基于連續(xù)終端滑模技術(shù)的永磁同步電機(jī)速度復(fù)合控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于連續(xù)終端滑模技術(shù)的永磁同步電機(jī)速度復(fù)合控制方法。根據(jù)矢量控制原理，將永磁同步電機(jī)系統(tǒng)解耦成速度環(huán)和電流環(huán)分別進(jìn)行控制。對(duì)速度環(huán)采用復(fù)合控制方法。本發(fā)明設(shè)計(jì)了連續(xù)終端滑?？刂破?，作為反饋控制器，使永磁同步電機(jī)速度在整個(gè)調(diào)節(jié)過程中都具有較快的響應(yīng)，并且克服了滑?？刂频亩墩駟栴}；對(duì)速度環(huán)干擾項(xiàng)采用二階有限時(shí)間干擾觀測(cè)器，作為前饋補(bǔ)償器，實(shí)時(shí)觀測(cè)和補(bǔ)償干擾。當(dāng)無干擾觀測(cè)誤差時(shí)，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)參考轉(zhuǎn)速，當(dāng)干擾觀測(cè)誤差有界時(shí)，永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)參考轉(zhuǎn)速的鄰域。本發(fā)明提出的復(fù)合控制方法能夠有效調(diào)節(jié)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速，具有快的調(diào)節(jié)速度和好的魯棒性。
【專利說明】基于連續(xù)終端滑模技術(shù)的永磁同步電機(jī)速度復(fù)合控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于永磁同步電機(jī)的速度控制領(lǐng)域，更具體地，永磁同步電機(jī)速度控制系 統(tǒng)中使用連續(xù)終端滑?？刂破?，同時(shí)加入二階有限時(shí)間干擾觀測(cè)器，從而對(duì)永磁同步電機(jī) 速度實(shí)施復(fù)合控制的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 永磁同步電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、效率高、無勵(lì)磁損耗以及調(diào)速 性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，特別是在電動(dòng)車輛、航天和電動(dòng)工具 等方面。在工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合上，永磁同步電機(jī)經(jīng)常會(huì)遇到各種干擾。這些干擾來源包括內(nèi)部干 擾以及外部干擾，例如：摩擦以及負(fù)載的擾動(dòng)。同時(shí)，電機(jī)的工作環(huán)境不同，工作頻率不同以 及定子電流不同都將會(huì)使得永磁同步電機(jī)參數(shù)發(fā)生改變。比如：定子電阻會(huì)隨著電機(jī)溫度 變化而變化，又或者氣隙磁通會(huì)由于磁路飽合的影響發(fā)生改變。這些由擾動(dòng)導(dǎo)致參數(shù)的變 化，會(huì)使得控制系統(tǒng)不能很好的獲得轉(zhuǎn)子的位置，進(jìn)而使得控制系統(tǒng)不能很好的控制電機(jī)。 因此，很有必要去尋找一種能夠很好提高永磁同步電機(jī)魯棒性的控制方法。
[0003] 近些年，許多學(xué)者在永磁同步電機(jī)的滑模變結(jié)構(gòu)控制方面做了大量的研究。工業(yè) 對(duì)象的多樣化和復(fù)雜化對(duì)伺服控制的要求很高，希望伺服系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗擾能力，這一 方面可降低用戶調(diào)試系統(tǒng)的難度，另一方面可在參數(shù)時(shí)變及干擾強(qiáng)烈等惡劣的工況下保證 系統(tǒng)良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和較高的穩(wěn)態(tài)精度?；？刂剖且环N高速切換反饋控制。由于滑動(dòng)模 態(tài)的特性是預(yù)先設(shè)定的，因此系統(tǒng)響應(yīng)對(duì)匹配不確定性和干擾不敏感，提供了在有不確定 和干擾條件下保持系統(tǒng)控制性能的方法，可以賦予系統(tǒng)良好的品質(zhì)，在直流伺服、機(jī)械手控 制、航空航天等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。
[0004] 盡管滑?？刂茖?shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，對(duì)滿足匹配條件的外界干擾、不確定性具有自適應(yīng)性，但 是抖振問題是其固有缺陷，阻礙了滑?？刂圃趯?shí)際中的應(yīng)用?；？刂浦校墩瘳F(xiàn)象體現(xiàn)了 滑?？刂频那袚Q特性。抖振抑制，一定程度上都是以損失滑?？刂频聂敯粜曰蚩刂凭葹?代價(jià)的。
