基于连续终端滑模技术的永磁同步电机速度复合控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于连续终端滑模技术的永磁同步电机速度复合控制方法。根据矢量控制原理，将永磁同步电机系统解耦成速度环和电流环分别进行控制。对速度环采用复合控制方法。本发明专利技术设计了连续终端滑模控制器，作为反馈控制器，使永磁同步电机速度在整个调节过程中都具有较快的响应，并且克服了滑模控制的抖振问题；对速度环干扰项采用二阶有限时间干扰观测器，作为前馈补偿器，实时观测和补偿干扰。当无干扰观测误差时，永磁同步电机转速能够有限时间内到达参考转速，当干扰观测误差有界时，永磁电机转速能够有限时间内到达参考转速的邻域。本发明专利技术提出的复合控制方法能够有效调节永磁同步电机转速，具有快的调节速度和好的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
基于连续终端滑模技术的永磁同步电机速度复合控制方法
本专利技术属于永磁同步电机的速度控制领域，更具体地，永磁同步电机速度控制系统中使用连续终端滑模控制器，同时加入二阶有限时间干扰观测器，从而对永磁同步电机速度实施复合控制的方法。
技术介绍
永磁同步电机因其结构简单、运行可靠、维护方便、效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点在工业领域有着广泛的应用前景，特别是在电动车辆、航天和电动工具等方面。在工业应用场合上，永磁同步电机经常会遇到各种干扰。这些干扰来源包括内部干扰以及外部干扰，例如：摩擦以及负载的扰动。同时，电机的工作环境不同，工作频率不同以及定子电流不同都将会使得永磁同步电机参数发生改变。比如：定子电阻会随着电机温度变化而变化，又或者气隙磁通会由于磁路饱合的影响发生改变。这些由扰动导致参数的变化，会使得控制系统不能很好的获得转子的位置，进而使得控制系统不能很好的控制电机。因此，很有必要去寻找一种能够很好提高永磁同步电机鲁棒性的控制方法。近些年，许多学者在永磁同步电机的滑模变结构控制方面做了大量的研究。工业对象的多样化和复杂化对伺服控制的要求很高，希望伺服系统具有较强的抗扰能力，这一方面可降低用户调试系统的难度，另一方面可在参数时变及干扰强烈等恶劣的工况下保证系统良好的动态响应和较高的稳态精度。滑模控制是一种高速切换反馈控制。由于滑动模态的特性是预先设定的，因此系统响应对匹配不确定性和干扰不敏感,提供了在有不确定和干扰条件下保持系统控制性能的方法，可以赋予系统良好的品质，在直流伺服、机械手控制、航空航天等领域都有广泛的应用。尽管滑模控制实现简单，对满足匹配条件的外界干扰、不确定性具有自适应性，但是抖振问题是其固有缺陷，阻碍了滑模控制在实际中的应用。滑模控制中，抖振现象体现了滑模控制的切换特性。抖振抑制，一定程度上都是以损失滑模控制的鲁棒性或控制精度为代价的。滑模控制中抖振产生的原因在于：当系统的状态到达终端滑模面时，其速度不为零，实际系统的执行器不可避免的存在惯性，从而使状态点穿越终端滑模面，导致实际的滑模运动不是准确的发生在终端滑模面上，从而形成抖振，叠加在理想的终端滑模面上。抖振将影响系统静态稳定性(如定位精度)、动态反应能力，严重时甚至使系统产生振荡或不稳定；同时还会增加系统的额外能耗、减小系统寿命等。80年代末，Slotine等学者在滑模控制中采用连续的饱合函数代替符号函数，实现准滑动模态控制。边界层的宽度决定了控制的精度，且与边界层宽度成反比。边界层宽度越大，控制精度越低，系统抖振越小甚至无抖振。该方法是将系统状态控制到终端滑模面附近的边界层区域。但是，此种方法在实际中，若边界层的值相对大一些，便会增加系统的稳态误差，进而损害系统鲁棒性。