一种SMPMSM驱动系统的终端强制滑模协同直接速度控制方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种SMPMSM驱动系统的终端强制滑模协同直接速度控制方法，包括：在同步速旋转dq轴坐标系下，建立速度控制的SMPMSM驱动系统超局部模型；设计包含滑模面的宏变量，并提出一种包含非奇异终端项的动态演化方程；系统电压和电流约束处理，最终生成终端强制滑模协同直接速度控制律，以实现高性能的转速控制。本发明专利技术所提出的非奇异终端动态演化方程设计，可显著提升宏变量趋近流形的收敛速度，提升系统动态响应。因此，本发明专利技术所提出的终端强制滑模协同直接速度控制，在保证速度和电流稳态控制性能的前提下，拥有更为优越的速度快速动态响应。动态响应。动态响应。

【技术实现步骤摘要】
一种SMPMSM驱动系统的终端强制滑模协同直接速度控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及电机控制
，尤其是一种SMPMSM驱动系统的终端强制滑模协同直接速度控制方法及系统。

技术介绍

[0002]永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)因其高效率、高功率密度、高动态性能和低维护等优点，在工业上得到了广泛应用。传统的PI控制因其控制简单且易于实现的优点，而广泛应用于PMSM驱动系统的速度控制。PI控制的PMSM双闭环级联速度控制系统由速度外环为电流内环提供参考电流指令，速度环控制带宽需远小于电流环控制带宽，导致PMSM驱动系统转速控制动态性能不足，此外，PMSM驱动系统是多变量强耦合的非线性系统，电机参数不确定性、逆变器非线性和未知扰动等干扰并存，导致PI控制的PMSM双闭环级联速度控制系统难以获得令人满意的控制性能。
[0003]PMSM驱动系统直接速度控制能简化控制器的设计，实现不同时间尺度转速和电流的同时控制，提高系统的控制性能。基于有限控制集的模型预测直接速度控制(Finite Control Set Model Predictive Direct Speed Control，FCS
‑
MPDSC)定义单个代价函数去直接控制速度和电流，提升了系统动态响应，但存在较大的电流脉动和转速脉动。
[0004]协同控制利用系统自身的非线性，通过远离平衡态的开放系统的自组织能力，稳定地收敛到流形。协同控制中的流形类似于滑模控制中的滑模面，但协同控制不像滑模控制一样采用切换控制来使系统轨迹趋近滑模面，而是定义一个连续的动态过程向流形趋近，并通过流形保证高维非线性系统的全局渐进稳定。为此，协同控制具有滑模控制的优点，同时又无滑模控制的抖振问题。经由协同控制与滑模控制的比较研究，证实了协同控制能够有效消除滑模控制抖振问题且更适合数字控制实现。基于协同控制与滑模变结构控制的内在联系所提出的一种强制滑模控制，不仅实现了向滑模面的加速滑动，而且避免了滑模控制的抖振。对于PMSM驱动系统，电机参数不确定性、未建模动态以及负载转矩扰动等干扰的影响，导致强制滑模协同直接速度控制的PMSM驱动系统控制性能的降低，甚至使系统无法稳定运行。

