基于滑模控制理论的永磁同步电机的控制方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于永磁同步电机技术领域，更具体地，涉及一种基于滑模控制理论的永 磁同步电机的控制方法及系统。
【背景技术】
[0002] 近几年，随着稀土永磁材料和电力功率器件的发展，永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)以其高性能、高转矩惯量比和高能量密度得到了广泛的 关注，特别是永磁材料价格的下降及磁性能的提高，极大地推动了永磁同步电机的发展和 应用。近年来，在高精度、宽调速范围的伺服系统中，永磁同步电机系统正发挥着越来越重 要的作用。永磁同步电机是一个多变量、强耦合的非线性系统，它的应用环境一般较为复杂 且常常存在各种干扰，同时存在着参数摄动、负载扰动等不确定性。
[0003] 现有的电机控制技术中，矢量控制应用最为广泛。永磁同步电机矢量控制采用速 度外环和电流内环的双闭环结构，其中，电流环往往需要先将三相电流经过dq变换，然后 分别进行PI调节，将PI调节的结果作为PWM的控制量，经PWM算法输出控制信号，完成对 电机的控制；速度环一般加入一些控制策略，近年来随着现代控制理论、电力功率器件和电 力电子技术以及其它相关科学的进一步发展，许多关于永磁同步电机速度环的调速策略纷 纷被提出，如自适应控制、神经网络控制、模糊控制、遗传算法控制等。尽管如此，传统的矢 量控制电机动态响应较慢，且在运行过程中电机参数会随着工况负荷等发生变化，即参数 摄动、负载扰动等，进而会影响电机的控制精度。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于滑模控制理论的永 磁同步电机的控制方法及系统，能在系统受到干扰和不确定参数同时存在的情况下快速有 效地调节永磁同步电机的各项输入和输出参数，动态响应速度快，鲁棒性高，提高了永磁同 步电机的控制精度及其运行的可靠性。
[0005] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种永磁同步电机的控制方法， 其特征在于，包括如下步骤：
[0006] (1)采集永磁同步电机的转子位置Θ、转子角速度ω和三相电流ia、ib和i。，对永 磁同步电机的三相电流ia、ib和i。进行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ijP i q;
[0007] (2)利用采集的永磁同步电机的转子角速度ω和预设的永磁同步电机的参考转 子角速度ω%得到永磁同步电机的q轴参考电流(6:为：
[0009] 其中，J为转动惯量，kp和k 别为下述步骤（3)中PI控制的比例系数和积分系 数，4=1.511151^，1115为极对数，11^为转子磁链， 8为拉普拉斯算子，^为〇^的二阶导数， 为ω#的一阶导数，：为ω的一阶导数，α > 〇为常数，σ为常数且1 < σ < 2, v为 非奇异终端滑模变量，sat (V)表示对ν求饱和函数值，k为常数且k大于永磁同步电机矢量 控制系统中有界函数的上下限绝对值的最大值；
[0010] (3)将预设的永磁同步电机的d轴参考电流g;和永磁同步电机的q轴参考电流ζ 分别与永磁同步电机在dq轴坐标系下的等效电流ijP i q作差后，进行PI控制得到dq轴 坐标系下的电压量叫和U q;
[0011] ⑷用于dq轴坐标系下的电压量叫和u q经过坐标变换以及正弦脉冲宽度调制得 到永磁同步电机的三相输入电压，驱动永磁同步电机运行。
[0012] 优选地，所述步骤（2)中，非奇异终端滑模变量
[0013] 优选地，预设永磁同步电机的d轴参考电流
[0014] 优选地，预设永磁同步电机的参考转子角速度为已知常数或随时间变化的已 知量。
[0015] 按照本发明的另一方面，提供了一种永磁同步电机的控制系统，其特征在于，包 括：
[0016] 第一模块，用于米集永磁同步电机的转子位置Θ、转子角速度ω和三相电流ia、i b和i。，对永磁同步电机的三相电流ia、ib和i。进行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ijP i q;
[0017] 第二模块，用于利用采集的永磁同步电机的转子角速度ω和预设的永磁同步电 机的参考转子角速度ω%得到永磁同步电机的q轴参考电流<为：
[0019] 其中，J为转动惯量，kp和k 别为下述步骤（3)中PI控制的比例系数和积分系 数，4=1.511151^，1115为极对数，11^为转子磁链， 8为拉普拉斯算子，^为〇^的二阶导数， i为ω#的一阶导数，&为ω的一阶导数，α > 〇为常数，σ为常数且1 < σ < 2, ν为 非奇异终端滑模变量，sat (V)表示对ν求饱和函数值，k为常数且k大于永磁同步电机矢量 控制系统中有界函数的上下限绝对值的最大值；