由于永磁同步电机在实际使用中，会遇到多种干扰，仅依靠滑模控制自身对干扰和不确定的自适应性，难以实现良好的鲁棒性能。因此，在滑模控制的基础上，加以适当的干扰观测和补偿等主动抗干扰措施，能够有效降低滑模控制器的增益，提高系统的抗鲁棒性能。传统滑模面通常设计为线性函数。线性滑模面可以满足线性系统的控制性能要求，其稳定性分析相对简单。但是，在线性滑模面上，系统最好的收敛是渐近收敛，即当控制对象具有较高的控制精度要求时，线性滑模面往往不能满足系统控制精度的要求。终端滑模面，通过将滑模面设计为非线性函数，系统的状态可以在有限时间内收敛到平衡点，相应的控制律的设计方法和线性滑模面相同。本专利技术拟采用终端滑模面方法，在有限时间内，确保系统状态收敛。
技术实现思路
本专利技术提供了基于连续终端滑模技术的永磁同步电机速度复合控制方法。基于矢量控制，将永磁同步电机按电流、速度解耦成内外环。对于速度环控制，设计连续终端滑模控制器作为反馈控制器，克服了滑模控制抖振问题，实现速度跟踪的有限时间收敛；对速度环中存在的干扰，设计了二阶有限时间干扰观测器作为前馈补偿器，实时观测和补偿速度环中的干扰；前馈反馈控制器串联，构成速度环的复合控制方案。复合控制方法能够提高永磁同步电机速度环的控制精度、响应快速性和鲁棒性。为了解决上述技术问题，本专利技术的一种基于连续终端滑模技术的永磁同步电机速度复合控制方法，包括如下步骤：步骤一：采集定子绕组上的三相电流ia、ib、ic，通过Clark变换，转换成为静止坐标系下α、β轴的等效电流iα、iβ；通过位置速度传感器获得永磁同步电机的转子位置θ，计算Park变换矩阵，将静止坐标系下的电流iα、iβ变换为旋转坐标系下d、q轴的电流id和iq；步骤二：以永磁同步电机实际速度ω(t),d、q轴电流id和iq为状态变量，获得永磁同步电机旋转坐标系下的状态空间表达式，结合矢量控制，令d轴参考电流满足将非线性耦合的永磁同步电机解耦为速度环和电流环，构成内外环结构；并获得解耦后实际速度ω(t)的二阶微分方程；步骤三：内外环结构中，外环是速度环，参考输入为永磁同步电机的参考速度ωr(t)；以永磁同步电机的参考速度ωr(t)和实际速度ω(t)之差，作为速度误差ew(t)，并获得以速度误差ew(t)及其导数为状态的永磁同步电机速度误差系统状态方程；步骤四：以速度误差ew(t)为自变量，设计终端滑模面函数σ(t)，并依据获得终端滑模控制器；为获得连续终端滑模控制器CNTSMC，以两项σ(t)的分数阶绝对值函数和来代替中符号函数项，其中0<ρ1<1，ρ2>1为分数阶，并设定两个大于0的控制增益η1，η2的值，从而设计出连续终端滑模控制器Un(t)，η为大于0的控制增益；步骤五：考察步骤三中获得的速度误差系统的状态方程，将能测量、计算获得的信号作为已知项f(t)，将不能用传感器测量的项、参数变化项以及外界干扰作为速度环干扰项d(t)；根据AriaLevant提出的鲁棒精确微分器理论，设计二阶有限时间干扰观测器，观测永磁同步电机速度环干扰项d(t)，获得d(t)的实时观测值步骤六：依据步骤四中获得的连续终端滑模控制器Un(t)和步骤五中获得的速度环干扰项实时观测值在连续终端滑模控制器Un(t)中引入实时观测值构造永磁同步电机的复合控制器，复合控制器控制器的输出作为电流环输入；步骤七：内外环结构中，内环是电流环，电流环输入来自速度环的输出；由于d轴参考电流依据步骤二中实际速度ω(t)的二阶微分方程，得到速度环输出与q轴参考电流的关系，从而将内外环连接起来；步骤八：永磁同步电机电流环包括d轴和q轴电流环，均采用PI控制器控制，调节PI控制器比例系数kp和积分系数ki，使其能够渐近跟踪d轴和q轴电流参考信号步骤九：步骤八中的d轴电流环的PI控制器输出为d轴电压ud，q轴电流环的PI控制器输出为q轴电压uq，依据步骤一中获得的永磁同步电机的转子位置θ，计算Park逆变换矩阵，对ud和uq进行Park逆变换，转换为α、β坐标系下的定子电压uα和uβ，再通过空间矢量脉宽调制SVPWM技术，对永磁同步电机进行速度调节。