本發(fā)明涉及一種具有增益調(diào)度切換增益的永磁同步電機滑?？刂葡到y(tǒng)。

背景技術(shù)：

得益于新型的稀土永磁材料研制成功，永磁同步電機的性能出現(xiàn)了質(zhì)的提升，在很多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用；永磁同步電機是一個多變量、非線性、強耦合的系統(tǒng)，對系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)攝動及外部干擾極為敏感，因此傳統(tǒng)的線性控制方法無法準確描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)過程，也無法適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)的變化，從而難以保證電機在全局轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)的運行品質(zhì)。

滑?？刂剖且环N特殊的非線性控制，它具有響應(yīng)快速、魯棒性好、工程實用性強等優(yōu)點；然而，滑?？刂葡到y(tǒng)會存在抖振的問題，抖振的來源主要是切換增益，如果在趨近滑模面的過程中對切換增益進行適當?shù)恼{(diào)整就可以消除抖振。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為彌補滑?？刂葡到y(tǒng)的不足提出一種具有增益調(diào)度切換增益的永磁同步電機控制方法。

上述目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)。

一種具有增益調(diào)度切換增益的永磁同步電機滑?？刂葡到y(tǒng)，是以永磁同步電機矢量控制為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中電流環(huán)采用滑?？刂破?，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示；其中電流滑?？刂破骼没？刂圃?，有效地保障系統(tǒng)的響應(yīng)速度、魯棒性以及工程實用性。

所述電流滑?？刂破饕詃、q軸定子電流誤差e_d、e_q作為輸入的狀態(tài)變量，以d、q軸定子電壓u_d、u_q作為控制器的輸出；控制律的設(shè)計采用積分滑模面，可以達到削弱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差和提高控制精度的目的；而為了獲得較高的趨近速度，采用指數(shù)趨近律，同時還可以削弱抖振。

所述控制律的切換增益系數(shù)要選取一個合適值，這是為了保證動態(tài)響應(yīng)速度并有效削弱抖振，如果系數(shù)過小會導(dǎo)致運動點趨近滑模面的速度較小，過大會引起較大的系統(tǒng)抖振；本發(fā)明為了解決這個問題，提出根據(jù)交軸電流給定i_dr和電角速度對切換增益系數(shù)的邊界范圍進行自適應(yīng)整定的方法；并在所述范圍內(nèi)采用增益調(diào)度的方法對滑?？刂频那袚Q增益進行整定；這樣可以在距離滑模面較遠處取較大系數(shù)以提高趨緊速度，在接近滑模面較近時選取較小系數(shù)來減小系統(tǒng)抖振。

附圖說明

附圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

附圖2是本發(fā)明的電流滑?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

為能詳細說明本方案的技術(shù)特點，下面通過具體實施方式并結(jié)合附圖，對本發(fā)明進行詳細闡述。

所述一種具有增益調(diào)度切換增益的永磁同步電機滑模控制系統(tǒng)，以滑模控制器為核心；所述滑?？刂破鬏斎霝槎ㄗ与娏髡`差，輸出為旋轉(zhuǎn)坐標系下定子電壓。

已知永磁同步電機在d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標系中的定子電壓方程為

(1)

式中：u_d、u_q分別為d、q軸定子電壓；i_d、i_q分別為d、q軸定子電流；L_d、L_q分別為d、q軸定子電感；R_s為定子相電阻；為轉(zhuǎn)子磁鏈；為轉(zhuǎn)子電角速度。

對于電流環(huán)控制系統(tǒng)，將d、q軸定子電流誤差e_d、e_q定義為狀態(tài)變量，將d、q軸定子電壓u_d、u_q定義為控制輸入，則由式(1)可得d-q軸電流控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程為

(2)

式中：；；；

(i_dr、i_qr分別為d、q軸電流給定)。

所述滑模控制器采用積分滑模面設(shè)計；積分滑模面設(shè)計可以在系統(tǒng)遇到隨機的外部擾動時，消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精確度，達到設(shè)計所要求的性能指標。

對于d-q軸電流控制系統(tǒng)，積分滑模面表示為

(3)

式中：c₁、c₂分別為d、q軸滑模面的積分系數(shù)。

所述滑?？刂破鞑捎弥笖?shù)趨近律，這樣在獲得快速趨近的同時還可以削弱系統(tǒng)抖振，提高系統(tǒng)控制性能。

對于d-q軸電流控制系統(tǒng)，指數(shù)趨近律表示為

(4)

式中：、分別為d、q軸趨近律的切換增益系數(shù)；、分別為d、q軸的趨近律指數(shù)系數(shù)。

綜上所述，由狀態(tài)方程式(2)、滑模面表達式(3)和趨近律表達式(4)，將d₁、d₂視作干擾項，求得d-q軸電流滑?？刂破鞯目刂坡蔀?/p>

(5)