[0005] 滑?？刂浦卸墩癞a(chǎn)生的原因在于：當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)到達(dá)滑模面時(shí)，其速度不為零，實(shí) 際系統(tǒng)的執(zhí)行器不可避免的存在慣性，從而使?fàn)顟B(tài)點(diǎn)穿越滑模面，導(dǎo)致實(shí)際的滑模運(yùn)動(dòng)不 是準(zhǔn)確的發(fā)生在滑模面上，從而形成抖振，疊加在理想的滑模面上。抖振將影響系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn) 定性（如定位精度）、動(dòng)態(tài)反應(yīng)能力，嚴(yán)重時(shí)甚至使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩或不穩(wěn)定；同時(shí)還會(huì)增加 系統(tǒng)的額外能耗、減小系統(tǒng)壽命等。
[0006] 80年代末，Slotine等學(xué)者在滑?？刂浦胁捎眠B續(xù)的飽合函數(shù)代替符號(hào)函數(shù)，實(shí) 現(xiàn)準(zhǔn)滑動(dòng)模態(tài)控制。邊界層的寬度決定了控制的精度，且與邊界層寬度成反比。邊界層寬 度越大，控制精度越低，系統(tǒng)抖振越小甚至無抖振。該方法是將系統(tǒng)狀態(tài)控制到滑模面附近 的邊界層區(qū)域。但是，此種方法在實(shí)際中，若邊界層的值相對(duì)大一些，便會(huì)增加系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài) 誤差，進(jìn)而損害系統(tǒng)魯棒性。
[0007] 由于永磁同步電機(jī)在實(shí)際使用中，會(huì)遇到多種干擾，僅依靠滑?？刂谱陨韺?duì)干擾 和不確定的自適應(yīng)性，難以實(shí)現(xiàn)良好的魯棒性能。因此，在滑?？刂频幕A(chǔ)上，加以適當(dāng)?shù)?干擾觀測(cè)和補(bǔ)償?shù)戎鲃?dòng)抗干擾措施，能夠有效降低滑?？刂破鞯脑鲆?，提高系統(tǒng)的抗魯棒 性能。
[0008] 傳統(tǒng)滑模面通常設(shè)計(jì)為線性函數(shù)。線性滑模面可以滿足線性系統(tǒng)的控制性能要 求，其穩(wěn)定性分析相對(duì)簡(jiǎn)單。但是，在線性滑模面上，系統(tǒng)最好的收斂是漸近收斂，即當(dāng)控制 對(duì)象具有較高的控制精度要求時(shí)，線性滑模面往往不能滿足系統(tǒng)控制精度的要求。終端滑 模面，通過將滑模面設(shè)計(jì)為非線性函數(shù)，系統(tǒng)的狀態(tài)可以在有限時(shí)間內(nèi)收斂到平衡點(diǎn)，相應(yīng) 的控制律的設(shè)計(jì)方法和線性滑模面相同。本發(fā)明擬采用終端滑模面方法，在有限時(shí)間內(nèi)，確 保系統(tǒng)狀態(tài)收斂。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明提供了基于連續(xù)終端滑模技術(shù)的永磁同步電機(jī)速度復(fù)合控制方法。基于矢 量控制，將永磁同步電機(jī)按電流、速度解耦成內(nèi)外環(huán)。對(duì)于速度環(huán)控制，設(shè)計(jì)連續(xù)終端滑模 控制器作為反饋控制器，克服了滑?？刂贫墩駟栴}，實(shí)現(xiàn)速度跟蹤的有限時(shí)間收斂；對(duì)速度 環(huán)中存在的干擾，設(shè)計(jì)了二階有限時(shí)間干擾觀測(cè)器作為前饋補(bǔ)償器，實(shí)時(shí)觀測(cè)和補(bǔ)償速度 環(huán)中的干擾；前饋反饋控制器串聯(lián)，構(gòu)成速度環(huán)的復(fù)合控制方案。復(fù)合控制方法能夠提高永 磁同步電機(jī)速度環(huán)的控制精度、響應(yīng)快速性和魯棒性。
[0010] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種基于連續(xù)終端滑模技術(shù)的永磁同步電機(jī)速 度復(fù)合控制方法，包括如下步驟：
[0011] 步驟一：采集定子繞組上的三相電流ia、ib、i。,通過Clark變換，轉(zhuǎn)換成為靜止坐 標(biāo)系下α、β軸的等效電流i a、ie ;通過位置速度傳感器獲得永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置 Θ，計(jì)算Park變換矩陣，將靜止坐標(biāo)系下的電流i a、i e變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d、q軸的電流 id 和 i"
[0012] 步驟二：以永磁同步電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速ω (t)，d、q軸電流id和i,為狀態(tài)變量，獲得 永磁同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的狀態(tài)空間表達(dá)式，結(jié)合矢量控制，令d軸參考電流滿足 ，將非線性耦合的永磁同步電機(jī)解耦為速度環(huán)和電流環(huán)，構(gòu)成內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)；并獲得解 耦后實(shí)際轉(zhuǎn)速ω (t)的二階微分方程；
