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一種用于表貼式永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的滑?？刂品椒?

文檔序號：40464068發(fā)布日期：2024-12-27 09:29閱讀：5來源：國知局

導(dǎo)航： X技術(shù)> 最新專利>發(fā)電;變電;配電裝置的制造技術(shù)

一種用于表貼式永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的滑?？刂品椒? /><br/><p>本發(fā)明屬于永磁同步電機(jī)調(diào)速滑?？刂?，具體涉及一種用于表貼式永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的滑模控制方法。</p><p><br/><b>背景技術(shù)：</b><br/></p><p>1、由于pmsm是一個多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的閉環(huán)pid控制策略無法滿足較高的控制性能要求，需要采用魯棒性更強(qiáng)的非線性控制方法來實(shí)現(xiàn)對pmsm的高精度控制。目前，pmsm主要的非線性控制方法包括自適應(yīng)控制、模糊控制、滑?？刂埔约澳Ｐ皖A(yù)測控制等。自適應(yīng)控制通過對pmsm調(diào)速系統(tǒng)的控制器參數(shù)進(jìn)行在線識別從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，自適應(yīng)控制主要分為模型參考自適應(yīng)控制、自校正控制器和參數(shù)自適應(yīng)控制。模糊控制可以在沒有pmsm精確模型的情況下進(jìn)行有效控制，而在系統(tǒng)受到外部干擾或參數(shù)變化的情況下，也能夠保持較好的控制性能，但由于其模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)取決于設(shè)計(jì)者的直覺或經(jīng)驗(yàn)，這限制了模糊控制的控制性能。而滑?？刂苿t是一種常用于非線性系統(tǒng)的控制方法，它的特點(diǎn)是控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)會隨著運(yùn)行狀態(tài)的變化而變化，在控制過程中系統(tǒng)的狀態(tài)會沿著預(yù)設(shè)的滑模軌跡運(yùn)動，因此對內(nèi)部參數(shù)變化和外部擾動具有很強(qiáng)的魯棒性，并且設(shè)計(jì)簡單。但由于滑模控制的系統(tǒng)運(yùn)動軌跡會在滑模面上穿梭，直至運(yùn)動到滑模面上，因此滑?？刂茣霈F(xiàn)嚴(yán)重的抖振現(xiàn)象，這是需要消除的。模型預(yù)測控制是一種優(yōu)化控制方法，通過建立電機(jī)的動態(tài)模型，并選擇最優(yōu)的控制策略，來預(yù)測未來的控制效果，因此具有較強(qiáng)的魯棒性和適應(yīng)性，且適用于處理多變量和約束的控制問題，但依賴于系統(tǒng)參數(shù)和模型的準(zhǔn)確性。</p><p>2、并且pmsm在實(shí)際工作中總會出現(xiàn)內(nèi)部參數(shù)攝動和外部不確定性擾動，需要在控制器中需要對其補(bǔ)償。但由于內(nèi)部參數(shù)攝動和外部負(fù)載擾動不可測，需要設(shè)計(jì)觀測器對其進(jìn)行估計(jì)以便通過前饋補(bǔ)償該項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)精確控制。</p><br/><p><b>技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路</b></p><p>1、本發(fā)明的目的在于提供一種用于表貼式永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的滑?？刂品椒?，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。</p><p>2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種用于表貼式永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的滑?？刂品椒?，包括如下步驟：</p><p>3、s1.