一种基于滑模负载转矩观测器的永磁同步电动机控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于滑模负载转矩观测器的永磁同步电动机控制方法，首先，在永磁同步电动机数学模型的基础上，根据永磁同步电动机的机械运动方程设计无差拍预测控制器；再设计滑模负载转矩观测器；最后对滑模负载转矩观测器进行分析，以实现对永磁同步电动机的准确控制。本发明专利技术方法将滑模负载转矩观测器与无差拍预测控制相结合，提高了其动态响应速度；同时将传统滑模观测器中包含符号函数的等速趋近律替换为基于正弦函数的光滑趋近律，以此来抑制传统滑模观测器中的滑模抖振和减少滑模面到达时间。

A control method of permanent magnet synchronous motor based on sliding mode load torque observer

The invention discloses a control method of permanent magnet synchronous motor based on sliding mode load torque observer. First, on the basis of the mathematical model of permanent magnet synchronous motor, a deadbeat predictive controller is designed according to the mechanical motion equation of permanent magnet synchronous motor; then, the sliding mode load torque observer is designed; finally, the sliding mode load torque observer is analyzed to realize the same permanent magnet Accurate control of step motor. The method of the invention combines the sliding mode load torque observer with the deadbeat predictive control to improve its dynamic response speed; at the same time, the constant speed approach law including the sign function in the traditional sliding mode observer is replaced by the smooth approach law based on the sine function, so as to suppress the sliding mode chattering in the traditional sliding mode observer and reduce the arrival time of the sliding mode surface.

