基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及永磁同步电机技术，具体涉及基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制系统及方法。该控制系统，包括二阶滑模控制器模块、变参数PI调节器模块、dq/αβ模块、SVPWM模块、abc/αβ模块、逆变器模块、速度传感器模块、全阶滑模观测器模块和永磁同步电机；永磁同步电机分别与逆变器模块、abc/αβ模块和速度传感器模块并联连接；逆变器模块依次连接SVPWM模块、dq/αβ模块、二阶滑模控制器模块；abc/αβ模块与全阶滑模观测器模块连接；全阶滑模观测器模块与二阶滑模控制器模块和变参数PI调节器模块并联；速度传感器模块与变参数PI调节器模块连接。使用该系统的控制方法能够提高永磁同步电机的控制性能，减小转矩脉动，同时减小逆变器的开关动作次数。增强了系统的鲁棒性及系统稳定性。

【技术实现步骤摘要】
基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制系统及方法
本专利技术属于永磁同步电机
，尤其涉及基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制系统及方法。
技术介绍
永磁同步电动机(PMSM)由于自身结构简单，具有转速平稳、动态响应快、过载能力强、可靠性高、结构多样化、应用范围广等优点，已成为研究热点，并得到广泛的应用。直接转矩控制(DTC)摒弃了传统矢量控制中的解耦思想，而是将转子磁通定向更换为定子磁通定向，取消了旋转坐标变换，减弱了系统对电机参数的依赖性，通过实时检测电机定子电压和电流，计算转矩和磁链的幅值，并分别与转矩和磁链的给定值比较，利用所得差值来控制定子磁链的幅值及该矢量相对于磁链的夹角，由转矩和磁链调节器直接输出所需的空间电压矢量，从而达到磁链和转矩直接控制的目的。但直接转矩控制系统存在转矩和磁链脉动，开关频率变化等缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能提高永磁同步电机的控制性能，减小转矩脉动，同时减小逆变器开关动作次数的永磁同步电机直接转矩控制系统。本专利技术的第二个目的是提供用于对永磁同步电机进行控制的方法。为实现上述第一个目的，本专利技术采用的技术方案是：基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制系统，包括二阶滑模控制器模块、变参数PI调节器模块、dq/αβ模块、SVPWM模块、abc/αβ模块、逆变器模块、速度传感器模块、全阶滑模观测器模块和永磁同步电机；永磁同步电机分别与逆变器模块、abc/αβ模块和速度传感器模块并联连接；逆变器模块依次连接SVPWM模块、dq/αβ模块、二阶滑模控制器模块；abc/αβ模块与全阶滑模观测器模块连接；全阶滑模观测器模块与二阶滑模控制器模块和变参数PI调节器模块并联；速度传感器模块与变参数PI调节器模块连接。在上述的基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制系统中，二阶滑模控制器模块包括转矩磁链控制器和定子磁链控制器。为实现上述第二个目的，本专利技术采用的技术方案是：基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：步骤1、abc/αβ模块通过检测逆变器模块的电压、电流转换成静止坐标系下的电压、电流；步骤2、全阶滑模观测器模块通过检测静止坐标系下的电压、电流进行估算，得出永磁同步电机的定子磁链、电磁转矩；步骤3、速度传感器模块检测永磁同步电机的实时转速n；步骤4、变参数PI调节器模块通过检测转速的差值而输出相应转矩给定值；步骤5、二阶滑模控制器模块的输入为转矩差值和定子磁链差值，输出为旋转坐标系下的电压步骤6、dq/αβ模块根据输入的经过旋转变化得到静止坐标系下的步骤7、SVPWM模块的输入为静止坐标系下的输出为逆变器模块的开关信号；步骤8、逆变器模块的输入为逆变器的开关信号输出为三相交流电，通过对逆变器开关状态的控制，实现对永磁同步电机转速的控制。