第一超扭曲滑膜控制模块2、park逆变换模块3、svpwm模块4、逆变器模块5、第二超扭曲滑膜控制模块6、第二比较单元7、速度调节器8、第三比较单元9、3/2变换模块10、磁链转矩估计单元11、永磁同步电机模块12、速度计算单元13；
永磁同步电机模块12、速度计算单元13、第三比较单元9、速度调节器8、第二比较单元7依次连接，逆变器模块5、3/2变换模块10、磁链转矩估计单元11依次连接，磁链转矩估计单元11分别连接第一比较单元1、第二比较单元7，第一比较单元1、第一超扭曲滑膜控制模块2、park逆变换模块3、svpwm模块4依次连接，第二比较单元7、第二超扭曲滑膜控制模块6、park逆变换模块3、svpwm模块4依次连接，svpwm模块4连接逆变器模块5，逆变器模块5连接永磁同步电机模块12。永磁同步电机中旋转坐标系dq、静止坐标系系αβ、自然坐标系abc、dq坐标系的示意图如图1所示。
第一比较单元1为磁链比较模块；第一超扭曲滑膜控制模块2为磁链超扭曲滑模控制器；park逆变换模块3为电压由旋转坐标系dq转化到静止坐标系系αβ下的模块：svpwm模块4为空间电压脉冲调制模块；第二超扭曲滑膜控制模块6为转矩超扭曲滑模控制器；第二比较单元7为转矩比较模块；第三比较单元9为转速比较模块；3/2变换模块10为自然坐标系abc下的电压电流转化到旋转坐标系dq下的模块；磁链转矩估计单元11为定子磁链计算模块：速度计算单元13为电机机械角速度转化为电机转速模块；逆变器模块5为逆变器；永磁同步电机模块12为永磁同步电机。
上述磁链比较模块、磁链超扭曲滑模控制器、park逆变换模块3、空间电压脉冲调制模块、转矩超扭曲滑模控制器、转矩比较模块、转速比较模块、3/2变换模块10、定子磁链计算模块、速度计算单元13的硬件实现系统包括主控制模块及连接所述主控制模块的计算机、电源模块、显示模块、信号处理模块、检测单元，如图3所示；
主控制模块的型号为stm32f407zgt6，显示模块为tft320240触摸屏，信号处理模块包括运算放大器，检测单元为霍尔传感器。
电源模块用于为主控制模块、显示模块、信号处理模块、电机驱动模块提供电源；信号处理模块用于将主控制模块输出的pwm波经缓冲处理给电机驱动模块；电机驱动模块是永磁同步电机能量获取的来源，用于实现电机正反转及调速功能；检测单元是霍尔传感器，用于进行电流检测、光电编码器进行转速测量送入到主控制模块中；显示模块与主控制模块直接通信，实现永磁同步电机转速显示功能。
通过速度计算单元计算13得到永磁同步电机模块12的转速；将计算得到永磁同步电机模块12的转速与给定速度通过第三比较单元9进行比较，并在速度调节器8中进行调节；将调节后的结果输出到第二比较单元7中，经过3/2变换模块10得到的iq由磁链转矩估计单元11得到的转矩反馈信号，将调节后的结果作为给定信号与转矩反馈信号在第二比较单元7进行比较，将比较结果输入至第二超扭曲滑膜控制模块6进行超扭曲滑膜控制；由磁链转矩估计单元11得到的磁链反馈信号，与给定磁链在第一比较单元1进行比较，将比较结果输入至第一超扭曲滑膜控制模块2进行超扭曲滑模控制；将第一超扭曲滑膜控制模块2获取的结果通过park逆变换模块3进行坐标变换，坐标变换后的结果通过svpwm模块4进行调制，输出整流电源；将第二超扭曲滑膜控制模块6获取的结果通过park逆变换模块3进行坐标变换，坐标变换后的结果通过svpwm模块4进行调制，输出整流电源；svpwm模块4输出整流电源至逆变器模块5；逆变器模块5对永磁同步电机模块12进行供电。
实施例2
实施例1所述的基于超扭曲滑膜变结构算法的永磁同步电机控制系统的工作方法，包括：
