CN103872951B - 基于滑模磁链观测器的永磁同步电机转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于滑模磁链观测器的永磁同步电机转矩控制方法，通过3/2坐标变换模块、滑模磁链观测器、电磁转矩计算模块、转速PI调节器、转矩PI调节器、磁链自适应模块、预期电压计算模块、SVPWM模块和逆变器对永磁同步电机进行直接转矩控制。采用滑模磁链观测器模块估算定子磁链的大小和相位以及转子速度，给定转矩经磁链自适应模块得到定子磁链的给定值，定子磁链大小和相位估计值、定子磁链给定值以及转矩PI调节器的输出量经预期电压计算，得到两相静止坐标系上的两相交流电压参考值，再经SVPWM变换，得到开关信号以驱动电压源逆变器，实现对永磁同步电机的直接转矩控制。

Description

基于滑模磁链观测器的永磁同步电机转矩控制方法

技术领域

本发明属于永磁电机控制领域，尤其涉及一种基于滑模磁链观测器的永磁同步电机转矩控制***。

背景技术

永磁同步电机具有体积小、效率高、便于维护以及对环境适应性强等优点，在许多高性能驱动领域中得到广泛的应用。直接转矩控制具有转矩响应快、***结构简单以及对参数变化鲁棒性强等优点而倍受人们的关注。在永磁同步电机直接转矩控制中需要获取定子磁链，且磁链信号准确与否决定着***的控制性能。因此，对于高性能的永磁同步电机直接转矩控制调速***，如何准确观测定子磁链尤为重要。在传统的直接转矩控制中，一般采用电压模型或电流模型以计算定子磁链。然而，在电压模型中，由于是对定子绕组反电势的积分，当电机低速运行时，定子磁链估算精度严重下降，甚至导致***不能工作；在电流模型中，需要知道转子位置，增加了额外的位置传感器，这将增加控制***的成本，降低***的可靠性，同时还会限制永磁同步电机的使用场合。另外，在传统滞环比较的直接控制中，还存在着转矩和磁链脉动大，开关频率不固定等缺点，并且，电机运行于空载时引入了无功电流，从而导致电机功率因数下降。因此，为解决上述问题，有必要在提高开关频率和降低空载时直轴电流的前提下，提出一种新的磁链观测方法，以提高永磁同步电机直接转矩控制***的动静态性能、可靠性、鲁棒性和抗干扰能力。

发明内容

技术问题：针对上述现有技术存在的不足，提供一种基于滑模磁链观测器的永磁同步电机转矩控制方法，在提高开关频率和降低空载时直轴电流的前提下，提高永磁同步电机直接转矩控制鲁棒性和抗干扰能力。

技术方案：基于滑模磁链观测器的永磁同步电机转矩控制方法，通过3/2坐标变换模块、滑模磁链观测器、电磁转矩计算模块、转速PI调节器、转矩PI调节器、磁链自适应模块、预期电压计算模块、SVPWM模块和逆变器对永磁同步电机进行直接转矩控制，包括如下具体步骤：

步骤1)，检测永磁同步电机的三相电流i_a、i_b、i_c和三相电压u_a、u_b、u_c，经3/2坐标变换后得到两相静止交流坐标下的电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β，然后将所述电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β送至滑模磁链观测器，并将电流分量i_α、i_β送至电磁转矩计算模块；

步骤2)，根据所述电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β，所述滑模磁链观测器模块估算定子磁链大小估算值和定子磁链相位估算值以及转子速度估算值

步骤3)，将给定转速ω^*与所述转子速度估算值作差后，经转速PI调节器后得到给定转矩Te^*；

步骤4)，根据所述定子磁链大小估算值以及所述电流分量i_α、i_β，所述电磁转矩计算模块得到电机实际转矩Te；

步骤5)，所述给定转矩Te^*经磁链自适应模块得到定子磁链给定值ψ_sref；

步骤6)，将所述给定转矩Te^*与所述电机实际转矩Te作差后，经转矩PI调节器后得到输出量Δδ；

步骤7)，所述输出量Δδ、定子磁链给定值ψ_s.ref、定子磁链大小估算值以及定子磁链相位估算值经预期电压计算模块，得到两相静止坐标系上的两相交流电压参考值

步骤8)，根据定子磁链矢量位置以及所述两相交流电压参考值从开关状态表中选择相应的空间电压矢量后，经所述SVPWM模块输出调制信号到逆变器，通过所述逆变器实现永磁同步电机的直接转矩控制。

作为本发明的优选方案，所述步骤2)包括如下具体步骤：

步骤2.1)，根据所述电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β，构建滑模观测器得到电机的反电动势e_α、e_β；