[0013] 步驟三：內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)中，外環(huán)是速度環(huán)，參考輸入為永磁同步電機(jī)的參考轉(zhuǎn)速 ?r(t);以永磁同步電機(jī)的參考轉(zhuǎn)速c〇 r(t)和實(shí)際轉(zhuǎn)速ω (t)之差，作為速度誤差?⑴，并 獲得以速度誤差ew(t)及其導(dǎo)數(shù)^.〇為狀態(tài)的永磁同步電機(jī)速度誤差系統(tǒng)狀態(tài)方程；
[0014] 步驟四：以速度誤差ew(t)為自變量，設(shè)計(jì)終端滑模面函數(shù)〇⑴，并依據(jù) 的b+++++獲得終端滑模控制器；為獲得連續(xù)終端滑?？刂破鰿NTSMC，以兩項(xiàng)〇 (t) 的分?jǐn)?shù)階絕對(duì)值函數(shù)M/f ^ 和i切來代替帥》=isifw(cr(_中符號(hào)函數(shù) 項(xiàng)，其中〇〈P ^1，P 2>1為分?jǐn)?shù)階，并設(shè)定兩個(gè)大于〇的控制增益L，ri2的值，從而設(shè)計(jì)出 連續(xù)終端滑?？刂破鱑n(t);
[0015] 步驟五：考察步驟三中獲得的速度誤差系統(tǒng)的狀態(tài)方程，將能測(cè)量、計(jì)算獲得的信 號(hào)作為已知項(xiàng)f (t)，將不能用傳感器測(cè)量的項(xiàng)、參數(shù)變化項(xiàng)以及外界干擾作為速度環(huán)干擾 項(xiàng)d(t);根據(jù)Aria Levant提出的魯棒精確微分器理論，，設(shè)計(jì)二階有限時(shí)間干擾觀測(cè)器， 觀測(cè)永磁同步電機(jī)速度環(huán)干擾項(xiàng)d(t)，獲得d(t)的實(shí)時(shí)觀測(cè)值歲/);
[0016] 步驟六：依據(jù)步驟四中獲得的連續(xù)終端滑模控制器Un(t)和步驟五中獲得的速度 環(huán)干擾項(xiàng)實(shí)時(shí)觀測(cè)值，在連續(xù)終端滑?？刂破鱱 n(t)中引入實(shí)時(shí)觀測(cè)值歲〇，構(gòu)造永磁 同步電機(jī)的復(fù)合控制器広W復(fù)合控制器Gw控制器的輸出作為電流環(huán)輸入；
[0017] 步驟七：內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)中，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，電流環(huán)輸入來自速度環(huán)的輸出；由于d軸 參考電流<〇) = 〇,依據(jù)步驟二中實(shí)際轉(zhuǎn)速ω (t)的二階微分方程，得到速度環(huán)輸出與q軸參 考電流（(〇的關(guān)系，從而將內(nèi)外環(huán)連接起來；
[0018] 步驟八：永磁同步電機(jī)電流環(huán)包括d軸和q軸電流環(huán)，均采用PI控制器控制， 調(diào)節(jié)PI控制器比例系數(shù)k p和積分系數(shù)I使其能夠漸近跟蹤d軸和q軸電流參考信號(hào)
[0019] 步驟九：步驟八中的d、q軸電流環(huán)均采用PI控制器d軸電流環(huán)的PI控制器輸出 為d軸電壓u d，q軸電流環(huán)的PI控制器輸出為q軸電壓U,，依據(jù)步驟一中獲得的永磁同步 電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置Θ，計(jì)算Park逆變換矩陣，對(duì)u d和uq進(jìn)行Park逆變換，轉(zhuǎn)換為α、β坐 標(biāo)系下的定子電壓ua和u e，再通過空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM技術(shù)，對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行速 度調(diào)節(jié)。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0021] 本發(fā)明提出的控制方法正是基于上述問題，實(shí)現(xiàn)高精度、魯棒的永磁同步電機(jī)速 度控制，解決永磁同步電機(jī)滑模控制的抖振問題和干擾問題，是符合電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用需求 和發(fā)展趨勢(shì)的。
[0022] 通過對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)和技術(shù)的全面檢索，關(guān)于永磁同步電機(jī)采用干擾觀測(cè)器前饋補(bǔ)償 和連續(xù)滑?？刂破鞣答佌{(diào)節(jié)的復(fù)合控制方法等方面，尚未發(fā)現(xiàn)類似文獻(xiàn)和發(fā)明。
[0023] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：