(1)通过速度计算单元13计算得到永磁同步电机模块12的转速nr，计算公式如式(i)所示：
式(i)中，ωm是指永磁同步电机模块12的机械角；
(2)转速控制外环模块中采用比例积分型控制器，通过第三比较单元9求取给定转速
(3)通过速度调节器8求取
获取反馈转矩te；
求取
将差值st输入至第二超扭曲滑膜控制模块6，可以避免系统参数和外界扰动造成影响。得到结果uq，计算公式如式(ⅱ)、式(ⅲ)、式(ⅳ)所示：
式(ⅱ)、式(ⅲ)、式(ⅳ)中，s为滑模变量，δ为饱和函数的阈值，r滑模指数，uq为电压在旋转坐标系q轴的分量。
传统的super-twisting采用的切换函数sgn(s)函数是一种不连续型函数，会导致系统出现抖振现象。本发明引入饱和函数sat(s,δ)代替sgn(s)函数，不仅能保证切换函数的开关特性，同时还能减小抖振和系统的不连续。
(4)获取
通过第一比较单元1获取
将
式(ⅴ)、式(ⅵ)中，
由于饱和函数本身平滑性的特点，使系统状态点离切换面远时，趋近速度大幅提高；状态点离切换面近时，趋近速度能够平滑下降；通过调节第一超扭曲滑膜控制模块2、第二超扭曲滑膜控制模块6的参数，使幂次函数工作在线性区域，从根本上避免了切换开关的工作，从而消除了滑模控制的趋近运动带来的抖振，使系统具有全局鲁棒性。
(5)将ud、uq输入至park逆变换模块3进行park逆变换，变换到两相静止αβ坐标系下，得到两相静止αβ坐标系下的正交电压uα、uβ；ud、uq为电压在旋转坐标系下的电压分量；uα、uβ为电压在两相静止αβ坐标系下的电压分量；
(6)将步骤(5)得到的正交电压uα、uβ输入svpwm模块4，输出六路整流电源，由逆变器模块5对于来自svpwm模块4的六路整流电源逆变后对永磁同步电机模块12进行供电，udc为直流母线电压。
获取反馈转矩te，获取
a、对步骤(5)逆变后的三相电流采样得到ia、ib、ic，通过坐标变换，变换到dq坐标系下；
b、对变换到自然坐标系下三相电流ia、ib、ic进行3/2变换得到iα、iβ，再进行park变换得到id、iq；
c、对变换到自然坐标系下三相电压ua、ub、uc进行3/2变换得到uα、uβ，再进行park变换得到ud；
将得到的dq坐标系下的电流id、iq与d轴下的电压ud输入磁链转矩估计单元11，得到实时磁链
rs为定子电阻，pn为磁极对数，
永磁同步电机(pmsm)的数学模型：
旋转坐标系下的永磁同步电机数学模型，其电压方程为：
永磁同步电机的转矩方程为：
对于表贴式永磁同步电机，有ld＝lq＝l，转矩方程可以简化为：
永磁同步电机的运动方程为：
ud、uq为定子电压矢量在d、q轴分量；id、iq为定子电流矢量在d、q轴分量；
为了获得磁链控制器的表达式，定义磁链的滑模面函数为：
为得到转矩控制器的表达式，定义转矩的滑模面函数表达式为
基于matlab/simulink工具箱将传统永磁同步电机直接转矩控制方法与本方法进行比较，采用的电机参数设置为：磁极对数pn＝4，定子电感ls＝8.5mh，定子电阻rs＝2.875ω,永磁体磁链
如下图所示，图4、图5分别为传统永磁同步电机直接转矩控制仿真的转速、转矩波形图。图6、图7为本永磁同步电机控制方法仿真的转速与转矩图。对比可知，本控制系统速度响应比传统pmsm-dtc系统速度响应在时间上减小了0.06s，能在更短的时间内能够使速度趋于稳定。同时对转矩的突变有很好的鲁棒性，转矩的脉动减小了50％，系统的稳定性优于传统的pmsm-dtc系统。因此，本方法能够提高永磁同步电机的抗干扰性能，并且使本永磁同步电机控制方法具备更好的稳定性和收敛性。