首先對spmsm調(diào)速系統(tǒng)的速度控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用clark變換和park變換將spmsm在三相靜止坐標(biāo)系下的電壓方程變換到兩相(d-q)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，從而對spmsm進(jìn)行降階和簡化分析；則在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下spmsm的定子電壓方程表示為：</p><p>4、</p><p>5、式中，ud,uq,id,iq,ld和lq分別為spmsm在d-q坐標(biāo)系下定子的電壓、電流和電感分量,r為定子電阻，ψf為永磁鐵磁鏈，ωe為電機(jī)的電角速度。</p><p>6、s2.檢測spmsm的三相電流和實(shí)際轉(zhuǎn)速，并通過坐標(biāo)變換得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流，為了實(shí)現(xiàn)對spmsm的轉(zhuǎn)速有效控制，引入電機(jī)的轉(zhuǎn)速參考值與實(shí)際值之間的差值作為狀態(tài)變量，定義系統(tǒng)的狀態(tài)變量為：</p><p>7、</p><p>8、式中，δ1和δ2為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，為系統(tǒng)狀態(tài)變量δ1的導(dǎo)數(shù)，ωref和ωm分別為電機(jī)速度的參考值和實(shí)際值，和分別為電機(jī)速度參考值和實(shí)際值的導(dǎo)數(shù)；</p><p>9、提出的快速積分終端滑模面被設(shè)計(jì)為：</p><p>10、</p><p>11、其中，c、α、β、k1、k2和k3為滑模面的待設(shè)計(jì)參數(shù)，c>0，0＜α＜1，β＝2α/(1+α)，k1、k2和k3均為正實(shí)數(shù)，δ1和δ2為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，sign(·)為符號函數(shù)，滿足：</p><p>12、</p><p>13、提出的雙冪次趨近律被設(shè)計(jì)為：</p><p>14、</p><p>15、式中，η1、η2、u和v為待設(shè)計(jì)的參數(shù)，且η1＞0，η2＞0，0<u<1，v滿足：</p><p>16、</p><p>17、其中，γ為待設(shè)計(jì)的參數(shù)，且γ>1；</p><p>18、證明：采用lyapunov穩(wěn)定性定理證明設(shè)計(jì)的fitsmc的穩(wěn)定性，待選的lyapunov能量函數(shù)為：</p><p>19、</p><p>20、對lyapunov函數(shù)求導(dǎo)得到：</p><p>21、</p><p>22、根據(jù)lyapunov穩(wěn)定性定理，當(dāng)v≥0，時(shí)，系統(tǒng)將會在有限時(shí)間內(nèi)收斂到零，因此提出的fitsmc滿足穩(wěn)定條件；</p><p>23、s3.考慮到spmsm在實(shí)際工況下會出現(xiàn)電機(jī)參數(shù)漂移、摩擦以及負(fù)載變化，因此spmsm在同時(shí)考慮內(nèi)部參數(shù)變化和外部擾動下的電機(jī)機(jī)械運(yùn)動方程表示為：</p><p>24、</p><p>25、其中，δj、δψf、δb和δtl分別為電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量、永磁體磁鏈、阻尼系數(shù)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的不確定性因素，并且都有界，τ為系統(tǒng)的集總擾動量，ψf為永磁鐵磁鏈，ωm為spmsm的機(jī)械角速度，pn為磁極對數(shù)，j為轉(zhuǎn)動慣量，b為阻尼系數(shù)，tl為spmsm的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，iq為q軸電流。</p><p>26、</p><p>27、式中，τ為系統(tǒng)的集總擾動量，ψf為永磁鐵磁鏈，ωm為spmsm的機(jī)械角速度，pn為磁極對數(shù)，j為轉(zhuǎn)動慣量，b為阻尼系數(shù)，tl為spmsm的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，δj、δψf、δb和δtl分別為電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量、永磁體磁鏈、阻尼系數(shù)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的不確定性因素，iq為q軸電流。