基于动态权重因子的SMPMSM驱动系统直接速度复合控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于动态权重因子的SMPMSM驱动系统直接速度复合控制方法，包括：建立转速控制的SMPMSM驱动系统超局部模型；基于SMPMSM驱动系统超局部模型，推导其直接速度控制的滑模控制律和积分滑模控制律；设计动态权重因子，融合直接速度控制的滑模控制律和积分滑模控制律，实现SMPMSM驱动系统的直接速度复合控制；进行电压和电流约束处理。本发明专利技术充分利用逆变器直流母线电压，实现系统满足电压和电流约束条件下的安全稳定运行。基于动态权重因子的SMPMSM驱动系统直接速度复合控制方法能够实现SMPMSM驱动系统不同运行工况下动态和稳态的平滑过渡，全面提升系统的动稳态控制性能及鲁棒性。制性能及鲁棒性。制性能及鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
基于动态权重因子的SMPMSM驱动系统直接速度复合控制方法


[0001]本专利技术涉及SMPMSM驱动系统控制
，是一种基于动态权重因子的SMPMSM驱动系统直接速度复合控制方法。

技术介绍

[0002]面装式永磁同步电动机(Surface Mounted PMSM，SMPMSM)具有功率密度和效率较高、易维护等优点，在智能制造、伺服系统和家用电器等行业中大规模应用，是实现机电控制和能量转换的重要设备。SMPMSM驱动系统多采用磁场定向控制，磁场定向控制的SMPMSM驱动系统不仅享有良好的动稳态控制性能，而且拥有逆变器开关频率固定等优点。基于转子磁场定向的转速控制的SMPMSM驱动系统，利用SMPMSM的机电时间常数大于其电气时间常数的特点，对SMPMSM驱动系统的转速外环和电流内环控制器实施独立设计。在转速控制为外环，电流/转矩控制为内环的级联双闭环控制结构中，速度外环控制器生成电流/转矩指令，电流/转矩内环控制器生成逆变器指令电压，再藉由逆变器调制生成逆变器功率开关管通、断信号，控制SMPMSM的实时运行。
[0003]级联控制结构物理概念清晰，容易实现，通常采用比例积分(Proportional Integral，PI)控制器对速度和电流分别进行控制。然而，SMPMSM驱动系统是多变量强耦合的非线性不确定系统，线性PI控制很难快速抑制或消除SMPMSM驱动系统中存在的参数不确定、未建模动态和未知扰动等干扰，不仅降低了SMPMSM驱动系统控制性能，甚至会危及系统的稳定运行。为了实现非线性不确定系统的控制，对系统的不确定性进行干扰估计，在控制律中采取措施对其消除或抑制，再采用非线性控制可以实现SMPMSM驱动系统的高性能控制。SMPMSM驱动系统的非线性控制方法主要有反馈线性化、自适应控制、模糊控制、滑模控制、模型预测控制(Model Predictive Control，MPC)等。然而，级联控制结构有限的转速控制带宽，导致转速控制的SMPMSM驱动系统控制性能欠佳，存在较大的转速超调和电流脉动。
[0004]为了提升PMSM驱动系统的控制性能，实现不同时间尺度的电机转速和电流同时控制的无级联控制应运而生。基于有限控制集(Finite Control Set，FCS)实现的无级联控制是系统最优控制解的近似求解，系统存在较大的电流脉动、转矩和速度波动。基于连续控制集(Continuous Control Set，CCS)实现的无级联控制通常使用多步预测控制算法，以兼顾更多系统动态，减小转速波动，但多步预测控制算法复杂，阻碍了该控制方法的实际应用。
[0005]此外，SMPMSM驱动系统是多变量强耦合的非线性系统，单一控制方法难以有效应对复杂多变的系统运行工况，选择和融合性能互补的控制方法，发挥它们在不同工况下的控制优势，是提高SMPMSM驱动系统整体性能的有效途径。将系统运行状态分为暂态和动态，使用开关函数协调模糊控制器和PI控制器，暂态时模糊控制器占优，稳态时PI控制器占优。融合多种控制方法的复合控制，能够适应复杂的运行工况，不仅提高了系统动态性能，而且降低了电机转矩脉动。复合控制器的设计关键在于合理选择动稳态切换函数，而模糊控制规则复杂，依赖人工经验，而且隶属函数难以选择。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种能够藉由系统运行状态的自动感知，自适应调整滑模控制律和积分滑模控制律两种不同控制律优先级及其所占比重，发挥不同控制律的技术优势，实现SMPMSM驱动系统不同运行工况下动态和稳态的平滑过渡，使系统享有全面提升的动稳态控制性能及强鲁棒性的技术优势的基于动态权重因子的SMPMSM驱动系统直接速度复合控制方法。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种基于动态权重因子的SMPMSM驱动系统直接速度复合控制方法，该方法包括下列顺序的步骤：
[0008](1)建立转速控制的SMPMSM驱动系统超局部模型；
[0009](2)基于SMPMSM驱动系统超局部模型，推导其直接速度控制的滑模控制律和积分滑模控制律；
[0010](3)设计动态权重因子，实现滑模控制律和积分滑模控制律的融合，生成SMPMSM驱动系统的直接速度复合控制律；
[0011](4)进行电压和电流约束处理。
[0012]所述步骤(1)具体是指：根据SMPMSM驱动系统的动态方程：
[0013][0014]其中，ω
r
为SMPMSM的电角速度，ω
r
＝n
P
Ω，n
P
为极对数，Ω为实测的SMPMSM转子机械角速度；ψ
f
