改进指数趋近律的永磁同步电机组合速度控制器方法与流程

1.本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种改进指数趋近律的永磁同步电机组合速度控制器方法。


背景技术：

2.三相永磁同步电机调速系统中的速度控制器普遍采用传统的pi控制器，其具有算法简单、参数整定方便及可靠性高等优点。但是，pmsm系统是一个非线性、强耦合的多变量系统，很容易因为外部干扰的影响或者是内部自身参数的变化，使得基于传统pi控制的系统不能满足实际工作的要求。滑模控制替代传统pi控制是一个有效方法，但是传统滑模控制在运行过程中存在抖振，并且传统指数趋近律的控制系统中抑制抖振和提高趋近速度存在一定的矛盾，其优越性难以发挥，所以对于如何使永磁同步电机系统能够有更快的反应速度和更好的稳定性，本发明做了一种改进指数趋近律的永磁同步电机组合速度控制器来解决以上问题。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种改进指数趋近律的永磁同步电机组合速度控制器方法，解决了传统滑模控制存在在运行过程中存在抖振，且指数趋近律的永磁同步电机控制系统中抑制抖振和提高趋近速度存在一定矛盾，以及传统pi控制系统应对干扰能力不强等问题。
4.本发明提出了一种新的趋近律，通过对传统指数趋近律的等速趋近项进行改进，满足了系统在滑模运动的不同阶段的要求，有效地改善了这一矛盾，并设计了改进指数趋近律的滑模速度控制器，其趋近速度快，无抖振现象，性能要明显优于传统指数趋近律速度控制器。基于此进一步提出了改进smc和pi控制结合的组合速度控制器，它的应用，很好地提升了pmsm系统的调速性能和鲁棒性，增强了系统的可靠性。解决技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
5.步骤一：通过电流检测电路和编码器测量电机角速度ωm、三相定子电流、电磁转矩te、转子位置θ，将测量到的三相定子电流值与转子位置θ送入clark与park模块进行坐标变换，计算出反馈来的d轴电流id和q轴电流iq；将测量到的电机速度与给定速度作比较，得到基于改进指数趋近律的滑模控制与pi控制结合的组合速度控制器滑模速度控制器的输入值e
nr
。
6.步骤二：将e
nr
作为输入值送入基于改进指数趋近律的滑模控制与pi控制结合的组合速度控制器中，输出为i
qref
，与反馈来的iq作差作为q轴电流控制器的输入，将0与反馈来的id作差作为d轴电流控制器的输入，然后输出分别与前馈补偿ωe(ldid+φf)和-ωel
qiq
相加，得到uq和ud。组合速度控制器具体设计如下：
7.1)设计改进指数趋近律的速度控制器。
8.表贴式pmsm在同步旋转坐标系轴下定子电压方程为
[0009][0010]
式中：ud、uq分别为定子电压的d、q轴分量；id、iq分别为定子电流的d、q轴分量；r为定子的电阻；ωe为电机的实际转速；ld、lq分别是d、q轴电感分量；为永磁体磁链。
[0011]
转速方程为
[0012][0013]
式中：te为电机的电磁转矩；t
l
为负载转矩；j为转动惯量；pn为三相pmsm的极对数。
[0014]
根据传统指数趋近律
[0015][0016]
本发明提出了一种改进的指数趋近律
[0017][0018]
其中，ε1＞1，α，β＞0。
[0019]
根据滑模到达条件
[0020][0021]
可以看出设计的改进指数趋近律满足可达性条件。
[0022]
三相pmsm调速控制系统的电流环采用id＝0的控制策略，此时，由式(1)和式(2)可得到下式
[0023][0024]
定义pmsm系统状态变量为：
[0025][0026]
式中：ω
ref
为电机参考转速。
[0027]
由上式可知，
[0028][0029]
令定义滑模面函数为s＝cx1+x2，c＞0，对其求导，可得
[0030][0031]
由式(4)和式(8)可得改进指数趋近律的速度控制器为
[0032][0033]
从而可得q轴参考电流为
[0034][0035]
2)设计基于步骤三的速度控制器与pi控制相结合的组合速度控制器。
[0036]
二者通过加权因子ρ1和ρ2来调节改进滑模控制和pi控制在系统运行的不同阶段所占的比重。在速度误差信号大时，选用步骤二设计的基于改进指数趋近律设计的滑模速度控制器；在误差信号小时，选用具有无静差、无超调等优点的pi控制方法进行控制。具体如公式(12)所示
[0037]iqref
＝i
q_smc
*ρ1+i
q_pi
*ρ2ꢀꢀꢀ
(12)
[0038]
步骤三：将uq和ud作park反变换，得到u
α
和u
β
作为svpwm模块的两个输入，输出pwm波。利用生成的pwm波控制三电平逆变器各个开关器件的开关状态，进而实现对永磁同步电机的控制。
[0039]
本发明的有益效果：
[0040]
本发明设计了一种改进指数趋近律的滑模速度控制器，与传统滑模速度控制器相比，改进指数趋近律速度控制器趋近速度快，无抖振现象，性能要明显优于传统指数趋近律速度控制器。
[0041]
本发明设计了一个基于改进指数趋近律的滑模控制和pi控制相结合的组合速度控制器，它相较于传统滑模控制器系统运行更稳定，相较pi控制器系统收敛速度更快，表明本发明可以很好地提升系统的快速性和消除传统滑模控制器中存在的抖振现象，提高了系统的鲁棒性，在实际工程中有很强的实用性。