步骤2.2)，根据所述反电动势e_α、e_β，通过转子位置计算模块得到转子估算位置

步骤2.3)，根据所述转子估算位置通过定子磁链估算模块得到当前定子磁链矢量ψ_α、ψ_β；

步骤2.4)，根据所述当前定子磁链矢量ψ_α、ψ_β，通过磁链观测器得到定子磁链大小估算值以及转子速度估算值

步骤2.5)，根据所述定子磁链大小估算值通过磁链位置计算模块得到定子磁链相位估算值

作为本发明的改进，步骤2.1)中所述滑模观测器的变结构函数为sigmoid函数。

有益效果：本发明运用滑模控制算法估算定子磁链和转子位置，能够精确地实时控制定子磁链，并实现了基于无位置传感器控制的永磁同步电机直接转矩控制，具有如下有益效果：

(1)本方法结合SVPWM技术和磁链自适应法，因此可减小直接转矩控制中转矩和磁链脉动，极大提高开关频率，以改善电流波形，同时也减小了电机空载或突加负载时直轴电流分量，从而可降低电机损耗，提高电机效率；

(2)构造滑模磁链观测器估算定子磁链和转子速度，提高了低速时定子磁链的估算精度，从而提高了***低速性能，同时省去了位置传感器，从而降低了控制***的成本，提高了***的可靠性，简化了***结构；

(3)本方法首次将磁链自适应法、滑模磁链观测器和SVPWM三者结合运用于永磁同步电机直接转矩控制***中，使控制***不但保留滑模控制中的良好动静态性能、抗干扰能力和鲁棒性，还拓宽了***的运行范围；

(4)所用方法计算量小，易于实现，有利于新理论的工程化和实用化。

附图说明

图1为本发明基于滑模磁链观测器的永磁同步电机转矩控制***的结构框图；

图2为滑模磁链观测器原理结构框图。

具体实施方式

下面结合图1、图2对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1所示，本发明基于滑模磁链观测器的永磁同步电机转矩控制***包括永磁同步电机、3/2坐标变换、滑模磁链观测器、电磁转矩计算、转速PI调节器、转矩PI调节器、磁链自适应、预期电压计算、SVPWM模块和逆变器。

本发明基于滑模磁链观测器的永磁同步电机转矩控制方法的具体实施步骤如下：

步骤1)，检测永磁同步电机的三相电流i_a、i_b、i_c和三相电压u_a、u_b、u_c，经3/2坐标变换后得到两相静止交流坐标下的电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β，然后将电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β送至滑模磁链观测器，并将电流分量i_α、i_β送至电磁转矩计算模块；

步骤2)，根据电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β，运用滑模磁链观测器模块估算定子磁链大小估算值和定子磁链相位估算值以及转子速度估算值其原理框图如图2所示，具体算法如下：

步骤2.1)，根据电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β，构建滑模观测器得到电机的反电动势e_α、e_β；其中，构造滑模电流观测器，具体如下：

永磁同步电机数学模型在αβ坐标系下表示为：

其中，L_s为电机的同步电感；ψ_f为永磁磁链；ω为电机转子电角速度；R_s为定子电阻；e_α和e_β为电机反电势的α、β轴分量；

根据滑模变结构控制理论，当***在滑模面上滑动时，有：

其中，为电流估算值；i_s=[i_αi_β]^T为电流实际值；

为减小***抖振，采用sigmoid函数代替传统滑模变结构的开关函数，作为滑模变结构函数，则：

其中，k为滑模系数；H为sigmoid函数；和为估算定子电流的α、β轴分量；

定义变结构函数如下：

其中，S为估算电流和实际电流的差值；a为大于零的实数，可根据实际情况调节；

将式(3)与式(1)相减，可得到滑模观测器的动态方程：

其中，S_α(X)和S_β(X)为估算电流和实际电流之差的α、β轴分量；

根据滑模运动的存在性和稳定性条件，电机的转子位置可以顺利估算的前提是必须满足：

则：

k＞max(|e_α|，|e_β|) (6)

因此，k取足够大，可保证滑模运动的渐近稳定性，当***达到滑模面时，有：

将上式代入式(5)可得电机的反电动势e_α、e_β：

步骤2.2)，根据反电动势e_α、e_β，通过转子位置计算模块得到电机的转子估算位置为：

步骤2.3)，根据转子估算位置并结合两相静止坐标系下电流分量i_α和i_β，通过定子磁链估算模块初步计算得到当前定子磁链矢量ψ_α、ψ_β：

由于步骤2.1)中所构造的滑模电流观测器中含有高频分量，因此估算出的定子磁链也含有高频分量，需要采用低通滤波器进行滤波，但低通滤波器的使用会带来相位延迟，影响磁链估算的精度，为提高磁链的估算精度，本发明构造了一种新型磁链观测器；

