[发明专利]基于高阶滑模方法的永磁同步电机控制系统及控制方法

摘要

本发明涉及一种基于高阶滑模方法的永磁同步电机控制系统，其特征在于，它包括Clark变换模块、Park变换模块、旋转变压器、高阶滑模观测器、二阶超螺旋滑模控制器、第一比较器、第二比较器、永磁同步电机d轴电流环比例积分控制器、永磁同步电机q轴电流环比例积分控制器、Park逆变换模块、脉冲宽度调制模块和逆变器；本发明能在受到干扰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。

主权项

1.一种利用基于高阶滑模方法的永磁同步电机控制系统的永磁同步电机控制方法，基于高阶滑模方法的永磁同步电机控制系统包括Clark变换模块(1)、Park变换模块(2)、旋转变压器(3)、高阶滑模观测器(4)、二阶超螺旋滑模控制器(5)、第一比较器(6)、第二比较器(7)、永磁同步电机d轴电流环比例积分控制器(8)、永磁同步电机q轴电流环比例积分控制器(9)、Park逆变换模块(10)、脉冲宽度调制模块(11)和逆变器(12)；其中，旋转变压器(3)的输入端连接永磁同步电机(13)的转子参数输出端，旋转变压器(3)的转子位置输出端连接Park变换模块(2)的转子位置数据输入端；旋转变压器(3)的转子角速度数据输出端连接高阶滑模观测器(4)的转子角速度数据输入端，高阶滑模观测器(4)的观测干扰值输出端连接二阶超螺旋滑模控制器(5)的观测干扰值输入端；旋转变压器(3)的转子角速度数据输出端还连接二阶超螺旋滑模控制器(5)的转子角速度输入端；二阶超螺旋滑模控制器(5)的参考数据输入端用于接收预设的永磁同步电机给定转速；二阶超螺旋滑模控制器(5)的输出端连接第二比较器(7)的参考数据输入端，二阶超螺旋滑模控制器(5)的输出端还连接高阶滑模观测器(4)的观测数据输入端；所述Clark变换模块(1)的输入端连接永磁同步电机(13)的电流输出端，所述Clark变换模块(1)的输出端连接Park变换模块(2)的输入端；Park变换模块(2)的永磁同步电机d轴电流输出端连接第一比较器(6)的反馈输入端，第一比较器(6)的输入端用于输入永磁同步电机d轴参考电流，第一比较器(6)的输出端通过永磁同步电机d轴电流环比例积分控制器(8)连接Park逆变换模块(10)的永磁同步电机d轴电压输入端；Park变换模块(2)的永磁同步电机q轴电流输出端连接第二比较器(7)的反馈输入端，第二比较器(7)的输出端通过永磁同步电机q轴电流环比例积分控制器(9)连接Park逆变换模块(10)的永磁同步电机q轴电压输入端；Park逆变换模块(10)的输出端连接脉冲宽度调制模块(11)的输入端，脉冲宽度调制模块(11)的输出端连接逆变器(12)的输入端，逆变器(12)的输出端连接永磁同步电机(13)的三相电压输入端；其特征在于：永磁同步电机控制方法包括如下步骤：步骤1：采集永磁同步电机(13)的转子位置θ、转子机械角速度ωm和三相电流ia、ib和ic，对永磁同步电机(13)的三相电流ia、ib和ic依次进行Clark变换和Park变换，得到永磁同步电机(13)在dq轴坐标系下的等效电流id和iq；步骤2：将采集的永磁同步电机(13)的转子机械角速度ω_m和预设的永磁同步电机给定转速带入二阶超螺旋滑模控制器(5)得到控制器输出值为：其中，ω_m为实际的转子机械角速度，为给定转子机械角速度，为ω_m的一阶导数，为的一阶导数，为的导数，c为滑模控制设计参数，B为永磁同步电机摩擦阻尼系数，J为永磁同步电机的转动惯量，k_p为永磁同步电机q轴电流环比例积分控制器比例系数，k_i为永磁同步电机q轴电流环比例积分控制器积分系数，λ₁,λ₂为与系统动态响应能力和干扰大小相关的超螺旋滑模参数，σ为根据转速误差及其导数设计的滑模变量，sgn()为符号函数，u为二阶超螺旋滑模控制器的控制器输出值，τ为积分时间变量；步骤3：将采集的永磁同步电机(13)的转子机械角速度ωm和步骤(2)得到的二阶超螺旋滑模控制器(5)的控制器输出值u输入到高阶滑模观测器(4)得到干扰观测值：其中，为电机转速ω_m的一阶导数，为电机转速ω_m的观测值，ω_m为实际的转子机械角速度，为的一阶导数，为的导数，为干扰观测值的导数，k₁,k₂,k₃为正的常数，其中k₁决定了观测器收敛速度，k₂的大小由电机系统最大干扰决定，k₃由系统干扰最大变化率决定，为转速误差，B为永磁同步电机摩擦阻尼系数，k_p为永磁同步电机q轴电流环比例积分控制器比例系数，J为永磁同步电机的转动惯量，k_i为永磁同步电机q轴电流环比例积分控制器积分系数，观测器在稳定时可以得到各物理量精确的观测值；步骤4：将步骤(3)中观测到的观测干扰值带入步骤(2)的二阶超螺旋滑模控制器(5)的控制器输出值公式，得到二阶超螺旋滑模控制器(5)的控制器最终输出值U：步骤5：二阶超螺旋滑模控制器(5)的控制器最终输出值U结合永磁同步电机基于转速的二阶模型，得到永磁同步电机的q轴参考电流为：其中，U为二阶超螺旋滑模控制器(5)的控制器最终输出值，kp为永磁同步电机q轴电流环比例积分控制器比例系数，J为永磁同步电机(13)的转动惯量，kf＝1.5npψf/J为中间变量，ki为永磁同步电机q轴电流环比例积分控制器积分系数，s为Laplace算子，np为永磁同步电机的极对数，ψf为永磁同步电机的永磁磁链；步骤6：将永磁同步电机的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(13)dq轴坐标系下的等效电流i_d和i_q作差后，进行比例积分控制得到永磁同步电机(13)在dq轴坐标系下的输入电压u_d和u_q；步骤7：对永磁同步电机(13)在dq轴坐标系下的输入电压u_d和u_q进行Park逆变换，得到永磁同步电机(13)在αβ轴坐标系下的输入电压u_α和u_β，将u_α和u_β作为载波信号，通过正弦脉冲宽度调制得到逆变器(12)的开关管控制信号，将逆变器(12)的开关管控制信号输入至逆变器(12)控制电路，控制逆变器(12)中的绝缘栅双极型晶体管的导通和关断，进而输出永磁同步电机(13)的三相输入电压，驱动永磁同步电机(13)按给定转子机械角速度运行。