在上述的基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制方法中，二阶滑模控制器的设计步骤包括：dq坐标系下PMSM的数学模型为：式(1)中：ψf为永磁体转子磁链，ωe为电角速度，Rs为定子电阻，Ls为定子电感，ψs＝ψd+jψq为定子磁链空间矢量，is＝id+jiq为定子电流空间矢量，us＝ud+juq为定子电压空间矢量；电磁转矩方程为：式(2)中，pn为电机的极对数；当定子磁链矢量的方向与d轴方向一致时，磁链幅值表达式为：ψs＝∫(ud-Rid)dt(3)基于二阶滑模的磁链控制器为：式(4)中：为磁链控制器计算得到的d轴电压分量，ud为定子电压在d轴的分量；磁链的滑膜面函数其中为定子磁链给定值；且增益Kp和Ki满足式(5)的稳定条件，Km为李雅普诺夫稳定性判别系数，C为常数；选取Kp＝100,Ki＝1；同理，基于二阶滑模的转矩控制器为：式(6)中，为磁链控制器计算得到的q轴电压分量，uq为定子电压在q轴的分量，转矩的滑膜面函数其中，为转矩给定值，Te为实际转矩，且增益Kp和Ki满足式(5)的稳定条件，式(4)和式(6)中的r为0或0.5。在上述的基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制方法中，变参数PI控制器的设计步骤包括：将常规PI调节器的比例、积分参数Kpp、Kii由固定值改为转速偏差差e的函数，通过设计合理的函数实时根据e的大小对Kpp、Kii进行调节；采用改进的正态函数来设计Kpp、Kii关于转速偏差e的函数方程，为：其中e＝n*-n，n*、n分别为电机转速的设定值和实际值，k1、k2为增益系数，一般取为k1＞0，k2＞0；取k1＝0.1，k2＝5；为均方值系数，取值在上述的基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制方法中，全阶滑模观测器模块的设计步骤包括：有效定子磁链ψa与转子磁链ψf的关系为：ψa＝ψf+(Ld-Lq)id(8)其中Ld、Lq为d、q轴电感，id为定子电流在d轴分量；有效定子磁链矢量与转子磁链同向，即与旋转坐标系的d轴一致；根据有效磁链的定义式(8)可得：ψa＝ψs-Lqis，其中ψs、is分别为定子磁链和定子电流，在静止坐标系下可写成：其中ψαa、ψβa分别为有效定子磁链在αβ轴的分量，ψα、ψβ分别为定子磁链在αβ轴的分量，iα、iβ分别为定子电流在在αβ轴的分量；转子位置角和定子磁链角的估计值和可分别表示为：式(10)和式(11)中：分别为有效磁链在αβ轴的分量的估计值，分别为定子磁链在αβ轴的分量的估计值；根据静止坐标系下的电压方程可构建定子磁链全阶滑模观测器为：式(12)和式(13)中：为电流估计误差，uα、uβ为定子电压在αβ轴的分量，T为从转子dq坐标系到定子αβ坐标系的变换矩阵，L为电感矩阵，K、Ksm为观测器增益；其中：式(12)和式(13)共同构成全阶滑模观测器。本专利技术的有益效果是：能够提高永磁同步电机的控制性能，减小转矩脉动，同时减小逆变器的开关动作次数。有效降低转矩脉动和磁链脉动，增强了系统的鲁棒性，提高了系统的稳定性。附图说明图1为本专利技术一个实施例的控制系统结构示意图；图2为本专利技术一个实施例的二阶滑模控制器模块的原理图；图3为本专利技术一个实施例变参数PI调节器模块的原理图；图4为本专利技术一个实施例包含有效定子磁链的永磁同步电机的磁链矢量图；图5为本专利技术一个实施例的全阶滑模观测器模块原理图；图6为本专利技术一个实施例传统直接转矩控制的定子磁链仿真波形图；图7为本专利技术一个实施例传统直接转矩控制的电磁转矩仿真模型图；图8为本专利技术一个实施例的直接转矩控制定子磁链仿真波形图；图9为本专利技术一个实施例的直接转矩控制电磁转矩仿真波形图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施方式进行详细描述。