[0024] (1)、提供了一種連續(xù)終端滑模控制器設(shè)計(jì)方法，該方法通過引入兩個(gè)〇 (t)的分 數(shù)階絕對(duì)值函數(shù)A |_)|'郵時(shí)(0)和+? s/gn(cT(.〇)來代替= 中包含的符號(hào) 函數(shù)項(xiàng)nsign(〇⑴），其中(Κρ^Ι，Ρ2>1，ηρΟ，η2>0,解決了滑模控制的抖振問題；同 時(shí)采用〇〈Ρ '1，Ρ2>1兩個(gè)范圍的分?jǐn)?shù)階，可以加快被控狀態(tài)在遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)或者在平衡點(diǎn) 附近的收斂速度，即被控狀態(tài)在整個(gè)調(diào)節(jié)過程中均具有較快的收斂速度，提高控制系統(tǒng)的 響應(yīng)速度。
[0025] (2)、提供了一種基于二階有限時(shí)間干擾觀測(cè)器前饋補(bǔ)償、連續(xù)終端滑?？刂破鞣?饋控制的永磁同步電機(jī)速度復(fù)合控制策略。通過二階有限時(shí)間干擾觀測(cè)器補(bǔ)償速度環(huán)中的 干擾，降低了連續(xù)終端滑模控制器的增益，同時(shí)增強(qiáng)了永磁同步電機(jī)速度控制系統(tǒng)的魯棒 性。
[0026] (3)、通過設(shè)計(jì)復(fù)合控制器D0B-CNTSMC，速度環(huán)控制精度與干擾觀測(cè)誤差相關(guān)，當(dāng) 干擾觀測(cè)誤差為零時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速可以在有限時(shí)間內(nèi)無差的收斂到參考速度，速度跟蹤誤差 有限時(shí)間到達(dá)平衡點(diǎn)，在干擾觀測(cè)誤差有界￥時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速在有限時(shí)間內(nèi)收斂到參考速度 的￥鄰域，速度跟蹤誤差有限時(shí)間到達(dá)原點(diǎn)的￥鄰域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 圖1是基于矢量控制的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)框圖；
[0028] 圖2是基于干擾觀測(cè)器和連續(xù)滑模技術(shù)的永磁同步電機(jī)速度復(fù)合控制結(jié)構(gòu)圖；
[0029] 圖3是突加負(fù)載時(shí)CNTSMC以及SNTSMC的電機(jī)速率曲線；
[0030] 圖4是突加負(fù)載時(shí)在SNTSMC控制下的q軸參考電流以及實(shí)際電流；
[0031] 圖5是突加負(fù)載時(shí)在CNTSMC控制下的q軸參考電流以及實(shí)際電流；
[0032] 圖6是在SNTSMC下干擾觀測(cè)器的觀測(cè)值與實(shí)際干擾值之間關(guān)系；
[0033] 圖7是在CNTSMC下干擾觀測(cè)器的觀測(cè)值與實(shí)際干擾值之間關(guān)系；
[0034] 圖8是突加負(fù)載時(shí)D0B-CNTSMC和D0B-SNTSMC下電機(jī)的速率曲線；
[0035] 圖9是突加負(fù)載時(shí)D0B-SNTSM控制下的q軸參考電流以及實(shí)際電流；
[0036] 圖10是突加負(fù)載時(shí)D0B-CNTSM控制下的q軸參考電流以及實(shí)際電流；
[0037] 圖11是是突加負(fù)載時(shí)電機(jī)速度與參考值之間的關(guān)系曲線；
[0038] 圖12是改變速度參考值時(shí)D0B-SNTSMC下q軸參考電流和實(shí)際電流；
[0039] 圖13是改變速度參考值時(shí)D0B-CNTSMC下q軸參考電流和實(shí)際電流。

【具體實(shí)施方式】
[0040] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0041] 本發(fā)明實(shí)施的一種基于連續(xù)終端滑模技術(shù)的永磁同步電機(jī)速度復(fù)合控制方法包 括如下步驟：
[0042] 步驟⑴：采集定子繞組上的三相電流ia、ib、i。，通過Clark變換，轉(zhuǎn)換成為靜止 坐標(biāo)系下α、β軸的等效電流i a、ie ;通過位置速度傳感器獲得永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置 Θ，計(jì)算Park變換矩陣，將靜止坐標(biāo)系下的電流i a、i e變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d、q軸的電流 id 和 i"
[0043] 步驟（2):以永磁同步電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速ω⑴，d、q軸電流id和i,為狀態(tài)變量，獲得 永磁同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的狀態(tài)空間表達(dá)式，結(jié)合矢量控制，令d軸參考電流?ω滿足 將非線性耦合的永磁同步電機(jī)解耦為速度環(huán)和電流環(huán)，構(gòu)成內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)；并獲得解 耦后實(shí)際轉(zhuǎn)速ω (t)的二階微分方程；
