考虑铁损耗的PMSM调速系统变趋近律滑模控制方法技术方案

本发明专利技术考虑铁损耗的PMSM调速系统变趋近律滑模控制方法涉及永磁同步电机最小损耗调速技术领域，该方法以铁损转矩为纽带，设计了最小损耗目标下的PMSM滑模速度控制器；首先，提出了一种基于虚拟损耗功率泰勒级数展开的最小损耗点d轴电流补偿方法，以实现不同工况下的电机最小损耗控制；其次，为了消除铁损耗对调速性能的影响，建立了包含铁损耗的PMSM转速跟踪模型，将最小损耗控制与转速控制联系起来；提出一种基于干扰估计的自适应滑模趋近律，避免滑模增益过高带来的系统能耗与滑模抖振，通过调整系统状态达到滑模面的速度削弱抖振。此外，通过将开关函数加到控制量的导数上有效降低了抖振，实现不确定环境下对设定转速的快速跟随。的快速跟随。的快速跟随。

【技术实现步骤摘要】
考虑铁损耗的PMSM调速系统变趋近律滑模控制方法


[0001]本专利技术涉及考虑铁损耗永磁同步电机速度控制领域，主要涉及一种考虑铁损耗情况下永磁同步电机调速系统变趋近律滑模控制方法。

技术介绍

[0002]永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)具有效率高，结构简单，过载能力强，易于维护等特点，在机器人，电动汽车，医疗设备，航空航天等领域得到了广泛的应用。一般情况下，为了获得最大的功率密度和最小的铜耗，PMSM的极对数往往比异步电机的极对数多。因此，转子速度相同时，PMSM的工作频率高，铁心损耗也大，这将导致电机温度的升高，而过高的电机温度将使PMSM的永久磁铁退磁。通常，为了简化PMSM的数学模型，都是假设忽略铁损的存在。然而从某种意义上说，该假设也是阻碍各种控制策略的控制性能进一步提升、控制精度进一步提高的根源，尤其是在PMSM有限能量供电条件下(如在电动汽车等应用领域)。因为忽略铁损的数学模型并不能反映电机的实际运行状况，以此为基础推导出来的控制策略在实际应用中必然会体现出其局限性。此外，PMSM的转速控制中存在着各种不确定性扰动，影响着PMSM调速性能的提高。为此，本专利技术提出了一种考虑铁损耗的PMSM转速控制方法。该方法将PMSM的最小损耗控制与转速控制结合起来，实现了最小损耗目标下的转速控制。