附图说明
[0042]
图1为基于组合速度控制器的pmsm双闭环系统结构框图。
[0043]
图2为电源电路。
[0044]
图3为u相驱动电路。
[0045]
图4为相电流采样电路。
[0046]
图5为转速、位置检测电路。
[0047]
图6为直流母线过压保护电路。
[0048]
图7为控制系统主程序流程图。
[0049]
图8为中断服务程序流程图。
[0050]
图9为改进趋近律与传统趋近律控制器收敛过程对比图。
[0051]
图10为组合控制器系统与传统smc控制器pmsm系统转速响应对比图。
[0052]
图11为组合控制器系统与传统smc控制器pmsm系统抖振水平对比图。
[0053]
图12为组合控制器系统与传统smc控制器pmsm系统转矩响应对比图。
具体实施方式
[0054]
本发明提供了一种改进指数趋近律的永磁同步电机组合速度控制器方法，应用于三相永磁同步电机控制系统中，为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。
[0055]
实施例1
[0056]
该实施例主要由驱动电路和控制电路构成。其中，驱动电路采用三相全控整流，经过电容滤波，然后由功率模块构成的三相逆变部分得到电机驱动信号。驱动电路主要由三相电流检测电路、光耦隔离电路、逆变器、滤波电容和16kw交流永磁同步电机组等部分构成；控制电路采用dsp作为主控芯片，主要完成6路svpwm控制信号的生成、ad采样、转子位置和转速检测等功能，主要有编码器信号处理电路、电源电路、过压过流检测电路等部分构成。
[0057]
步骤一：采用ti公司c2000系列的tms320f28335作为主控芯片。tms320f28335采用低功耗设计，主频最高可达150mhz；采用哈佛总线架构，可以对程序和数据同时进行操作；配备高性能的32位中央处理器，运算能力强大、对中断信号的响应快速；12位采样精度的adc采样模块；丰富的片内存储单元和外部存储器接口；可对多种通信方式进行选择。
[0058]
步骤二：tms320f28335的内核电压为3.3v，i/o电压为1.9v，而电流、电压和温度检测模块中输入电压所需为5v，其中的运算放大器需接15v的电源，编码器输入电压为5.3v，本系统的直流侧母线电压为24v。如图2所示，从接线端子引入直流24v电源，经电源滤波器lzjb11-3a滤波后进入dc-dc电源模块urb2405ymd-10wr3，输出5v电源，之后经过电容滤波后分别由lt1085cm-3.3和as1117-adj芯片为dsp输出3.3v和1.9v的电源电压。
[0059]
步骤三：如图3所示，驱动电路使用igbt模块作为功率开关器件，每个模块包含两个单相全桥，每个模块内部设计了温度传感器，以检测模块温度，防止器件过热。电路中共使用3个集成模块，构成三相全桥逆变器。上下桥臂的驱动电路使用irs21867驱动芯片输出两路互补信号，控制igbt通断。irs21867芯片使用15v供电，内部集成了上桥臂自举电路和输出保护电路，有效防止桥臂直通，输出端开关时间最高仅有170ns，完全满足高速控制的需求，输入信号来自dsp引脚的pwm脉冲。
[0060]
步骤四：如图4所示，电流采样电路使用霍尔电流传感器，型号为hc5fw，输出为线性电压信号。该信号经滤波、放大、电压跟随后由运算放大器op27的6脚输出，为避免输出电压过大，烧坏dsp引脚，输出端使用r16限流，二极管d3和稳压管d4进一步箝位输出电压。
[0061]
步骤五：本实例采用增量式编码器检测电机的转速以及转子的位置，如图5所示，差分脉冲信号通过db15接口进入驱动板，经过am26ls32芯片转换为单端a、b、z编码器信号，最终由dsp的eqep单元处理得到电机位置和转速信息。
[0062]
步骤六：如图6所示，在直流母线过压保护电路中，过压保护值udrefh由滑动变阻器rp3设定，当采样电压ud超过设定电压时，比较器输出低电平，光耦导通，输出过流信号udoi为高电平，dsp响应外部中断，执行相应处理程序。
[0063]
实施例2
[0064]
实施例软件部分的主体功能是由主程序和定时器中断服务程序实现的。
[0065]
步骤一：主程序及初始化程序
[0066]
如图7所示，主程序对系统时钟、看门狗、gpio口、系统中断、定时器、epwm模块、
eqep模块、相关寄存器、pi控制器和svpwm等变量进行初始化设置，并且设置一个gpio口控制系统的使能。系统使能后，定时器中断发生时，程序转去执行中断服务程序，中断程序执行完成后返回死循环继续进行gpio口扫描，并等待下一次中断。
[0067]
步骤二：中断服务程序
[0068]
如图8所示，本实例中，首先通过霍尔信号判断转子所在扇区，并将该扇区所对应中间位置信息作为估计初始位置，之后进行矢量计算输出pwm波驱动电机运动。当eqep模块接收到z信号时，确定精确的转子位置，完成位置检测。每个载波周期定时器都会产生一次中断，定时器中断的频率根据逆变器的开关频率决定。
[0069]
本实例设定定时器中断频率为10khz，即系统pwm周期为。定时器中断调用改进smc计算函数、pid计算函数及svpwm计算函数等，用以完成永磁同步电机控制过程。