[0044] 步驟（3):內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)中，外環(huán)是速度環(huán)，參考輸入為永磁同步電機(jī)的參考轉(zhuǎn)速 ?r(t);以永磁同步電機(jī)的參考轉(zhuǎn)速c〇 r(t)和實(shí)際轉(zhuǎn)速ω (t)之差，作為速度誤差?⑴，并 獲得以速度誤差ew(t)及其導(dǎo)數(shù)為狀態(tài)的永磁同步電機(jī)速度誤差系統(tǒng)狀態(tài)方程；
[0045] 步驟（4):以速度誤差ew(t)為自變量，設(shè)計(jì)終端滑模面函數(shù)〇⑴，并依據(jù) 抑)=1細(xì)《(CTW)獲得終端滑模控制器；為獲得連續(xù)終端滑?？刂破鰿NTSMC，以兩項(xiàng) 〇 (t) 的分?jǐn)?shù)階絕對(duì)值函數(shù)I沖^?別0·(嗜和|_)廣吻來代替沖)=.....中符號(hào)函數(shù)項(xiàng)， 其中(Κρ^Ι, ρ2>1為分?jǐn)?shù)階，并設(shè)定兩個(gè)大于0的控制增益η2的值,從而設(shè)計(jì)出連 續(xù)終端滑?？刂破鱱n(t);
[0046] 步驟（5):考察步驟（3)中獲得的速度誤差系統(tǒng)的狀態(tài)方程，將能測(cè)量、計(jì)算獲得 的信號(hào)作為已知項(xiàng)f(t)，將不能用傳感器測(cè)量的項(xiàng)、參數(shù)變化項(xiàng)以及外界干擾作為速度環(huán) 干擾項(xiàng)d(t);根據(jù)Aria Levant提出的魯棒精確微分器理論，設(shè)計(jì)二階有限時(shí)間干擾觀測(cè) 器，觀測(cè)永磁同步電機(jī)速度環(huán)干擾項(xiàng)d(t)，獲得d(t)的實(shí)時(shí)觀測(cè)值扣
[0047] 步驟（6):依據(jù)步驟（4)中獲得的連續(xù)終端滑?？刂破麝?duì)(〇和步驟（5)中獲得的 速度環(huán)干擾項(xiàng)實(shí)時(shí)觀測(cè)值，在連續(xù)終端滑?？刂破麝?duì)(〇中引入實(shí)時(shí)觀測(cè)值，構(gòu)造永 磁同步電機(jī)的復(fù)合控制器^(0，復(fù)合控制器化(0控制器的輸出作為電流環(huán)輸入；
[0048] 步驟（7):內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)中，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，電流環(huán)輸入來自速度環(huán)的輸出；由于d軸 參考電流?(/) = 〇,依據(jù)步驟（2)中實(shí)際轉(zhuǎn)速ω (t)的二階微分方程，得到速度環(huán)輸出與q軸 參考電流的關(guān)系，從而將內(nèi)外環(huán)連接起來；
[0049] 步驟（8):永磁同步電機(jī)電流環(huán)包括d軸和q軸電流環(huán)，均采用PI控制器控制， 調(diào)節(jié)PI控制器比例系數(shù)k p和積分系數(shù)I使其能夠漸近跟蹤d軸和q軸電流參考信號(hào) /*(,) = 〇, /*(/)；
[0050] 步驟（9):步驟⑶中的d、q軸電流環(huán)均采用PI控制器，d軸電流環(huán)的PI控制器 輸出為d軸電壓u d，q軸電流環(huán)的PI控制器輸出為q軸電壓IV依據(jù)步驟（1)中獲得的永 磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置Θ，計(jì)算Park逆變換矩陣，對(duì)u d和Uq進(jìn)行Park逆變換,轉(zhuǎn)換為α、 β坐標(biāo)系下的定子電壓ua和110，再通過空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM技術(shù)，對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn) 行速度調(diào)節(jié)。
[0051] 步驟（1)、步驟⑵和步驟（9)中涉及永磁同步電機(jī)信號(hào)采集、坐標(biāo)變換和矢量控 制方法。矢量控制的目的是：通過坐標(biāo)變換，對(duì)交流電機(jī)的直軸和交軸分量進(jìn)行解耦，從而 借用直流電機(jī)的分析方法進(jìn)行控制。具體對(duì)永磁同步電機(jī)而言，先將三相電流變換成二相 電流，也就是實(shí)施Clark變換，把三相的定子電流先轉(zhuǎn)變到α、β坐標(biāo)系下的電流i a、ie， 再通過旋轉(zhuǎn)變換，也就是Park變換，將ia、ie分解成2個(gè)直流分量i d、i,(其中id為勵(lì)磁 電流分量，為轉(zhuǎn)矩電流分量）。I〗=0 , 的參考電流?是由速度控制器輸出經(jīng)變換得到， 經(jīng)過電流環(huán)ΡΙ控制器后得出其d、q軸上的電壓分量即ud和U,，而ud和u,通過Park逆變 換則轉(zhuǎn)換為α、β坐標(biāo)系下的定子電壓ua和110。使用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM)技術(shù)， 對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的速度跟蹤控制?；谑噶靠刂频挠来磐诫姍C(jī) 控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。永磁同步電機(jī)速度控制系統(tǒng)分為內(nèi)外兩環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，外環(huán) 是速度環(huán)。