[0020] 第三模块，用于将预设的永磁同步电机的d轴参考电流?和永磁同步电机的q轴 参考电流<分别与永磁同步电机在dq轴坐标系下的等效电流ijP i q作差后，进行PI控制 得到永磁同步电机在dq轴坐标系下的电压量^和u q;
[0021] 第四模块，用于dq轴坐标系下的电压量叫和u q经过坐标变换以及正弦脉冲宽度 调制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。
[0022] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效 果：
[0023] (1)在永磁同步电机矢量控制系统的速度环引入非奇异终端滑模控制，基于非奇 异终端滑模控制方法对速度控制器进行了重新设计，得到了较为稳定的q轴参考电流；根 据通用的矢量控制理论，永磁同步电机输出转矩与q轴参考电流成正比例，进而使永磁同 步电机的转速等输出量能够在复杂的工况下跟随或保持在设定值，并且其他如转矩、三相 输出电流等输出量的响应速度及稳定性明显改善，鲁棒性得到显著提高。
[0024] (2)采用了非奇异终端滑模控制算法，由于非奇异终端滑模控制系统的"结构"并 不固定，而是根据系统的状态按照预定的"滑动模态"的状态轨迹滑动，因而可以在系统受 到干扰和不确定参数同时存在的情况下快速有效地调节永磁同步电机的各项输入和输出 参数，最后使逆变器输出需要的电压，使永磁同步电机的运行符合高鲁棒性和低抖振的要 求。
[0025] (3)通过非奇异终端滑模的滑动模态设计规避了传统滑模控制奇异现象（在应用 中的某个特定区域，控制输入会出现无穷大的情况）的发生，提高了永磁同步电机系统运 行的可靠性。
【附图说明】
[0026] 图1是本发明实施例的基于滑模控制理论的永磁同步电机的控制方法的原理示 意图；
[0027] 图2是定转子绕组坐标变换示意图；
[0028] 图3是永磁同步电机矢量控制系统速度环的原理示意图；
[0029] 图4是永磁同步电机的转速波形图；
[0030] 图5是永磁同步电机的输出转矩示意图。
【具体实施方式】
[0031] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0032] 本发明的目的是克服永磁同步电机在复杂工况下面临的各种参数和负载干扰，导 致其控制动态响应慢、控制效果差的缺陷，提供了一种动态响应速度快、自适应能力强、控 制精度高的永磁同步电机控制方法。该方法不仅能够实现永磁同步电机的精确控制，而且 能够在参数和负载出现变化时实现永磁同步电机的快速响应。
[0033] 如图1所示，本发明实施例的基于滑模控制理论的永磁同步电机的控制方法包括 如下步骤：
[0034] (1)采集永磁同步电机的转子位置Θ、转子角速度ω和三相电流ia、ib和i。，对永 磁同步电机的三相电流ia、ib和i。进行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ijP i q。
[0035] 根据矢量控制理论，永磁同步电机的各个物理量都需要经过坐标变换，最终在两 相旋转坐标系（dq轴坐标系）下进行控制。定转子绕组坐标变换如图2所示。
[0037] (2)设定永磁同步电机的参考转子角速度ω#和d轴参考电流/〕，其中，0，参 考转子角速度可以为常数，也可以随时间变化。
[0038] (3)利用永磁同步电机的转子角速度ω和参考转子角速度ω%在永磁同步电机 的矢量控制系统中通过如下方程进行速度控制，得到永磁同步电机的q轴参考电流ζ s
[0040] 其中，J为转动惯量，<和k i分别为永磁同步电机矢量控制系统中的PI控制器的 比例系数和积分系数，kf = 1. 5η ρ Φ f，Φ f为转子磁链，η p为极对数，s为拉普拉斯算子，^ 为参考转子角速度的二阶导数，y为参考转子角速度的一阶导数，&为转子角速度 ω的一阶导数，α > 0为常数，σ为常数（1 < σ < 2)，v为非奇异终端滑模变量/滑模 面，sat (ν)表示对ν求饱和函数值，k为常数，其取值应当大于永磁同步电机矢量控制系统 中有界函数的上下限绝对值的最大值。α和k可以根据永磁同步电机矢量控制系统的函数 模型取值，也可以直接取为1〇5到10 6数量级的常数，非奇异终端滑模控制方法足以使速度 控制的最终结果收敛至理想值。
[0041] 上述方程的推导过程如下：
[0042] 通用的dq轴坐标系下永磁同步电机的基本数学模型如下：
[0044] 其中，Rs为定子电阻，L