步骤2.4)，根据当前定子磁链矢量ψ_α、ψ_β，通过磁链观测器得到定子磁链大小估算值以及转子速度估算值具体步骤如下：

构造磁链观测器，以提高磁链的估算精度，并使用Lyapunov定理分析磁链观测器的稳定性，具体如下：

对式(10)求导，可得：

其中，ω为电机转子电角速度；

根据上式，可构造磁链观测器：

其中，l为磁链观测器增益，其值大于零；为估算磁链在αβ坐标系中的分量；为转子估算电角速度；

将式(7)代入式(12)中，可得：

将式(13)与式(11)作差，得到磁链观测器的误差方程为：

其中，ω为电机转子电角速度；l为磁链观测器增益，其值大于零；为估算磁链在αβ坐标系中的分量；为转子估算电角速度；

利用Lyapunov定理证明磁链观测器的稳定性，有：

对式(15)求导有：

将式(14)代入式(16)整理可得：

由式(17)可以看出，该磁链观测器是渐近稳定的，因此，根据式(14)可计算得到定子磁链估算值和转速估算值

步骤2.5)，根据定子磁链大小估算值通过磁链位置计算模块得到定子磁链相位估算值

步骤3)，将给定转速ω^*与转子速度估算值作差后，经转速PI调节器后得到给定转矩Te^*；

步骤4)，根据定子磁链大小估算值以及两相静止坐标下的电流分量i_α、i_β，经电磁转矩计算模块得到电机实际转矩Te，具体如下：

其中，p₀为电机的极对数；

步骤5)，给定转矩Te^*经磁链自适应模块得到定子磁链给定值ψ_s.ref，具体如下：

永磁同步电机定子磁链交直轴分量ψ_sq、ψ_sd为：

其中，L_d和L_q为定子电感的dq轴分量，i_d和i_q为定子电流的dq轴分量；

电机转矩和定子磁链分量之间的关系如下：

其中，ψ_s为定子磁链，δ为负载角；

在式(20)中，令i_d=0，再结合式(21)，可得定子磁链给定的参考值ψ_sref为：

步骤6)，将给定转矩Te^*与所述电机实际转矩Te作差后，经转矩PI调节器后得到输出量Δδ；

步骤7)，输出量Δδ、定子磁链给定值ψ_s.ref、定子磁链大小估算值以及定子磁链相位估算值经预期电压计算模块，得到两相静止坐标系上的两相交流电压参考值

步骤8)，根据定子磁链矢量位置以及所述两相交流电压参考值从开关状态表中选择相应的空间电压矢量后，经SVPWM模块输出调制信号到逆变器，通过逆变器实现永磁同步电机的直接转矩控制。

本发明中，定子磁链矢量的估算以及转子速度采用滑模磁链观测器，不仅具有滑模算法简单、鲁棒性强等优点，而且，相对于传统的电压模型，低速时定子磁链的估算精度大大提高，改善了电机低速运行性能；相对于传统的电流模型，无需额外的位置传感器，控制***成本降低，***的可靠性提高；由磁链自适应法得到定子磁链给定值，其值根据负载的大小而变化，因此，降低了电机运行于空载或突加重载时的直轴电流，提高了电机效率。本发明能实时观测和控制定子磁链并结合磁链自适应法和SVPWM技术，可有效减小转矩和磁链脉动，提高开关频率和电机效率，拓宽***的运行范围，同时，还具有良好的动静态性能、可靠性、鲁棒性和抗干扰能力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.基于滑模磁链观测器的永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于：通过3/2坐标变换模块、滑模磁链观测器、电磁转矩计算模块、转速PI调节器、转矩PI调节器、磁链自适应模块、预期电压计算模块、SVPWM模块和逆变器对永磁同步电机进行直接转矩控制，包括如下具体步骤：

步骤1)，检测永磁同步电机的三相电流i_a、i_b、i_c和三相电压u_a、u_b、u_c，经3/2坐标变换后得到两相静止交流坐标下的电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β，然后将所述电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β送至滑模磁链观测器，并将电流分量i_α、i_β送至电磁转矩计算模块；

步骤2)，根据所述电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β，所述滑模磁链观测器模块估算定子磁链大小估算值和定子磁链相位估算值以及转子速度估算值包括如下具体步骤：

步骤2.1)，根据所述电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β，构建滑模观测器得到电机的反电动势e_α、e_β；

步骤2.2)，根据所述反电动势e_α、e_β，通过转子位置计算模块得到转子估算位置步骤2.3)，根据所述转子估算位置通过定子磁链估算模块得到当前定子磁链矢量ψ_α、ψ_β；

