一种模糊滑模控制的永磁同步电机矢量控制系统及方法与流程

本发明属于永磁同步电机的矢量控制技术领域，尤其涉及一种模糊滑模控制的永磁同步电机矢量控制系统及方法。

背景技术：

永磁同步电动机以高功率密度、高效率、高可靠性及结构简单、轻量化等优点著称，目前广泛应用于国民经济、工业生产和国防航天等领域。

然而，永磁同步电机是一个多变量、强耦合的非线性系统，存在着诸如电流耦合、系统饱和、参数摄动和外部扰动等诸多不利因素，直接影响着控制系统性能的提高。为了实际工程应用的需求，迫切需要在永磁同步电机控制方法上有所突破，以保证高性能永磁同步电机系统的发展。

电力电子技术和微处理器技术的发展为永磁同步电机先进控制方法的应用提供了坚实的基础，目前矢量控制是一种实现高动态性能永磁同步电动控制的两种主流控制策略之一。

目前矢量控制是一种实现高动态性能永磁同步电动控制的一种主流控制策略。pi控制器问世至今已有70年历史，具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点，成为工业控制的主要技术之一。pi控制是经典的控制策略，方法简单，既能提高系统静态精度，又能提高系统稳定性和改善系统动态品质，故广泛应用于电机控制。典型的永磁同步电机矢量控制系统是一个包含电流环、速度环和位置环的三闭环控制系统。传统位置环、速度环和电流环的调节控制器都是采用pi控制器。但永磁同步电机是具有强耦合的非线性对象，很难用精确的数学模型表示，并且电机运行过程中，往往会存在各种不可预见的干扰，同时电机参数也会变化。

滑模控制(slidingmodecontrol,smc)是一种特殊的非线性控制，具有响应速度快、对参数变化及外部扰动鲁棒性强、实现简单等诸多优点。然而，这种控制方法需要根据系统状态在不同的控制器结构之间进行频繁的切换，这不可避免会造成系统抖振。因此，如何削弱系统抖振成为将滑模控制理论应用于实际电机驱动系统的研究热点。

在各种控制器中，滑模变结构控制器以其鲁棒性好、实现相对简单等优点在机电系统的控制中占有重要的地位，且得到了广泛的应用。但滑模控制器也有产生抖振的缺点，滑模变结构控制器与智能控制算法的结合成为解决这一问题的有效途径。其中，模糊滑模控制器是近年来出现的一种新的滑模变结构控制方法，与传统的线性滑模变结构控制器相比，它除了具有较强鲁棒性的特点之外，还具有快速收敛的特性，使控制系统在较短的时间收敛到期望轨迹，并且在切换面上具有更高的稳态精度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种采用模糊控制和滑模控制相结合的系统及方法，以减小抖振问题和驱动饱和问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种采用模糊滑模控制的永磁同步电机矢量控制系统，包括pmsm模块、坐标变换模块、模糊滑模控制器、转矩电流调节器、励磁电流调节器、svpwm模块、三相逆变器、转速计算模块；

pmsm模块用于检测永磁同步电机三相绕组电流ia、ib、ic；

坐标变换模块包括clark变换模块、park变换模块和park逆变换模块；

clark变换模块用于将pmsm模块的输出ia、ib、ic通过两个静止坐标系之间的clark变换，获得clark变换模块的输出电流iα、iβ；

park变换模块用于将clark变换模块的输出电流iα、iβ通过静止坐标系和旋转坐标系之间的park变换，获得park变换模块的输出电流id、iq；

park逆变换模块用于将转矩电流调节器和励磁电流调节器的输出电压ud^*、uq^*变换成park逆变换模块的输出电压uα^*、uβ^*；

模糊滑模控制器，用于将实际转速nr和设定转速nr^*的差值通过模糊滑模控制器的校正，得到q轴参考电流iq^*；

转矩电流调节器，用于将park变换模块的输出电流id与设定电流id^*比较进行做差运算，并将差值通过转矩电流调节器对其进行校正输出d轴参考电压ud^*；

励磁电流调节器是将park变换模块的输出电流iq与设定电流iq^*比较进行做差运算，并将差值通过励磁电流调节器对其进行校正输出q轴参考电压uq^*；

svpwm模块，用于将park逆变换模块的输出电压uα^*、uβ^*进行空间矢量调制，输出pwm波形到三相逆变器；

三相逆变器，向永磁同步电机输入三相电压控制其运行；

转速计算模块用于进行估算处理，得到转子位置估计值θc和实际转速nr。

一种采用模糊滑模控制的永磁同步电机矢量控制方法，包括采用模糊规则设计基于等效控制的模糊滑模控制器，再通过设计模糊逻辑规则实现模糊滑模控制；具体步骤如下：

步骤1、永磁同步电机三相绕组中的电流ia、ib、ic通过两个静止坐标系之间的clark变换，获得clark变换模块输出电流iα、iβ；然后将clark变换模块输出电流iα、iβ通过静止坐标系和旋转坐标系之间的park变换，获得park变换模块输出电流id、iq；