根據(jù)控制律公式(5)，設(shè)計電流滑?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性理論，滑動模態(tài)的存在性和可達性條件表示為

(6)

對于d-q軸電流滑?？刂葡到y(tǒng)，，則可將上式改寫為

(7)

將狀態(tài)方程式(2)、滑模面表達式(3)和控制律表達式(5)代入上式，可得電流滑模控制系統(tǒng)的魯棒性條件為

(8)

式中：；；；。

由此可以看出，在控制律式(5)中，切換增益系數(shù)、需要隨著參數(shù)攝動和外部擾動變化，才能滿足系統(tǒng)魯棒性條件；然而，增大切換增益系數(shù)會加劇系統(tǒng)抖振，而減小切換增益系數(shù)會延緩系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)；因此，需要權(quán)衡以上兩種情況選擇合適的切換增益系數(shù)。

為了解決系統(tǒng)抖振的問題，本發(fā)明采用增益調(diào)度的方法對切換增益系數(shù)進行整定；所述的增益調(diào)度規(guī)則如下：如果切換增益系數(shù)較小，則運動點趨近滑模面的速度較小，引起的系統(tǒng)抖振較?。欢绻^大，則運動點到達滑模面時的速度較大，引起的系統(tǒng)抖振也較大；因此，切換增益系數(shù)的增益調(diào)度規(guī)則為：在距離滑模面較遠處選取較大的，以保證快速趨近；而在距離滑模面較近處選取較小的，以減小系統(tǒng)抖振。

所述控制律切換增益系數(shù)根據(jù)增益調(diào)度方法進行整定；這種方法不必確定典型工作點，更不必在每個典型工作點上通過仿真或?qū)嶒炑芯恳灰粚ふ易顑?yōu)參數(shù)，而只需要采用合適的設(shè)計方法確定控制參數(shù)的邊界范圍，并采用合適的插值方法在允許邊界范圍內(nèi)對控制參數(shù)進行增益調(diào)度。

本發(fā)明以q軸滑模面函數(shù)的絕對值作為調(diào)度變量，考慮切換增益系數(shù)應(yīng)位于允許邊界范圍內(nèi)，則關(guān)于q軸切換增益系數(shù)的增益調(diào)度規(guī)則設(shè)計為

(9)

式中：s_qmax為q軸調(diào)度變量的最大值，滿足。

同理，關(guān)于d軸切換增益系數(shù)的增益調(diào)度規(guī)則設(shè)計為

(10)

式中：s_dmax為調(diào)度變量的最大值，滿足；、分別為d軸切換增益系數(shù)的上、下邊界。

本發(fā)明提出根據(jù)交軸電流給定i_dr和電角速度對切換增益系數(shù)的邊界范圍進行自適應(yīng)整定的方法。

如果考慮電機處于電動運行模式，d軸電流給定，q軸電流給定；一般情況下，電機電磁參數(shù)滿足；忽略干擾項、中相對較小項、；那么，，；因此，根據(jù)式(8)可知，d軸切換增益系數(shù)的邊界范圍與無關(guān)；而q軸切換增益系數(shù)的邊界范圍要考慮的限制，即如果取值過小，則無法保證滑?？刂葡到y(tǒng)的魯棒性；如果取值過大，則不利于減小系統(tǒng)抖振。

鑒于以上因素，將關(guān)于切換增益系數(shù)的邊界的自適應(yīng)調(diào)整律設(shè)計為

(11)

式中：k_s為切換增益邊界的調(diào)整系數(shù)，k_s為大于1的常數(shù)。

在滿足滑模存在性和可達性條件式(8)的前提下，考慮一定程度的參數(shù)攝動、外部干擾和轉(zhuǎn)速測量誤差等，綜合衡量系統(tǒng)抖振與超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間等動態(tài)指標，調(diào)整系數(shù)k_s一般取1.3-2.2；因此，q軸切換增益系數(shù)的邊界范圍可表示為

(12)

本發(fā)明所述的永磁同步電機控制系統(tǒng)，其原理清晰易懂；本發(fā)明提出的一種具有增益調(diào)度切換增益的永磁同步電機滑?？刂葡到y(tǒng)具有實現(xiàn)容易的特點；采用自適應(yīng)方法克服了常規(guī)增益調(diào)度方法需要確定典型工作點及通過大量仿真研究工作對控制參數(shù)尋優(yōu)的缺點；采用滑模面函數(shù)為調(diào)度變量，按照增益調(diào)度規(guī)則對系數(shù)進行實時整定，使得系統(tǒng)在全局運行范圍內(nèi)具有良好的控制特性。

本發(fā)明所沒有進行敘述之處，都是本領(lǐng)域中實驗人員都知道的內(nèi)容；通過以上敘述，本領(lǐng)域的使用者知道了此發(fā)明的較佳之處；應(yīng)該進行聲明的是，在不脫離本發(fā)明的核心的情況下，任何形式的比較容易的變形和修改都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。