【技术实现步骤摘要】
一种基于滑模负载转矩观测器的永磁同步电动机控制方法
本专利技术属于电机控制
，涉及一种基于滑模负载转矩观测器的永磁同步电动机控制方法。
技术介绍
我国已成为世界上最大的稀土生产、应用和出口国。稀土钴及钕铁硼永磁材料因其具有高剩磁、高矫顽力和高磁能积等优点而被广泛应用于永磁电机，永磁同步电动机(PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM)就是其典型应用之一。永磁同步电动机因其具有体积小、结构简单、功率密度大和转矩惯性比大等优点而被广泛应用于交流电机传动领域，如工业机器人、数控机床、电动汽车等领域。随着上述领域对高性能伺服控制系统的需求不断上升以及这些领域自身的发展，极大地推动了永磁同步电动机先进控制技术的飞速发展。矢量控制是一种经典的永磁同步电动机控制方式，主要思想是通过坐标变换，把三相交流电机按照直流电机的控制方法来控制，其控制结构是一种速度环和电流环的级联结构。矢量控制作为一种通用控制技术，具有稳态精度高、开关频率固定等优点，但也存在动态性能不佳、消除误差的方式为被动方式和对外部扰动敏感等问题。尤其是永磁同步电动机是一个多变量、非线性、强耦合系统，应用环境一般较为复杂且常常存在各种扰动，如电机参数的变化和外部负载扰动等，在这些复杂工况下，矢量控制的性能将不能满足需求。针对上述问题，国内外学者提出了许多针对速度环的改进控制方法，如滑模控制、自适应控制、模糊控制、无差拍预测控制等。当速度环采用无差拍预测控制时，需要知道电机的负载转矩值。同时，在一些高端大型设备中使用永磁同步电动机驱动时，需要抑制大负载和大转动惯量变化工况下的速度波动，要实现这一点，就需要在线辨识负载转矩。目前，应用于负载转矩辨识的方法主要包括卡尔曼滤波、模型参考自适应控制和滑模观测器等。滑模观测器具有抗干扰能力强、对系统扰动鲁棒性强、响应快、易于实现等优点而受到人们的广泛关注。然而滑模观测器的抖振问题是制约滑模观测器性能的一个主要因素，目前的解决方法主要有提高滑模观测器的阶数和改进趋近律等，如二阶滑模观测器、利用饱和函数替代传统符号函数等方法。采用二阶滑模观测器方法虽然能降低滑模抖振，但是二阶滑模观测器设计复杂，会增加控制系统的计算量；利用饱和函数替代传统符号函数在不增加计算量的同时能有效降低滑模抖振，是一种使用广泛的方法，但是传统的饱和函数存在不连续点，这会在不连续点引起一定的抖振。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于滑模负载转矩观测器的永磁同步电动机控制方法，解决了现有技术中存在的永磁同步电动机在负载扰动的复杂工况下速度响应慢、控制效果差的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种基于滑模负载转矩观测器的永磁同步电动机控制方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，建立永磁同步电动机的数学模型；步骤2，在永磁同步电动机数学模型的基础上，根据永磁同步电动机的机械运动方程设计无差拍预测控制器；步骤3，设计滑模负载转矩观测器；步骤4，对滑模负载转矩观测器进行分析，以实现对永磁同步电动机的准确控制。本专利技术的特点还在于：步骤1中，永磁同步电动机的数学模型具体如下：式(1)中，ud和uq分别为直轴电压和交轴电压；id和iq分别为直轴电流和交轴电流；Ls为定子电感；Rs为定子电阻；ωm为转子机械角速度；ωe为转子电角速度；ψf为永磁体磁链；J为转动惯量；B为摩擦粘滞系数；Te为电磁转矩；TL为负载转矩；pn为电机极对数；Ld和Lq分别为d、q轴电感分量；t为时间；其中，表贴式永磁同步电动机中Ld＝Lq＝Ls。步骤2中，永磁同步电动机的机械运动方程具体如下：式(2)中，Te为电磁转矩；TL为负载转矩；J为转动惯量；B为摩擦粘滞系数；ωm为转子机械角速度；t为时间；故表贴式永磁同步电动机的机械运动方程具体如下：采用后向欧拉法对公式(3)进行离散化处理，得到无差拍预测模型，具体表述如下：式(4)中，Tsω为速度环的采样周期；ωm为转子机械角速度；pn为电机极对数；ψf为永磁体磁链；J为转动惯量；iq为交轴电流；TL为负载转矩；B为摩擦粘滞系数；ωm(k+1)为(k+1)时刻转子机械角速度的预测值；ωm(k)为k时刻转子机械角速度；令则无差拍预测控制器具体表述如下：式(5)中，为q轴电流的给定值；为电机机械角速度的给定值。步骤3中，设负载转矩在相邻采样周期的变化率近似为零，故永磁同步电动机的机械运动方程具体表述如下：式(6)中，ωm为转子机械角速度；TL为负载转矩；ψf为永磁体磁链；J为转动惯量；B为摩擦粘滞系数；pn为电机极对数；iq为交轴电流；t为时间；滑模负载转矩观测器的具体设计为，选取速度估计误差作为状态切换函数，snew(x)＝0为滑模切换面，k为滑模抖振抑制因子，s(x)为传统滑模切换面函数，为电机机械角速度观测值，ωm为转子机械角速度；根据公式(6)构建滑模负载转矩观测器，具体表述如下：式(7)中，U为由滑模趋近律构成的开关信号，且λ为滑模增益，a为反馈增益，为电机机械角速度观测值；k为滑模抖振抑制因子，sat为定义的滑模趋近律，ωm为转子机械角速度；pn为电机的极对数；为负载转矩观测值。步骤4中，对滑模负载转矩观测器进行分析具体包括趋近律的优越性分析和稳定性分析。滑模负载转矩观测器趋近律具体表述如下：对滑模负载转矩观测器趋近律的优越性分析具体表述如下：式(8)、(9)中，Snew为状态切换函数；sat(snew(x))为定义的滑模趋近律，sat′(snew(x))为sat(snew(x))的导数。对滑模负载转矩观测器的稳定性分析具体为，将公式(7)与公式(6)进行做差，得到滑模负载转矩观测器的误差方程，具体表述如下：式(10)中，e1为速度估计误差，e2为负载转矩估计误差，U为由滑模趋近律构成的开关信号，滑模负载转矩观测器进入滑动模态时，e1＝0及则由公式(10)可得滑模负载转矩观测器的稳定性分析公式，具体表述如下：式(11)、(12)中，a为反馈增益；J为转动惯量；snew(x)为状态切换函数，为snew(x)的导数；当且a＜0时，滑模负载转矩观测器负载转矩观测器稳定；否则，滑模负载转矩观测器负载转矩观测器处于发散状态。本专利技术的有益效果是：(1)、本专利技术一种基于滑模负载转矩观测器的永磁同步电动机控制方法将无差拍预测控制与滑模观测器相结合，在永磁同步电机矢量控制的速度环引入无差拍预测控制；滑模观测器观测出电机负载转矩，将观测出的负载转矩送入速度控制器重新设计，得到q轴电流的参考值；通过矢量控制的电流环得到作用于逆变器的控制量，使得永磁同步电机能够在复杂工况仍然能够保持其稳定的输出，显著提高了系统对负载转矩的鲁棒性；(2)、本专利技术解决了传统滑模观测器采用符号函数构建趋近律，导致观测器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于滑模负载转矩观测器的永磁同步电动机控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：/n步骤1，建立永磁同步电动机的数学模型；/n步骤2，在所述永磁同步电动机数学模型的基础上，根据永磁同步电动机的机械运动方程设计无差拍预测控制器；/n步骤3，设计滑模负载转矩观测器；/n步骤4，对所述滑模负载转矩观测器进行分析，以实现对永磁同步电动机的准确控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于滑模负载转矩观测器的永磁同步电动机控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，建立永磁同步电动机的数学模型；
步骤2，在所述永磁同步电动机数学模型的基础上，根据永磁同步电动机的机械运动方程设计无差拍预测控制器；
步骤3，设计滑模负载转矩观测器；
步骤4，对所述滑模负载转矩观测器进行分析，以实现对永磁同步电动机的准确控制。