[0052] 步驟（2)中表貼式永磁同步電機(jī)的定子有A，B，C三相對(duì)稱繞組，各繞組軸線在空 間上互差120度，轉(zhuǎn)子上貼有永磁體。在d、q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，非線性強(qiáng)耦合的永磁同步 電機(jī)的以i d(t)，iq(t)，ω⑴為狀態(tài)的狀態(tài)空間表達(dá)式為
[0053]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于連續(xù)終端滑模技術(shù)的永磁同步電機(jī)速度復(fù)合控制方法，其特征在于，包括 如下步驟： 步驟一：采集定子繞組上的三相電流ia、ib、i。,通過Clark變換,轉(zhuǎn)換成為靜止坐標(biāo)系 下a、P軸的等效電流ia、ie ;通過位置速度傳感器獲得永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置e，計(jì) 算Park變換矩陣，將靜止坐標(biāo)系下的電流ia、ie變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d、q軸的電流id和 ; 步驟二：以永磁同步電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速《 (t)，d、q軸電流id和為狀態(tài)變量，獲得永磁同 步電機(jī)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的狀態(tài)空間表達(dá)式，結(jié)合矢量控制，令d軸參考電流￠(0滿足/>)=〇?將 非線性耦合的永磁同步電機(jī)解耦為速度環(huán)和電流環(huán)，構(gòu)成內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)；并獲得解耦后實(shí)際 轉(zhuǎn)速《 (t)的二階微分方程； 步驟三：內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)中，外環(huán)是速度環(huán)，參考輸入為永磁同步電機(jī)的參考轉(zhuǎn)速《Jt); 以永磁同步電機(jī)的參考轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速《 (t)之差，作為速度誤差~(〇,并獲得以 速度誤差ew(t)及其導(dǎo)數(shù)為狀態(tài)的永磁同步電機(jī)速度誤差系統(tǒng)狀態(tài)方程； 步驟四：以速度誤差ew(t)為自變量，設(shè)計(jì)終端滑模面函數(shù)〇⑴，并依據(jù) = 獲得終端滑模控制器；為獲得連續(xù)終端滑?？刂破鰿NTSMC，以兩項(xiàng)〇 (t) 的分?jǐn)?shù)階絕對(duì)值函數(shù)
和
來代替
中符號(hào)函數(shù)項(xiàng)， 其中(Kp^l,P2>1為分?jǐn)?shù)階,并設(shè)定兩個(gè)大于0的控制增益H1,H2的值，從而設(shè)計(jì)出連 續(xù)終端滑?？刂破鱑n (t); 步驟五：考察步驟三中獲得的速度誤差系統(tǒng)的狀態(tài)方程，將能測(cè)量、計(jì)算獲得的信號(hào) 作為已知項(xiàng)f(t)，將不能用傳感器測(cè)量的項(xiàng)、參數(shù)變化項(xiàng)以及外界干擾作為速度環(huán)干擾項(xiàng) d(t);根據(jù)AriaLevant提出的魯棒精確微分器理論，，設(shè)計(jì)二階有限時(shí)間干擾觀測(cè)器，觀 測(cè)永磁同步電機(jī)速度環(huán)干擾項(xiàng)d(t)，獲得d(t)的實(shí)時(shí)觀測(cè)值為 步驟六：依據(jù)步驟四中獲得的連續(xù)終端滑?？刂破鱑n(t)和步驟五中獲得的速度環(huán)干 擾項(xiàng)實(shí)時(shí)觀測(cè)值扣；)，在連續(xù)終端滑?？刂破鱑n(t)中引入實(shí)時(shí)觀測(cè)值扣)，構(gòu)造永磁同步 電機(jī)的復(fù)合控制器艮(〇復(fù)合控制器€,(0控制器的輸出作為電流環(huán)輸入； 步驟七：內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)中，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，電流環(huán)輸入來自速度環(huán)的輸出；由于d軸參考 電流C⑴=〇,依據(jù)步驟二中實(shí)際轉(zhuǎn)速《 (t)的二階微分方程，得到速度環(huán)輸出與q軸參考電 流的關(guān)系，從而將內(nèi)外環(huán)連接起來； 步驟八：永磁同步電機(jī)電流環(huán)包括d軸和q軸電流環(huán)，均采用PI控制器控制，調(diào)節(jié)PI控 制器比例系數(shù)kp和積分系數(shù)h，使其能夠漸近跟蹤d軸和q軸電流參考信號(hào)/>) = 〇， 步驟九：步驟八中的d、q軸電流環(huán)均采用PI控制器d軸電流環(huán)的PI控制器輸出為d軸電壓ud，q軸電流環(huán)的PI控制器輸出為q軸電壓IV依據(jù)步驟一中獲得的永磁同步電機(jī) 的轉(zhuǎn)子位置0，計(jì)算Park逆變換矩陣,對(duì)Ud和Utl進(jìn)行Park逆變換,轉(zhuǎn)換為a、0坐標(biāo)系 下的定子電壓Ua和U0，再通過空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM技術(shù)，對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行速度調(diào) 節(jié)。