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提出的控制方法正是基于上述问题，实现高精度、鲁棒的永磁同步电机速度控制，解决永磁同步电机滑模控制的抖振问题和干扰问题，是符合电机技术的应用需求和发展趋势的。通过对现有文献和技术的全面检索，关于永磁同步电机采用干扰观测器前馈补偿本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于连续终端滑模技术的永磁同步电机速度复合控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：采集定子绕组上的三相电流ia、ib、ic，通过Clark变换，转换成为静止坐标系下α、β轴的等效电流iα、iβ；通过位置速度传感器获得永磁同步电机的转子位置θ，计算Park变换矩阵，将静止坐标系下的电流iα、iβ变换为旋转坐标系下d、q轴的电流id和iq；步骤二：以永磁同步电机实际转速ω(t),d、q轴电流id和iq为状态变量，获得永磁同步电机旋转坐标系下的状态空间表达式，结合矢量控制，令d轴参考电流满足将非线性耦合的永磁同步电机解耦为速度环和电流环，构成内外环结构；并获得解耦后实际转速ω(t)的二阶微分方程；步骤三：内外环结构中，外环是速度环，参考输入为永磁同步电机的参考转速ωr(t)；以永磁同步电机的参考转速ωr(t)和实际转速ω(t)之差，作为速度误差ew(t)，并获得以速度误差ew(t)及其导数为状态的永磁同步电机速度误差系统状态方程；步骤四：以速度误差ew(t)为自变量，设计终端滑模面函数σ(t)，并依据获得终端滑模控制器；为获得连续终端滑模控制器CNTSMC，以两项σ(t)的分数阶绝对值函数和来代替中符号函数项，其中0<ρ1<1，ρ2>1为分数阶，并设定两个大于0的控制增益η1，η2的值，从而设计出连续终端滑模控制器Un(t)；步骤五：考察步骤三中获得的速度误差系统的状态方程，将能测量、计算获得的信号作为已知项f(t)，将不能用传感器测量的项、参数变化项以及外界干扰作为速度环干扰项d(t)；根据Aria Levant提出的鲁棒精确微分器理论，，设计二阶有限时间干扰观测器，观测永磁同步电机速度环干扰项d(t)，获得d(t)的实时观测值步骤六：依据步骤四中获得的连续终端滑模控制器Un(t)和步骤五中获得的速度环干扰项实时观测值在连续终端滑模控制器Un(t)中引入实时观测值构造永磁同步电机的复合控制器复合控制器控制器的输出作为电流环输入；步骤七：内外环结构中，内环是电流环，电流环输入来自速度环的输出；由于d轴参考电流依据步骤二中实际转速ω(t)的二阶微分方程，得到速度环输出与q轴参考电流的关系，从而将内外环连接起来；步骤八：永磁同步电机电流环包括d轴和q轴电流环，均采用PI控制器控制，调节PI控制器比例系数kp和积分系数ki，使其能够渐近跟踪d轴和q轴电流参考信号步骤九：步骤八中的d、q轴电流环均采用PI控制器d轴电流环的PI控制器输出为d轴电压ud，q轴电流环的PI控制器输出为q轴电压uq，依据步骤一中获得的永磁同步电机的转子位置θ，计算Park逆变换矩阵，对ud和uq进行Park逆变换，转换为α、β坐标系下的定子电压uα和uβ，再通过空间矢量脉宽调制SVPWM技术，对永磁同步电机进行速度调节。...