</p><p>28、假設(shè)1：假設(shè)信號是連續(xù)可微的，且導(dǎo)數(shù)有界；</p><p>29、假設(shè)2：假設(shè)集總擾動量τ是未知有界的并且滿足|τ|≤κ1，且其導(dǎo)數(shù)滿足其中κ1，κ2均為正實(shí)數(shù)；</p><p>30、因此，在考慮內(nèi)部參數(shù)擾動和外部負(fù)載擾動情況下的q軸參考輸入電流被修改為：</p><p>31、</p><p>32、式中，pn為磁極對數(shù)，j為轉(zhuǎn)動慣量，b為阻尼系數(shù)，ψf為永磁鐵磁鏈，η1、η2、u和v為待設(shè)計(jì)的參數(shù)，c、α、β、k1、k2和k3為滑模面的待設(shè)計(jì)參數(shù)，c>0，0＜α＜1，β＝2α/(1+α)，k1、k2和k3均為正實(shí)數(shù)，δ1和δ2為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，fsat(·)為飽和函數(shù)，為系統(tǒng)集總擾動量的導(dǎo)數(shù)。</p><p>33、由于在實(shí)際工況下電機(jī)的內(nèi)外擾動無法測量，需要對內(nèi)外部擾動進(jìn)行估計(jì)，以便設(shè)計(jì)的控制器能夠?qū)_動進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)考慮內(nèi)部和外部擾動不確定性的電機(jī)機(jī)械運(yùn)動方程，系統(tǒng)的集總擾動寫成擴(kuò)展擾動狀態(tài)空間表達(dá)式：</p><p>34、</p><p>35、其中，為spmsm機(jī)械角速度的導(dǎo)數(shù)，為系統(tǒng)集總擾動量的導(dǎo)數(shù)，λ為集總擾動τ的變化率，pn為磁極對數(shù)，j為轉(zhuǎn)動慣量，b為阻尼系數(shù)，ψf為永磁鐵磁鏈，iq為q軸電流。</p><p>36、提出的擴(kuò)展滑模擾動觀測器被進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：</p><p>37、</p><p>38、其中，和分別為電機(jī)速度實(shí)際值ωm和集總擾動τ的估計(jì)值，和分別為電機(jī)速度實(shí)際值ωm和集總擾動τ估計(jì)值的導(dǎo)數(shù)，為滑模觀測器的增益，pn為磁極對數(shù)，j為轉(zhuǎn)動慣量，b為阻尼系數(shù)，ψf為永磁鐵磁鏈，iq為q軸電流，ζ為觀測器的滑模函數(shù)，被設(shè)計(jì)為：</p><p>39、</p><p>40、其中，l1，l2和l3為正實(shí)數(shù)，0＜ε1＜1，1＜ε2，為速度估計(jì)值與速度實(shí)際值之間的誤差，sign(·)為符號函數(shù)；</p><p>41、將得到的集總擾動代入q軸參考輸入電流被修改方程式中，得到修正的帶擾動補(bǔ)償?shù)膓軸參考輸入電流</p><p>42、</p><p>43、式中，pn為磁極對數(shù)，j為轉(zhuǎn)動慣量，b為阻尼系數(shù)，ψf為永磁鐵磁鏈，η1、η2、u和v為待設(shè)計(jì)的參數(shù)，c、α、β、k1、k2和k3為滑模面的待設(shè)計(jì)參數(shù)，c>0，0＜α＜1，β＝2α/(1+α)，k1、k2和k3均為正實(shí)數(shù)，δ1和δ2為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，fsat(·)為飽和函數(shù)，為集總擾動τ估計(jì)值的導(dǎo)數(shù)；</p><p>44、為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的擴(kuò)展滑模擾動觀測器的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)觀測器的滑模面為采用和待選的lyapunov能量函數(shù)公式相同的lyapunov能量函數(shù)，對lyapunov函數(shù)求導(dǎo)得到：</p><p>45、</p><p>46、式中，j為轉(zhuǎn)動慣量，b為阻尼系數(shù)，l1，l2和l3為正實(shí