步骤2、将设定转速nr^*通过模糊滑模控制器校正，得到q轴参考电流iq^*；将park变换模块输出电流id、iq与d轴参考电流id^*、q轴参考电流iq^*做比较，并通过转矩电流调节器和励磁电流调节器对其进行校正，接着与前馈电压相合成，然后通过park逆变换，将转矩电流调节器和励磁电流调节器输出的d轴参考电压ud^*、q轴参考电压uq^*变换成park逆变换模块的输出电压uα^*、uβ^*；

步骤3、通过svpwm模块对park逆变换模块的输出电压uα^*、uβ^*进行电压空间矢量调制，将新的三相给定电压施加给永磁同步电机的三相绕组；通过外环将实际转速nr与设定转速nr^*进行比较，并以此来驱动和调节q轴参考电流iq^*。

在上述的采用模糊滑模控制的永磁同步电机矢量控制方法中，步骤1所述clark变换是把abc三轴坐标系下电流变换成αβ直角坐标系下clark变换模块输出电流iα、iβ；所述park变换是把αβ直角坐标系下电流变换成dq直角坐标系下park变换模块输出电流id、iq。

在上述的采用模糊滑模控制的永磁同步电机矢量控制方法中，步骤2的实现包括采用双闭环控制，将实际转速nr反馈，得到与设定转速nr^*的差值，通过模糊滑模控制器得到q轴参考电流iq^*；将park变换模块输出电流id、iq反馈，得到与d轴参考电流id^*＝0和q轴参考电流iq^*的差值，再通过转矩电流调节器和励磁电流调节器得到d轴参考电压ud^*、q轴参考电压uq^*。

在上述的采用模糊滑模控制的永磁同步电机矢量控制方法中，步骤3的实现包括svpwm模块产生六路pwm信号，驱动三相逆变器，产生三相给定电压控制永磁同步电机运行。

本发明的有益效果：1.在矢量控制的基础上添加滑模控制，能够提高鲁棒性和抗干扰能力。

2.设计模糊控制结合滑模控制器替代传统的pi控制器，通过模糊控制的模糊规则，使滑模控制中的滑模面为零，柔化了控制信号，从而可减轻或避免传统滑模控制存在的抖振问题和驱动饱和问题。

附图说明

图1为本发明一个实施例的总体结构示意图；

图2为本发明一个实施例模糊滑模控制器结构图；

图3为本发明一个实施例模糊输入的隶属函数；

图4为本发明一个实施例模糊输出的隶属函数；

图5为本发明一个实施例仿真转速变化波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

当永磁同步电机在iq＝0的矢量控制下，其速度控制器采用的传统pi控制器是线性的，鲁棒性不够强，抗干扰能力差。而滑模控制具有快速响应，对参数变化及扰动不灵敏的优点，同时存在着抖振问题，所以本实施例采用模糊滑模控制器代替滑模控制的切换部分，通过模糊控制中引入可变增益达到满足滑模存在条件和减少抖振的目的。实现减小滑模控制的抖振，提高控制系统的强鲁棒性和抗干扰能力。

本实施例是通过以下技术方案实现的，如图1所示，一种采用模糊滑模控制的永磁同步电机矢量控制系统，包括pmsm模块，坐标变换模块，模糊滑模控制器，转矩电流调节器，励磁电流调节器，svpwm模块，三相逆变器，转速计算模块。

而且，pmsm模块用于检测永磁同步电机三相绕组电流ia、ib、ic。

而且，坐标变换模块包括clark变换模块、park变换模块和park逆变换模块。clark变换模块用于将pmsm模块的输出ia、ib、ic通过两个静止坐标系之间的clark变换，获得clark变换模块的输出电流iα、iβ。park变换模块用于将clark变换模块的输出电流iα、iβ通过静止坐标系和旋转坐标系之间的park变换，获得park变换模块的输出电流id、iq。park逆变换模块用于将转矩电流调节器和励磁电流调节器的输出电压ud^*、uq^*变换成park逆变换模块的输出电压uα^*、uβ^*。