为转子永磁体的磁链；R
s
为三相定子绕组电阻；L
s
为定子同步电感；分别表示满足电压和电流约束的逆变器d轴、q轴最优指令电压；i
d
和i
q
分别表示实测定子电流经坐标变换后获得的d轴、q轴定子电流；J、B分别为系统的转动惯量、粘滞系数；V
d，par
、V
q，par
分别表示电机参数不确定性所产生的定子d轴、q轴的扰动电压；V
d，dead
、V
q，dead
分别表示逆变器非线性所产生的定子d轴、q轴的扰动电压；d
ω
为SMPMSM驱动系统中机械部分的参数不确定性和未知扰动；T
e
为SMPMSM的电磁转矩；T
L
为负载转矩；
[0015]为对V
d，par
、V
q，par
、V
d，dead
、V
q，dead
和d
ω
进行估计，使用F
d
、F
q
和F
ω
，表示系统动态方程中的已知和未知部分，并分别写为：
[0016][0017]据此建立SMPMSM驱动系统超局部模型，其表示为：
[0018][0019]式中，α
s
、α
ω
为根据SMPMSM标称参数选定的比例系数，对于SMPMSM驱动系统，α
s
根据电机标称参数设为1/L
s
；
[0020]使用微分代数法对F
d
、F
q
和F
ω
进行估计，以表示其估计值，其表达式为：
[0021][0022]式中：分别表示满足电压和电流约束的t时刻的逆变器d轴、q轴最优指令电压；t为时间变量；T
F
为时间窗口，设为10个控制周期。
[0023]在步骤(2)中，所述滑模控制律具体是指：
[0024]定义滑模面为：
[0025][0026]其中，c1为滑模面参数；e
ω
为转速误差，为转速误差，为SMPMSM的转子电角速度指令值；
[0027]基于SMPMSM驱动系统超局部本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于动态权重因子的SMPMSM驱动系统直接速度复合控制方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：(1)建立转速控制的SMPMSM驱动系统超局部模型；(2)基于SMPMSM驱动系统超局部模型，推导其直接速度控制的滑模控制律和积分滑模控制律；(3)设计动态权重因子，实现滑模控制律和积分滑模控制律的融合，生成SMPMSM驱动系统的直接速度复合控制律；(4)进行电压和电流约束处理。2.根据权利要求1所述的基于动态权重的SMPMSM驱动系统直接速度复合控制方法，其特征在于：所述步骤(1)具体是指：根据SMPMSM驱动系统的动态方程：其中，ω
r
为SMPMSM的电角速度，ω
r
＝n
P
Ω，n
P
为极对数，Ω为实测的SMPMSM转子机械角速度；ψ
f
为转子永磁体的磁链；R
s
为三相定子绕组电阻；L
s
为定子同步电感；分别表示满足电压和电流约束的逆变器d轴、q轴最优指令电压；i
d
和i
q
分别表示实测定子电流经坐标变换后获得的d轴、q轴定子电流；J、B分别为系统的转动惯量、粘滞系数；V
d,par
、V
q,par
分别表示电机参数不确定性所产生的定子d轴、q轴的扰动电压；V
d,dead
、V
q,dead
分别表示逆变器非线性所产生的定子d轴、q轴的扰动电压；d
ω
为SMPMSM驱动系统中机械部分的参数不确定性和未知扰动；T
e
为SMPMSM的电磁转矩；T
L
为负载转矩；为对V
d,par
、V
q,par
、V
d,dead
、V
q,dead
和d
ω
进行估计，使用F
d
、F
q
和F
ω
，表示系统动态方程中的已知和未知部分，并分别写为：据此建立SMPMSM驱动系统超局部模型，其表示为：
式中，α
s
、α
ω
为根据SMPMSM标称参数选定的比例系数，对于SMPMSM驱动系统，α
s
根据电机标称参数设为1/L
s
；使用微分代数法对F
d
、F
q
和F
ω
进行估计，以表示其估计值，其表达式为：式中：分别表示满足电压和电流约束的t时刻的逆变器d轴、q轴最优指令电压；t为时间变量；T
F
为时间窗口，设为10个控制周期。3.根据权利要求1所述的基于动态权重因子的SMPMSM驱动系统直接速度复合控制方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述滑模控制律具体是指：定义滑模面为：其中，c1为滑模面参数；e
ω
为转速误差，为转速误差，为SMPMSM的转子电角速度指令值；基于SMPMSM驱动系统超局部模型，令式(1)的微分为零，得到使系统状态维持在滑模面上的等同控制为：其中，α
ω
为i
q
的比例系数，u
eq1
为滑模控制的等同控制部分；其次，为将系统从任意状态快速切换到滑模面上，选择切换控制为：其中，T
s
为控制周期；u
sw1
的为滑模控制的切换控制部分；根据SMPMSM驱动系统的超局部模型和所定义的滑模面，得到滑模控制律为：4.根据权利要求1所述的基于动态权重因子的SMPMSM驱动系统直接速度复合控制方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述积分滑模控制律具体是指：
定义积分滑模面为：其中，c2为积分滑模面中积分项的系数；c1为滑模面参数；α
ω
为根据SMPMSM标称参数选定的系数；e
ω
为转速误差，为转速误差，为SMPMSM的转子电角速度指令值；i
q
表示实测的定子电流经坐标变换后获得的q轴定子电流；根据SMPMSM驱动系统的超局...

【专利技术属性】
技术研发人员：李红梅，毛景魁，杨利国，黄建东，赵浩楠，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：