技术实现思路

[0005]为解决强制滑模协同控制的SMPMSM驱动系统存在的转速动态性能欠佳和稳态精度不高的技术缺陷，本专利技术的首要目的在于提供一种能够保持直接速度控制的转速快速动态响应，同时实现更好的速度和电流稳态控制性能的SMPMSM驱动系统的终端强制滑模协同直接速度控制方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种SMPMSM驱动系统的终端强制滑模协同直接速度控制方法，该方法包括下列顺序的步骤：
[0007](1)在同速旋转dq轴坐标系下，建立SMPMSM驱动系统速度控制的超局部模型；
[0008](2)基于SMPMSM驱动系统速度控制的超局部模型，开展包含滑模面的宏变量设计，设计包含非奇异终端动态演化方程；系统电压和电流约束处理等，生成终端强制滑模协同直接速度控制律，提出终端强制滑模协同直接速度控制。
[0009]所述步骤(1)具体是指：
[0010]考虑电机参数不确定性和未知扰动，SMPMSM驱动系统在同步速旋转dq轴坐标系下的数学模型为：
[0011][0012]其中，i
d
和i
q
分别为d、q轴定子电流；u
d
和u
q
分别为d、q轴定子电压；ω
r
为转子电角速度；T
e
、T
L
分别为SMPMSM的电磁转矩和负载转矩；R
s
是定子绕组电阻；L
d
、L
q
分别是d、q轴定子电感；ψ
f
表示转子永磁磁链；J和B分别为转动惯量和粘滞摩擦系数；n
p
为SMPMSM的极对数；f
d
，f
q
和f
ω
分别表示电机d/q电流控制与转速控制中的参数不确定性和未知扰动；
[0013]根据无模型控制，单输入单输出系统的一阶超局部模型表示为：
[0014][0015]其中，u和y分别表示系统的输入与输出；α为系统输入的比例因子；F包含系统已知和未知部分；
[0016]定义SMPMSM驱动系统的输入为u
d
，u
q
和i
q
，输出为i
d
，i
q
和ω
r
，SMPMSM驱动系统速度控制的的超局部模型表示为：
[0017][0018]式中，α
d
，α
q
，α
ω
为系统输入u
d
，u
q
和i
q
的比例因子，对于SMPMSM驱动系统，其dq轴定子电感相等，即L
d
＝L
q
，设置α
d
＝α
q
＝α
s
；
[0019]F
d
,F
q
和F
ω
表示系统已知和未知部分，其表达式为：
[0020][0021]使用微分代数法对F
d
、F
q
和F
ω
进行估计，并用表示其估计值，其表达式为：
[0022][0023]其中，T
s
为控制周期；T
F
＝n
F
T
s
为滑动窗口长度，n
F
为常数且设置为10；在较短的采样间隔内认为和是常数，其微分近似为0。
[0024]所述步骤(2)具体是指：
[0025]为实现SMPMSM驱动系统的直接速度控制，主要控制目标为：
[0026][0027]其中，为电角速度参考值，ω
r
为转子电角速度，Δω
r
为电角速度误差；
[0028]为实现SMPMSM驱动系统最大转矩电流比运行，设计宏变量ψ1，且有：
[0029]ψ1＝|i
d
|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0030]为实现速度跟踪其参考值设计宏变量ψ2，且有：
[0031]ψ2＝β|Δω
r
|+|s1|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0032]其中，β是速度误差系数，s1为设计的滑模面；
[0033]s1＝α
ω
i
q
+u2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SMPMSM驱动系统的终端强制滑模协同直接速度控制方法，该方法包括下列顺序的步骤：(1)在同步速旋转dq轴坐标系下，建立速度控制的SMPMSM驱动系统的超局部模型；(2)基于SMPMSM驱动系统速度控制的超局部模型，开展包含滑模面的宏变量设计，设计包含非奇异终端动态演化方程；系统电压和电流约束处理，生成终端强制滑模协同直接速度控制律，提出终端强制滑模协同直接速度控制。2.根据权利要求1所述的SMPMSM驱动系统的终端强制滑模协同直接速度控制方法，其特征在于：所述步骤(1)具体是指：考虑电机参数不确定性和未知扰动，SMPMSM驱动系统在同步速旋转dq轴坐标系下的数学模型为：其中，i
d
和i
q
分别为d、q轴定子电流；u
d
和u
q
分别为d、q轴定子电压；ω
r
为转子电角速度；T
e
、T
L
分别为SMPMSM的电磁转矩和负载转矩；R
s
是定子绕组电阻；L
d
、L
q
分别是d、q轴定子电感；ψ
f
表示转子永磁磁链；J和B分别为转动惯量和粘滞摩擦系数；n
p
为SMPMSM的极对数；f
d
，f
q
和f
ω
分别表示电机d/q电流控制与转速控制中的参数不确定性和未知扰动；根据无模型控制，单输入单输出系统的一阶超局部模型表示为：其中，u和y分别表示系统的输入与输出；α为系统输入的比例因子；F包含系统已知和未知部分；定义SMPMSM驱动系统的输入为u
d
，u
q
和i
q
，输出为i
d
，i
q
和ω
r
，SMPMSM驱动系统速度控制的的超局部模型表示为：式中，α
d
，α
q
，α
ω
为系统输入u
d
，u
q
和i
q
的比例因子，对于SMPMSM驱动系统，其dq轴定子电感相等，即L
d
＝L
q
，设置α
d
＝α
q
＝α
s
；F
d
,F
q
和F
ω
表示系统已知和未知部分，其表达式为：
使用微分代数法对F
d
、F
q
和F
ω
进行估计，并用表示其估计值，其表达式为：其中，T
s
为控制周期；T
F
＝n
F
T
s
为滑动窗口长度，n
F
为常数且设置为10；在较短的采样间隔内认为和是常数，其微分近似为0。3.根据权利要求1所述的SMPMSM驱动系统的终端强制滑模协同直接速度控制方法，其特征在于：所述步骤(2)具体是指：为实现SMPMSM驱动系统的直接速度控制，主要控制目标为：其中，为电角速度参考值，ω
r
为转子电角速度，Δω
r
为电角速度误差；为实现SMPMSM驱动系统最大转矩电流比运行，设计宏变量ψ1，且有：ψ1＝|i
d
|
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(7)为实现速度跟踪其参考值设计宏变量ψ2，且有：ψ2＝β|Δω
r
|+|s1|
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(8)其中，β是速度误差系数，s1为设计的滑模面；s1＝α
ω
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(9)其中，u2为待定的系统内部控制；针对所设计的宏变量ψ1和ψ2，定义非奇异终端动态演化...

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