技术实现思路

[0003]本专利技术以有限能量供给应用领域下的永磁同步电机为研究对象，针对PMSM的建模与控制中常忽略铁损的存在，从根本上制约了其控制性能和控制精度提高的问题，提出考虑铁损耗的PMSM调速系统变趋近律滑模控制方法，在d轴，提出了一种基于虚拟损耗功率的PMSM最小损耗控制方法，该方法不会引起电机额外的损耗，避免了传统搜索方法中，控制量的不连续变化引起的转速波动，极大的缩短了收敛到最小损耗工作点的时间；在q轴，考虑铁损的影响，建立了包含铁损耗的PMSM转速跟踪模型，提出了基于扰动估计的自适应滑模趋近律转速控制方法，提高了系统的动态响应与抗扰动能力。
[0004]本专利技术解决技术问题所采取的技术方案如下：
[0005]本专利技术考虑铁损耗的PMSM调速系统变趋近律滑模控制方法，其方法包括如下步骤：
[0006]步骤一：利用数据采集模块获得永磁同步电机的实时速度ω
m
、实时位置θ、实时三相定子电压u
a
、u
b
、u
c
和实时三相定子电流i
a
、i
b
、i
c
；上述数据采集模块包括速度传感器、位置传感器、电压传感器和电流传感器；
[0007]步骤二：将步骤一获得的实时三相定子电压u
a
、u
b
、u
c
和实时三相定子电流i
a
、i
b
、i
c
通过三相/两相变换和同步旋转变换等效成同步旋转坐标系上的直流电压u
d
、u
q
和直流电流i
d
、i
q
；
[0008]步骤三：将步骤二获得的直流电压u
d
、u
q
，PMSM的电角速度ω
e
以及施加的微小直流
信号ε输入最小损耗算法，以获得最优的d轴电流给定值
[0009]步骤四：将步骤一获得的实时速度ω
m
与给定速度ω
*
做差值运算，求得速度跟踪误差e
m
＝ω
m
‑
ω
*
；将速度跟踪误差e
m
，直流电压u
d
、u
q
和直流电流i
d
、i
q
输入速度控制器，以获得最优的q轴电流给定值
[0010]步骤五：将步骤三获得的最优的d轴电流给定值步骤四获得的最优的q轴电流给定值分别与测量的直流电流i
d
、i
q
做差，并将差值输入到PI控制器，再经过坐标变换、空间矢量调制技术产生驱动PMSM运动的控制信号。
[0011]本专利技术的有益效果如下：
[0012]1)提出了一种基于虚拟损耗功率泰勒级数展开的最小损耗点d轴电流补偿方法，以实现不同工况下的电机最小损耗控制。
[0013]2)建立了包含铁损的PMSM转速跟踪模型，将最小损耗控制与转速控制联系起来。
[0014]3)提出了一种基于干扰估计的自适应滑模趋近律，避免滑模增益过高带来的系统能耗，通过调整系统状态到达滑模面的速度削弱抖振。
[0015]4)通过将开关函数加到控制量的导数上有效降低了抖振，实现了不确定环境下对设定转速的快速跟随。
[0016]5)本专利技术的方法简单易于实现，适用面广，适宜广泛推广应用。
附图说明
[0017]图1是本专利技术考虑铁损耗的PMSM调速系统变趋近律滑模控制方法结构原理图。
[0018]图2是本专利技术最小损耗算法的原理图。
[0019]图3是本专利技术PMSM的可控损耗与i
dt
之间的关系。
[0020]图4是本专利技术速度控制器结构原理图。
具体实施方式
[0021]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。
[0022]图1是考虑铁损耗的PMSM调速系统变趋近律滑模控制方法结构原理图。首先，利用电压、电流传感器获取电机三相静止坐标系下的电压、电流信号；然后经过坐标变换环节，将三相静止坐标系下的电压、电流信号转化为同步旋转坐标系下的电压、电流信号；接着将同步旋转坐标系下的电压、电流信号以及传感器测量的速度信息输入最小损耗算法模块，获得最小损耗控制目标下的d轴电流给定值；与此同时，将测量的同步旋转坐标系下的电压、电流信号和速度误差信号输入到速度控制器中，获得电机的q轴电流给定值。由此，完成了d轴和q轴给定值的获取，实现了考虑铁损耗的PMSM最小损耗目标下的转速控制。
[0023]图2是图1中最小损耗算法模块的原理图。它的输入量为电压、电流、速度传感器检测到的电压、电流和速度信息，经过中间的最小损耗算法处理，得到d轴电流的给定值。
[0024]图3是PMSM的可控损耗与i
dt
之间的关系，PMSM的可控损耗是关于d轴电流分量的凹函数，存在唯一的最小值点。
[0025]图4是图1中速度控制器的原理图。它的输入量为电压、电流传感器检测到的电压、
电流信息以及实际速度和给定速度的误差e
m
，经过基于扰动估计滑模趋近律的滑模控制算法处理，得到q轴电流的给定值。
[0026]本专利技术考虑铁损耗的PMSM调速系统变趋近律滑模控制方法，包括如下步骤：
[0027]步骤一：利用数据采集模块获得永磁同步电机的实时速度ω
m
、实时位置θ、实时三相定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.考虑铁损耗的PMSM调速系统变趋近律滑模控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一：利用数据采集模块获得永磁同步电机的实时速度ω
m
、实时位置θ、实时三相定子电压u
a
、u
b
、u
c
和实时三相定子电流i
a
、i
b
、i
c
；上述数据采集模块包括速度传感器、位置传感器、电压传感器和电流传感器；步骤二：将步骤一获得的实时三相定子电压u
a
、u
b
、u
c
和实时三相定子电流i
a
、i
b
、i
c
通过三相/两相变换和同步旋转变换等效成同步旋转坐标系上的直流电压u
d
、u
q
和直流电流i
d
、i
q
；步骤三：将步骤二获得的直流电压u
d
、u
q
，PMSM的电角速度ω
e
以及施加的微小直流信号ε输入最小损耗算法，以获得最优的d轴电流给定值步骤四：将步骤一获得的实时速度ω
m
与给定速度ω
*
做差值运算，求得速度跟踪误差e
m
＝ω
m
‑
ω
*
；将速度跟踪误差e
m
，直流电压u
d
、u
q
和直流电流i
d
、i
q
输入速度控制器，以获得最优的q轴电流给定值步骤五：将步骤三获得的最优的d轴电流给定值步骤四获得的最优的q轴电流给定值分别与测量的直流电流i
d
、i
q
做差，并将差值输入到PI控制器，再经过坐标变换、空间矢量调制技术产生驱动PMSM运动的控制信号。2.如权利要求1所述的考虑铁损耗的PMSM调速系统变趋近律滑模控制方法，其特征在于，步骤三所述最小损耗算法包括如下步骤：(1)建立考虑铁损耗的PMSM数学模型永磁同步电机d
‑
q坐标系中的电压方程为q坐标系中的电压方程为转矩方程为式中：u
d
，u
q
分别为d轴电压，q轴电压；R
s
为定子电阻；R
Fe
为铁损电阻；i
dt
为d轴弱磁电流；i
qt
为q轴转矩电流；ψ
f
为磁链；L
d
，L
q
分别为d
‑
q轴电感；ω
e
为电角速度；T
e
为电磁转矩；P为极对数；永磁同步电机的运动方程为式中：B为粘性摩擦系数，ω
m
为速度，J为转动惯量，T
L
为负载转矩；当电机处于稳定运行时，d
‑
q轴铁损电流可以表示为
式中：i
df
，i
qf
分别为d轴铁损电流，q轴铁损电流；(2)建立PMSM最小损耗控制的损耗模型永磁同步电机的铜损耗P
Cu
为式中：i
d
为d轴电流，i
q
为q轴电流；永磁同步电机的铁损耗P
Fe
为永磁同步电机的可控损耗P
E
(i
dt
)为铜损耗P
Cu
和铁损耗P
Fe
之和P
E
(i
dt
)＝P
Fe
+P
Cu
(9)将式(7)和式(8)带入式(9)可得永磁同步电机的可控损耗P
E
(i
dt
)由式(3)可以得到i
qt
＝2T
e
/[3P(ψ
f
+(L
d
‑
L
q
)i
dt
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张袅娜，黄光华，李宗昊，姜春霞，陈楠，马庆峰，李昊林，陈仁辉，丁海涛，张哲，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：