【技术特征摘要】
1.一种基于连续终端滑模技术的永磁同步电机速度复合控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：采集定子绕组上的三相电流ia、ib、ic，通过Clark变换，转换成为静止坐标系下α、β轴的等效电流iα、iβ；通过位置速度传感器获得永磁同步电机的转子位置θ，计算Park变换矩阵，将静止坐标系下的电流iα、iβ变换为旋转坐标系下d、q轴的电流id和iq；步骤二：以永磁同步电机实际速度ω(t),d、q轴电流id和iq为状态变量，获得永磁同步电机旋转坐标系下的状态空间表达式，结合矢量控制，令d轴参考电流满足将非线性耦合的永磁同步电机解耦为速度环和电流环，构成内外环结构；并获得解耦后实际速度ω(t)的二阶微分方程；步骤三：内外环结构中，外环是速度环，参考输入为永磁同步电机的参考速度ωr(t)；以永磁同步电机的参考速度ωr(t)和实际速度ω(t)之差，作为速度误差ew(t)，并获得以速度误差ew(t)及其导数为状态的永磁同步电机速度误差系统状态方程；步骤四：以速度误差ew(t)为自变量，设计终端滑模面函数σ(t)，并依据获得终端滑模控制器；为获得连续终端滑模控制器CNTSMC，以两项σ(t)的分数阶绝对值函数和来代替中符号函数项，其中0<ρ1<1，ρ2>1为分数阶，并设定两个大于0的控制增益η1，η2的值，从而设计出连续终端滑模控制器Un(t)，η为大于0的控制增益；步骤五：考察步骤三中获得的速度误差系统的状态方程，将能测量、计算获得的信号作为已知项f(t)，将不能用传感器测量的项、参数变化项以及外界干扰作为速度环干扰项d(t)；根据AriaLevant提出的鲁棒精确微分器理论，设计二阶有限时间干扰观测器，观测永磁同步电机速度环干扰项d(t)，获得d(t)的实时观测值步骤六：依据步骤四中获得的连续终端滑模控制器Un(t)和步骤五中获得的速度环干扰项实时观测值在连续终端滑模控制器Un(t)中引入实时观测值构造永磁同步电机的复合控制器复合控制器控制器的输出作为电流环输入；步骤七：内外环结构中，内环是电流环，电流环输入来自速度环的输出；由于d轴参考电流依据步骤二中实际速度ω(t)的二阶微分方程，得到速度环输出与q轴参考电流的关系，从而将内外环连接起来；步骤八：永磁同步电机电流环包括d轴和q轴电流环，均采用PI控制器控制，调节PI控制器比例系数kp和积分系数ki，使其能够渐近跟踪d轴和q轴电流参考信号步骤九：步骤八中的d轴电流环的PI控制器输出为d轴电压ud，q轴电流环的PI控制器输出为q轴电压uq，依据步骤一中获得的永磁同步电机的转子位置θ，计算Park逆变换矩阵，对ud和uq进行Park逆变换，转换为α、β坐标系下的定子电压uα和uβ，再通过空间矢量脉宽调制SVPWM技术，对永磁同步电机进行速度调节。2.如权利要求1所述基于连续终端滑模技术的永磁同步电机速度复合控制方法，其中，步骤四的具体内容包括：4-1、参考永磁同步电机速度误差系统模型，设计非线性终端滑模面，即终端滑模面函数为：其中，σ(t)为终端滑模面函数，α是分数阶，p和q为正奇数，kσ是终端滑模面函数σ(t)的参数，x1(t)和x2(t)为速度误差系统的状态；4-2、计算终端滑模面函数σ(t)的导数：一方面，在上式中代入的表达式，是Un(t)来显式表达，另一方面，以两个σ(t)分数阶绝对值函数0<ρ1<1，ρ2>1来代替其符号函数sign(σ(t))，获得的另一种表达为:的两种表达是相等的，永磁同步电机速度环连续终端滑模控制器Un(t)设计为:其中,η1，η2是正的控制增益，B为永磁同步电机等效摩擦系数，J为永磁同步电机等效转动惯量，是连续函数；由于0<ρ1<1，ρ2>1，ρ1，ρ2是分数阶，sign(σ(t))为σ(t)的符号函数，|σ(t)|表示σ(t)的绝对值；4-3、速度环连续终端滑模控制器初值设定；已知永磁同步电机速度环连续终端滑模控制器的形式，在起步时，获得电机的参考速度ωr(t)及导数实际速度ω(t)及导数误差系统状态ew(t)和终端滑模面函数σ(t)的初始值，并设定控制器参数η1，η2，ρ1，ρ2，α，kσ，kp，ki；4-4、速度环连续终端滑模控制器分析；当速度环干扰项d(t)＝0时，即无干扰时，速度误差ew(t)有限时间Tr内到达终端滑模面，Tr是速度误差系统状态ew(t)，由初始值到达终端滑模面σ(t)＝0的时间；当速度环干扰项d(t)≠0时，且速度环干扰项|d(t)|<Ψ时，Ψ为干扰的界，速度误差系统状态ew(t)，有限时间Tr内到达终端滑模面σ(t)＝0的Ψ邻域，之后，速度误差系统状态ew(t)，在σ(t)＝0的Ψ邻域趋向原点，并在有限时间Ts内到达原点的Ψ邻域，Ts为误差系统状态ew(t)，由终端滑模面σ(t)＝0的Ψ邻域到达原点的Ψ邻域所用时间。3.如权利要求1所述基于连续终端滑模技术的永磁同步电机速度复合控制方法，其中，所述步骤五的具体内容包括：5-1、二阶有限时间干扰观测器的设计；对步骤三中获得的永磁同步电机速度误差系统中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆朝絮，徐伟，贾宏杰，孙长银，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12