步骤2.4)，根据所述当前定子磁链矢量ψ_α、ψ_β，通过磁链观测器得到定子磁链大小估算值以及转子速度估算值具体步骤如下：

对永磁同步电机的磁链方程求导，可得：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{\α}}}{dt}=L_s\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\α}}}{dt}-{\mathrm{\ω\ψ}}_{\mathrm{\β}}+{\mathrm{\ωL}}_s{i}_{\mathrm{\β}}\\ \frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{\β}}}{dt}=L_s\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\β}}}{dt}+{\mathrm{\ω\ψ}}_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\ωL}}_s{i}_{\mathrm{\α}}\end{array}\right.---\left(11\right)$

其中，L_s为电机的同步电感；ω为电机转子电角速度；

根据上式，可构造磁链观测器：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{d{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}}}{dt}=L_s\frac{d{\hat{i}}_{\mathrm{\α}}}{dt}-\widehat{\mathrm{\ω}}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}}+\widehat{\mathrm{\ω}}{L}_s{\hat{i}}_{\mathrm{\α}}-k({\hat{i}}_{\mathrm{\α}}-i_{\mathrm{\α}})-l({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}})\\ \frac{d{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}}}{dt}=L_s\frac{d{\hat{i}}_{\mathrm{\β}}}{dt}+\widehat{\mathrm{\ω}}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}}-\widehat{\mathrm{\ω}}{L}_s{\hat{i}}_{\mathrm{\β}}-k({\hat{i}}_{\mathrm{\β}}-i_{\mathrm{\β}})-l({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}})\\ \frac{d\widehat{\mathrm{\ω}}}{dt}=({\hat{i}}_{\mathrm{\α}}-i_{\mathrm{\α}}){\hat{i}}_{\mathrm{\β}}-({\hat{i}}_{\mathrm{\β}}-i_{\mathrm{\β}}){\hat{i}}_{\mathrm{\α}}+({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}){\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}}-({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}){\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}}\end{array}\right.---\left(12\right)$

其中，l为磁链观测器增益，其值大于零；k为滑模系数；和为估算定子电流的α、β轴分量；

当***达到滑模面时，可得：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{d{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}}}{dt}=L_s\frac{d{\hat{i}}_{\mathrm{\α}}}{dt}-\widehat{\mathrm{\ω}}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}}+\widehat{\mathrm{\ω}}{L}_s{\hat{i}}_{\mathrm{\α}}-l({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}})\\ \frac{d{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}}}{dt}=L_s\frac{d{\hat{i}}_{\mathrm{\β}}}{dt}+\widehat{\mathrm{\ω}}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}}-\widehat{\mathrm{\ω}}{L}_s{\hat{i}}_{\mathrm{\β}}-l({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}})\\ \frac{d\widehat{\mathrm{\ω}}}{dt}=({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}){\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}}-({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}){\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}}\end{array}\right.---\left(13\right)$

将式(13)与式(11)作差，得到磁链观测器的误差方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{d{\widetilde{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}}}{dt}=-\widetilde{\mathrm{\ω}}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}}+\widehat{\mathrm{\ω}}{\widetilde{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}}-l{\widetilde{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}}\\ \frac{d{\widetilde{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}}}{dt}=-\widetilde{\mathrm{\ω}}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}}+\widehat{\mathrm{\ω}}{\widetilde{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}}-l{\widetilde{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}}\\ \frac{d\widehat{\mathrm{\ω}}}{dt}={\widetilde{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}}-{\widetilde{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\β}}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{\α}}\end{array}\right.---\left(14\right)$

其中，ω为电机转子电角速度；l为磁链观测器增益，其值大于零；

根据式(14)可计算得到定子磁链大小估算值和转子转速估算值

步骤2.5)，根据所述定子磁链大小估算值通过磁链位置计算模块得到定子磁链相位估算值

步骤3)，将给定转速ω^*与所述转子速度估算值作差后，经转速PI调节器后得到给定转矩Te^*；

步骤4)，根据所述定子磁链大小估算值以及所述电流分量i_α、i_β，所述电磁转矩计算模块得到电机实际转矩Te；

步骤5)，所述给定转矩Te^*经磁链自适应模块得到定子磁链给定值ψ_sref；

步骤6)，将所述给定转矩Te^*与所述电机实际转矩Te作差后，经转矩PI调节器后得到输出量△δ；

步骤7)，所述输出量△δ、定子磁链给定值ψ_sref、定子磁链大小估算值以及定子磁链相位估算值经预期电压计算模块，得到两相静止坐标系上的两相交流电压参考值

步骤8)，根据定子磁链矢量位置以及所述两相交流电压参考值从开关状态表中选择相应的空间电压矢量后，经所述SVPWM模块输出调制信号到逆变器，通过所述逆变器实现永磁同步电机的直接转矩控制。

2.根据权利要求1所述的基于滑模磁链观测器的永磁同步电机转矩控制方法，其特征在于：步骤2.1)中所述滑模观测器的变结构函数为sigmoid函数。