本实施例是采用以下技术方案来实现的：基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制系统，如图1所示，控制系统包括二阶滑模控制器模块、变参数PI调节器模块、dq/αβ模块、SVPWM模块、abc/αβ模块、逆变器模块、速度传感器模块、全阶滑模观测器模块和永磁同步电机。而且，永磁同步电机分别与逆变器模块、abc/αβ模块和速度传感器模块并联连接；逆变器模块依次连接SVPWM模块、dq/αβ模块、二阶滑模控制器模块；abc/αβ模块与全阶滑模观测器模块连接；全阶滑模观测器模块与二阶滑模控制器模块和变参数PI调节器模块并联；速度传感器模块与变参数PI调节器模块连接。利用二阶滑模控制器模块代替了传统直接转矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制系统，其特征是，包括二阶滑模控制器模块、变参数PI调节器模块、dq/αβ模块、SVPWM模块、abc/αβ模块、逆变器模块、速度传感器模块、全阶滑模观测器模块和永磁同步电机；永磁同步电机分别与逆变器模块、abc/αβ模块和速度传感器模块并联连接；逆变器模块依次连接SVPWM模块、dq/αβ模块、二阶滑模控制器模块；abc/αβ模块与全阶滑模观测器模块连接；全阶滑模观测器模块与二阶滑模控制器模块和变参数PI调节器模块并联；速度传感器模块与变参数PI调节器模块连接。

【技术特征摘要】
1.基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制系统，其特征是，包括二阶滑模控制器模块、变参数PI调节器模块、dq/αβ模块、SVPWM模块、abc/αβ模块、逆变器模块、速度传感器模块、全阶滑模观测器模块和永磁同步电机；永磁同步电机分别与逆变器模块、abc/αβ模块和速度传感器模块并联连接；逆变器模块依次连接SVPWM模块、dq/αβ模块、二阶滑模控制器模块；abc/αβ模块与全阶滑模观测器模块连接；全阶滑模观测器模块与二阶滑模控制器模块和变参数PI调节器模块并联；速度传感器模块与变参数PI调节器模块连接。2.如权利要求1所述的基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制系统，其特征是，二阶滑模控制器模块包括转矩磁链控制器和定子磁链控制器。3.基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1、abc/αβ模块通过检测逆变器模块的电压、电流转换成静止坐标系下的电压、电流；步骤2、全阶滑模观测器模块通过检测静止坐标系下的电压、电流进行估算，得出永磁同步电机的定子磁链、电磁转矩；步骤3、速度传感器模块检测永磁同步电机的实时转速n；步骤4、变参数PI调节器模块通过检测转速的差值而输出相应转矩给定值；步骤5、二阶滑模控制器模块的输入为转矩差值和定子磁链差值，输出为旋转坐标系下的电压步骤6、dq/αβ模块根据输入的经过旋转变化得到静止坐标系下的步骤7、SVPWM模块的输入为静止坐标系下的输出为逆变器模块的开关信号；步骤8、逆变器模块的输入为逆变器的开关信号输出为三相交流电，通过对逆变器开关状态的控制，实现对永磁同步电机转速的控制。4.如权利要求3所述的基于双滑膜结构的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征是，二阶滑模控制器的设计步骤包括：dq坐标系下PMSM的数学模型为：式(1)中：ψf为永磁体转子磁链，ωe为电角速度，Rs为定子电阻，Ls为定子电感，ψs＝ψd+jψq为定子磁链空间矢量，is＝id+jiq为定子电流空间矢量，us＝ud+juq为定子电压空间矢量；电磁转矩方程为：式(2)中，pn为电机的极对数；当定子磁链矢量的方向与d轴方向一致时，磁链幅值表达式为：ψs＝∫(ud-Rid)dt(3)基于二阶滑模的磁链控制器为：式(4)中：为磁链控...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡红明，方贺，肖寒，刘雪骄，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42