2. 如權(quán)利要求1所述基于連續(xù)終端滑模技術(shù)的永磁同步電機(jī)速度復(fù)合控制方法，其 中，步驟四的具體內(nèi)容包括： 4-1、參考永磁同步電機(jī)速度誤差系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)非線性滑模面，即終端滑模面函數(shù) 為：
其中，〇⑴為終端滑模變量函數(shù)，a是分?jǐn)?shù)階，l<? =f<2,p和q為正奇數(shù)，k。是終 端滑模面函數(shù)〇 (t)的參數(shù)； 4-2、計(jì)算終端滑模面函數(shù)〇 (t)的導(dǎo)數(shù)：
一方面，在上式中代入4(0的表達(dá)式，01^是Un(t)來顯式表達(dá)，另一方面，以兩個(gè)〇 (t) 分?jǐn)?shù)階絕對(duì)值函數(shù)
來代替其符號(hào)函數(shù)
，獲得40的另一種表達(dá)為：
負(fù)〇的兩種表達(dá)是相等的，永磁同步電機(jī)速度環(huán)連續(xù)終端滑?？刂破麝?duì)(〇設(shè)計(jì)為：
其中，H1,n2是正的控制增益，B為永磁同步電機(jī)等效摩擦系數(shù)，J為永磁同步電 機(jī)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，
是連續(xù)函數(shù)；由于 (Kp^l，P2>1，P1,P2是分?jǐn)?shù)階，sign(〇⑴）為〇⑴的符號(hào)函數(shù)，I〇 (t)I表示〇⑴ 的絕對(duì)值； 4-3、速度環(huán)連續(xù)終端滑?？刂破鞒踔翟O(shè)定；已知永磁同步電機(jī)速度環(huán)連續(xù)終端滑?？?制器的形式，在起步時(shí)，獲得電機(jī)的參考速度《Jt)及導(dǎo)數(shù)&W，實(shí)際速度《 (t)及 導(dǎo)數(shù)耐/)，錢〇,誤差系統(tǒng)狀態(tài)ew(t)和4(0,終端滑模面函數(shù)0 (t)的初始值，并設(shè)定控制 參數(shù)Hi，打2，Pi，P2，a，k。，kp，ki; 4- 4、速度環(huán)連續(xù)終端滑?？刂破鞣治觯划?dāng)干擾d(t) = 0時(shí)，即無干擾時(shí)，速度誤差 ew(t)有限時(shí)間Tr內(nèi)至IJ達(dá)滑模面，Tr是速度誤差系統(tǒng)狀態(tài)ew(t) 乂⑴由初始值到達(dá)終端滑模 面〇⑴=0的時(shí)間；當(dāng)干擾d(t)關(guān)0時(shí)，且干擾|d(t) |〈W時(shí)，W為干擾的界，速度誤差 系統(tǒng)狀態(tài)6￥(〇,〇0有限時(shí)間I；內(nèi)到達(dá)滑模面〇 (t) = 0的W鄰域，之后，速度誤差系統(tǒng) 狀態(tài)ew(t)，4(0在〇 (t) = 0的叫鄰域趨向原點(diǎn)，并在有限時(shí)間Ts內(nèi)到達(dá)原點(diǎn)的叫鄰域， Ts為誤差系統(tǒng)狀態(tài)ew(t)，由終端滑模面〇 (t) = 0的W鄰域到達(dá)原點(diǎn)的W鄰域所用 時(shí)間。
3.如權(quán)利要求1所述基于連續(xù)終端滑模技術(shù)的永磁同步電機(jī)速度復(fù)合控制方法，其 中，所述步驟五的具體內(nèi)容包括： 5- 1、二階有限時(shí)間干擾觀測(cè)器的設(shè)計(jì)；對(duì)步驟三中獲得的永磁同步電機(jī)速度誤差系統(tǒng) 中的干擾項(xiàng)d(t)，設(shè)計(jì)二階有限時(shí)間干擾觀測(cè)器；已知復(fù)合控制器5(1),以及《 (t) 的二階微分方程中的已知項(xiàng)f(t)，d(t)的二階有限時(shí)間干擾觀測(cè)器的形式設(shè)計(jì)為
其中，X^X1,A2是觀測(cè)器增益，
，L為李普希茨常數(shù)，Ztl⑴，Z1⑴，Z2⑴是 二階有限時(shí)間干擾觀測(cè)器的狀態(tài)變量，Vtl (t)，V1 (t)是二階有限時(shí)間干擾觀測(cè)器中的輔助變 量；Zl(t)在有限時(shí)間Tz內(nèi)收斂到速度環(huán)干擾項(xiàng)d(t)，Tz是二階有限時(shí)間干擾觀測(cè)器的收斂 時(shí)間；即二階有限時(shí)間干擾觀測(cè)器的狀態(tài)Z1 (t)是對(duì)電機(jī)速度環(huán)干擾項(xiàng)d(t)的實(shí)時(shí)觀測(cè)， 并且在有限時(shí)間Tz時(shí)刻之后，Z1 (t)能夠完全的跟蹤d(t)，不存在干擾觀測(cè)誤差；干擾觀測(cè) 誤差ez1 (t)滿足
5-2、有限時(shí)間干擾觀測(cè)器初值和參數(shù)的設(shè)定；在觀測(cè)器起步時(shí)，要設(shè)置初始值