)數(shù)，0＜ε1＜1，1＜ε2，為速度估計(jì)值與速度實(shí)際值之間的誤差，sign(·)為符號函數(shù)，為集總擾動估計(jì)值與實(shí)際值之間的誤差；</p><p>47、當(dāng)滿足lyapunov穩(wěn)定性定理時(shí)，滑模擾動觀測器漸進(jìn)穩(wěn)定，那么當(dāng)提出的觀測器參數(shù)設(shè)計(jì)得滿足以下條件時(shí)，滑模擾動觀測器的誤差收斂且穩(wěn)定：</p><p>48、</p><p>49、式中，j為轉(zhuǎn)動慣量，b為阻尼系數(shù)，l1，l2和l3為正實(shí)數(shù)，0＜ε1＜1，1＜ε2；</p><p>50、s4.將參考轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差和估計(jì)的集總擾動作為滑?？刂破鞯妮斎?，滑?？刂破鞯妮敵雠c電流iq的偏差作為pi控制器的輸入，形成轉(zhuǎn)速、電流的雙閉環(huán)控制。</p><p>51、優(yōu)選的，所述步驟s2中計(jì)算所得結(jié)果使滑?？刂破鞯妮敵鼋Y(jié)合步驟s2中的公式被推導(dǎo)出來：</p><p>52、</p><p>53、式中，c、α、β、k1、k2和k3為滑模面的待設(shè)計(jì)參數(shù)，c>0，0＜α＜1，β＝2α/(1+α)，k1、k2和k3均為正實(shí)數(shù)，sign(·)為符號函數(shù)，η1、η2、u和v為待設(shè)計(jì)的參數(shù)，且η1＞0，η2＞0，0<u<1，pn為磁極對數(shù)，j為轉(zhuǎn)動慣量，b為阻尼系數(shù)，ψf為永磁鐵磁鏈，δ1和δ2為系統(tǒng)的狀態(tài)變量。</p><p>54、由于故spmsm伺服控制系統(tǒng)的q軸參考輸入電流i*q為：</p><p>55、</p><p>56、式中，c、α、β、k1、k2和k3為滑模面的待設(shè)計(jì)參數(shù)，c>0，0＜α＜1，β＝2α/(1+α)，k1、k2和k3均為正實(shí)數(shù)，sign(·)為符號函數(shù)，η1、η2、u和v為待設(shè)計(jì)的參數(shù)，且η1＞0，η2＞0，0<u<1，pn為磁極對數(shù)，j為轉(zhuǎn)動慣量，b為阻尼系數(shù)，ψf為永磁鐵磁鏈，δ1和δ2為系統(tǒng)的狀態(tài)變量。</p><p>57、優(yōu)選的，所述根據(jù)步驟s2中的演算所得還設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的飽和函數(shù)fsat(·)代替滑?？刂破髦械姆柡瘮?shù)sign(·)抑制抖振，改進(jìn)的飽和函數(shù)被設(shè)計(jì)為：</p><p>58、</p><p>59、其中,σ為邊界層厚度，k為待設(shè)計(jì)的正整數(shù)，改進(jìn)的飽和函數(shù)在原點(diǎn)處的切換速度；</p><p>60、因此，用于抑制抖振的q軸參考輸入電流i*qm被重構(gòu)為：</p><p>61、</p><p>62、式中，c、α、β、k1、k2和k3為滑模面的待設(shè)計(jì)參數(shù)，c>0，0＜α＜1，β＝2α/(1+α)，k1、k2和k3均為正實(shí)數(shù)，fsat(·)為飽和函數(shù)，η1、η2、u和v為待設(shè)計(jì)的參數(shù)，且η1＞0，η2＞0，0<u<1，pn為磁極對數(shù)，j為轉(zhuǎn)動慣量，b為阻尼系數(shù)，ψf為永磁鐵磁鏈，δ1和δ2為系統(tǒng)的狀態(tài)變量。</p><p>63、優(yōu)選的，所述根據(jù)步驟s2中的狀態(tài)變量、定義系統(tǒng)的狀態(tài)變量的公式忽略系統(tǒng)速度參考值和外部負(fù)載為恒定值時(shí)，令控制器的輸出得到系統(tǒng)的誤差狀態(tài)空間表達(dá)式：</p><p>64、</p><p>65、式中，和為系統(tǒng)狀態(tài)變量的導(dǎo)數(shù)，pn為磁極對數(shù)，j為轉(zhuǎn)動慣量，b為阻尼系數(shù)，ψf為永磁鐵磁鏈，δ1和δ2為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，為q軸電流的導(dǎo)數(shù)。