而且，模糊滑模控制器，用于将实际转速nr和设定转速nr^*的差值通过模糊滑模控制器的校正，得到q轴参考电流iq^*。

而且，转矩电流调节器，用于将park变换模块的输出电流id与设定电流id^*比较进行做差运算，并将差值通过转矩电流调节器对其进行校正输出d轴参考电压ud^*。

而且，励磁电流调节器是将park变换模块的输出电流iq与设定电流iq^*比较进行做差运算，并将差值通过励磁电流调节器对其进行校正输出q轴参考电压uq^*。

而且，svpwm模块，用于将park逆变换模块的输出电压uα^*、uβ^*进行空间矢量调制，输出pwm波形到三相逆变器。

而且，三相逆变器，向永磁同步电机输入三相电压控制其运行。

而且，转速计算模块用于进行估算处理，得到转子位置估计值θc和实际转速nr。

如图2所示，模糊滑模控制器结构图，包括滑模控制器和模糊控制器。

滑模控制器模块设计如下：

考虑一般的非线性系统：

其中x,u为系统的状态和控制变量，t为时间变量。

下面为典型的系统，对一般趋近律进行分析研究：

其中的a和b为常数。

定义系统的滑模面函数为：

s＝cx，s∈r^m

其中c为常数，x为跟踪误差。

按照滑模控制理论的基本原理，正常运动阶段必须满足滑动模态的可达性条件从而使得在有限时间内到达滑模面，所以设计趋近律函数来保证正常运动阶段的品质。

一般趋近律方程为：

其中，k(t)为切换增益，是造成抖振的原因。e(t)是时变的，则为了降低抖振，k(t)也应该时变。因此采取模糊规则，根据经验实现k(t)的变化。sgn(s)为符号函数。

滑模面函数求导为：

可求得控制器u为：

u＝(cb)^-1[-cax-k(t)sgn(s)-e(t)]

根据滑模到达条件验证出在控制器的作用下，滑模控制系统是渐进稳定的。

模糊控制器模块设计如下：

滑模存在条件为当系统到达滑模面后，将会保持在滑模面上。模糊规则有以下两条，

if则k(t)应增大

if则k(t)应减小。

由上式设计关于和δk(t)之间的模糊系统，在该系统中，为输入，δk(t)为输出。

系统输入输出的隶属函数如图3，图4所示。

参见图2，采用积分的方法对的上界进行估计：

其中，g为比例系数，根据经验确定。

用代替式子中的k(t)，则控制律变为

可看出，由于采取了模糊规则，根据经验实现k(t)的变化，可根据滑模到达条件对切换增益进行有效估计，并利用切换增益消除了干扰项，从而减弱了抖振。

本实施例还提供了一种永磁同步电机矢量控制优化方法，包括以下步骤：

(1)：永磁同步电机三相绕组中的电流ia、ib、ic通过两个静止坐标系之间的clark变换，获得clark变换模块输出电流iα、iβ；然后将clark变换模块输出电流iα、iβ通过静止坐标系和旋转坐标系之间的park变换，获得park变换模块输出电流id、iq；

(2)：将设定转速nr^*通过模糊滑模控制器校正，得到q轴参考电流iq^*；将park变换模块输出电流id、iq与d轴参考电流id^*、q轴参考电流iq^*做比较，并通过转矩电流调节器和励磁电流调节器对其进行校正，接着与前馈电压相合成，然后通过park逆变换，将转矩电流调节器和励磁电流调节器输出的d轴参考电压ud^*、q轴参考电压uq^*变换成park逆变换模块的输出电压uα^*、uβ^*；

(3)：借助电压空间矢量控制技术，把新的定子电压矢量施加给永磁同步电机的三相绕组。另外通过外环将实际转速nr与设定转速nr^*进行比较，并以此来驱动和调节q轴参考电流iq^*。

(4)：本实施例优化采用的模糊滑模变结构控制是将模糊控制和滑模控制相结合的一种复合控制方式，可以充分发挥各控制器的优点。

步骤(1)中采用的clark变换是把abc三轴坐标系下电流变换成αβ直角坐标系下clark变换模块输出电流iα、iβ；所述park变换是把αβ直角坐标系下电流变换成dq直角坐标系下park变换模块输出电流id、iq。

步骤(2)中采用双闭环控制，将实际转速nr反馈，得到与设定转速nr^*的差值，通过模糊滑模控制器得到q轴参考电流iq^*；将park变换模块输出电流id、iq反馈，得到与d轴参考电流id^*＝0和q轴参考电流iq^*的差值，再通过转矩电流调节器和励磁电流调节器得到d轴参考电压ud^*、q轴参考电压uq^*。

步骤(3)中采用svpwm产生六路pwm信号，驱动逆变器，产生三相给定电压控制永磁同步电机运行。

步骤(4)中采用模糊规则设计了基于等效控制的模糊滑模控制器。通过设计模糊逻辑规则实现模糊滑模控制。

如图5所示，为本方法的仿真转速变化波形图，在0.2s突加10n·m时转速为1000r/min时的仿真波形，可看出实际转速与设定转速较好的吻合，并在转矩突变时，波形波动很小。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。