2.根据权利要求1所述的一种基于滑模负载转矩观测器的永磁同步电动机控制方法，其特征在于，步骤1中，所述永磁同步电动机的数学模型具体如下：



式(1)中，ud和uq分别为直轴电压和交轴电压；id和iq分别为直轴电流和交轴电流；Ls为定子电感；Rs为定子电阻；ωm为转子机械角速度；ωe为转子电角速度；ψf为永磁体磁链；J为转动惯量；B为摩擦粘滞系数；Te为电磁转矩；TL为负载转矩；pn为电机极对数；Ld和Lq分别为d、q轴电感分量；t为时间；其中，表贴式永磁同步电动机中Ld＝Lq＝Ls。


3.根据权利要求2所述的一种基于滑模负载转矩观测器的永磁同步电动机控制方法，其特征在于，步骤2中，所述永磁同步电动机的机械运动方程具体如下：



式(2)中，Te为电磁转矩；TL为负载转矩；J为转动惯量；B为摩擦粘滞系数；ωm为转子机械角速度；t为时间；
故表贴式永磁同步电动机的机械运动方程具体如下：



采用后向欧拉法对公式(3)进行离散化处理，得到无差拍预测模型，具体表述如下：



式(4)中，Tsω为速度环的采样周期；ωm为转子机械角速度；pn为电机极对数；ψf为永磁体磁链；J为转动惯量；iq为交轴电流；TL为负载转矩；B为摩擦粘滞系数；ωm(k+1)为(k+1)时刻转子机械角速度的预测值；ωm(k)为k时刻转子机械角速度；
令则无差拍预测控制器具体表述如下：



式(5)中，为q轴电流的给定值；为电机机械角速度的给定值。


4.根据权利要求2所述的一种基于滑模负载转矩观测器的永磁同步电动机控制方法，其特征在于，步骤3中，设所述负载转矩在相邻采样周期的变化率近似为零，故永磁同步电动机的机械运动方程具体表述如下：



式(6)中，ωm为转子机械角速度；TL为负载...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐艳平，严仲乔，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61