</p><p>66、優(yōu)選的，所述通過步驟s1使永磁同步電機(jī)為一個多變量、非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，因此對其控制系統(tǒng)進(jìn)行解耦，對于表貼式永磁同步電機(jī)，采用id＝0的轉(zhuǎn)子磁場定向控制方法進(jìn)行解耦：并且在表貼式永磁同步電機(jī)的定子電感滿足ld＝lq，因此在該解耦方法下spmsm的機(jī)械運(yùn)動方程重構(gòu)為：</p><p>67、</p><p>68、式中，pn為磁極對數(shù)，j為轉(zhuǎn)動慣量，b為阻尼系數(shù)，ψf為永磁鐵磁鏈，iq為q軸電流，tl為spmsm的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，ωm為電機(jī)的機(jī)械角速度。</p><p>69、重構(gòu)的機(jī)械運(yùn)動方程中含有電機(jī)的機(jī)械角速度ωm、q軸電流iq、轉(zhuǎn)動慣量j、阻尼系數(shù)b以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩tl。</p><p>70、優(yōu)選的，所述步驟s1中的spmsm的定子電壓方程式中，ud,uq,id,iq,ld和lq分別為spmsm在d-q坐標(biāo)系下定子的電壓、電流和電感分量,r為定子電阻，ψf為永磁鐵磁鏈，ωe和ωm分別為電機(jī)的電角速度和機(jī)械角速度，兩者的關(guān)系滿足ωe＝pnωm，pn為磁極對數(shù)。</p><p>71、優(yōu)選的，所述步驟s3中的公式對滑模擾動觀測器進(jìn)行穩(wěn)定性分析，用擴(kuò)展滑模擾動觀測器公式減去擴(kuò)展擾動狀態(tài)空間公式，得到電機(jī)轉(zhuǎn)速的動態(tài)誤差方程：</p><p>72、</p><p>73、式中，和分別為速度的估計(jì)誤差和集總擾動的估計(jì)誤差，j為轉(zhuǎn)動慣量，b為阻尼系數(shù)，ζ為觀測器的滑模函數(shù)，為滑模觀測器的增益，λ為集總擾動τ的變化率，為速度估計(jì)值與速度實(shí)際值之間的誤差，為集總擾動估計(jì)值與實(shí)際值之間的誤差。</p><p>74、優(yōu)選的，所述根據(jù)步驟s1中的spmsm的定子電壓方程計(jì)算得出spmsm的機(jī)械運(yùn)動方程表示為：</p><p>75、</p><p>76、式中，ωm為電機(jī)的機(jī)械角速度，j為轉(zhuǎn)動慣量，te和tl為spmsm的電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，b為阻尼系數(shù)，pn為磁極對數(shù)，id和iq為spmsm在d-q坐標(biāo)系下定子的電流分量，ld和lq為spmsm在d-q坐標(biāo)系下定子的電感分量，ψf為永磁鐵磁鏈，θm為電機(jī)的機(jī)械角度。</p><p>77、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果和優(yōu)點(diǎn)：該用于表貼式永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的滑?？刂品椒?，本發(fā)明針對采用傳統(tǒng)pi控制策略無法滿足表貼式永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的較高控制性能需求的問題，提出了一個新型滑模控制器，該新型滑?？刂破饔兄斓氖諗克俣?，并且削弱了控制系統(tǒng)的抖振現(xiàn)象，解決了已有滑?？刂品椒憫?yīng)速度較慢和抖振較嚴(yán)重的問題，提高了永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制性能和魯棒性。并且為了保證永磁同步電機(jī)在內(nèi)部參數(shù)攝動和外部不確定性擾動下能夠具有足夠的魯棒性，設(shè)計(jì)了一個新型擴(kuò)展滑模擾動觀測器，通過將估計(jì)的內(nèi)外集總擾動前饋到滑模控制器中，實(shí)現(xiàn)了對內(nèi)外未知擾動的精確補(bǔ)償，進(jìn)一步提高了表貼式永磁同步電機(jī)的速度跟蹤性能和魯棒性。</p>
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該技術(shù)已申請專利。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系技術(shù)所有人。
技術(shù)研發(fā)人員：楊琳,方俊,鄭敏利,龔俊豪,宮福康
技術(shù)所有人：哈爾濱理工大學(xué)
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