，獲得復(fù)合控制器i7"(〇,co(t)的二階 微分方程中的已知項(xiàng)f(t)初值，設(shè)定參數(shù)Atl,Ai，X2,L; 5- 3、永磁同步電機(jī)速度環(huán)干擾項(xiàng)d(t)二階有限時(shí)間觀測(cè)器的使用條件；永磁同步電 機(jī)速度環(huán)干擾項(xiàng)d(t) -般是階躍信號(hào)或者連續(xù)信號(hào)；當(dāng)d(t)是階躍信號(hào)時(shí)，階躍發(fā)生時(shí)刻 干擾d(t)觀測(cè)誤差最大，其余時(shí)刻有一定觀測(cè)誤差；當(dāng)d(t)是連續(xù)信號(hào)時(shí)，任何時(shí)刻干擾 值d(t)均可觀測(cè)。
4.如權(quán)利要求1所述基于連續(xù)終端滑模技術(shù)的永磁同步電機(jī)速度復(fù)合控制方法，其 中，所述步驟六的具體內(nèi)容包括： 6- 1、在永磁同步電機(jī)速度環(huán)連續(xù)終端滑?？刂破髦幸胗邢迺r(shí)間觀測(cè)器，進(jìn)行干擾觀 測(cè)和前饋補(bǔ)償，與連續(xù)終端滑?？刂破鳂?gòu)成復(fù)合控制；永磁同步電機(jī)的復(fù)合控制器(7" (0設(shè) 計(jì)為
6-2、復(fù)合控制器初值設(shè)定；復(fù)合控制器初值設(shè)定包括對(duì)連續(xù)終端滑?？刂破鞒踔翟O(shè)定 和有限時(shí)間干擾觀測(cè)器初值設(shè)定，其中： 速度環(huán)連續(xù)終端滑模控制器初值設(shè)定是：已知永磁同步電機(jī)速度環(huán)連續(xù)終端滑?？刂?器的形式，在起步時(shí)，獲得電機(jī)的參考速度《,(t)及導(dǎo)數(shù)成的，實(shí)際速度《 (t)及導(dǎo) 數(shù)_, 誤差系統(tǒng)狀態(tài)ew(t)和終端滑模面函數(shù)〇⑴的初始值，并設(shè)定控制器參 數(shù)Hi，打2，Pi，P2，a，k。，kp，ki; 有限時(shí)間干擾觀測(cè)器初值的設(shè)定是：在觀測(cè)器起步時(shí)，要設(shè)置初始值
_ _
_ 獲得々W，復(fù)合控制器広⑴，〇3(t)的二階微分方程 中的已知項(xiàng)f(t)初值，設(shè)定參數(shù)X。，Xi，X2,L; 6-3、永磁同步電機(jī)的速度復(fù)合控制器性能分析；在復(fù)合控制器下，速度誤差系統(tǒng)狀態(tài) ew(t)和<?對(duì)滑模面o(t) =O的到達(dá)情況可以分成兩種情況；①干擾觀測(cè)誤差ezl = 0， 系統(tǒng)狀態(tài)有限時(shí)間?：內(nèi)收斂到終端滑模面〇 (t) =0,并沿終端滑模面〇 (t) =0在有限時(shí) 間f內(nèi)收斂到原點(diǎn)，f和f分別是在復(fù)合控制器(Tn(I)下，ezl = 0時(shí)，ew(t)和之⑴由初始值到 達(dá)終端滑模面〇 (t) = 0的時(shí)間和由終端滑模面〇 (t) = 0到達(dá)原點(diǎn)所用時(shí)間；②干擾觀 測(cè)誤差ezl尹0,在復(fù)合控制器作用下，系統(tǒng)狀態(tài)在有限時(shí)間f內(nèi)到達(dá)滑模面〇 (t) =0的T 區(qū)域，即：
并在￥區(qū)域內(nèi)經(jīng)過有限時(shí)間f后收斂到原點(diǎn)的f鄰域；即永磁同步電機(jī)誤差系統(tǒng)狀態(tài)ew(t)和久(|)均收斂到原點(diǎn)的-鄰域，C和分別是在復(fù)合控制器^?)下，ezl關(guān)0時(shí)，ew(t) 和由初始值到達(dá)終端滑模面〇 (t) = 0的時(shí)間和由終端滑模面〇 (t) = 0的-鄰域到 達(dá)原點(diǎn)的W鄰域所用時(shí)間；；電機(jī)實(shí)際角速度《 (t)被調(diào)節(jié)到參考角速度wjt)的甲鄰 域，完成速度調(diào)節(jié)的目標(biāo)。
5.如權(quán)利要求1所述基于干擾觀測(cè)和連續(xù)終端滑模技術(shù)的永磁同步電機(jī)速度復(fù)合控 制方法，其中，所述步驟七的具體內(nèi)容包括： 電流環(huán)輸入與速度環(huán)輸出的關(guān)系，在實(shí)際轉(zhuǎn)速《 (t)的狀態(tài)方程建立過程中，考慮復(fù) 合控制器CW和q軸參考電流￠(0的關(guān)系為
其中s是Laplace變換中的復(fù)變量，〖,'(-、?)和{7,,(4是iq (t)和U,)的Laplace函數(shù)，kp和 匕是電流環(huán)PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)，kf為來自永磁同步電機(jī)參數(shù)，J為電機(jī)等效 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，故得q軸參考電流與速度環(huán)輸出仄(〇的關(guān)系，將內(nèi)外環(huán)連接起來。
【文檔編號(hào)】H02P21/00GK104242769SQ201410520288
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月30日
【發(fā)明者】穆朝絮, 徐偉, 賈宏杰, 孫長(zhǎng)銀 申請(qǐng)人:天津大學(xué)