專利名稱：基于永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的復(fù)合控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及交流電機(jī)傳動技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于永磁同步電機(jī)矢量控制系 統(tǒng)的復(fù)合控制方法。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們生活中必不可少的交通工具之一，汽車 產(chǎn)業(yè)已成為國民經(jīng)濟(jì)重要的支柱產(chǎn)業(yè)。電動汽車作為一種綠色交通工具，其旗幟鮮明且獨(dú) 樹一幟。近年來，消費(fèi)者和政府對環(huán)境保護(hù)的意識增強(qiáng)以及世界能源價(jià)格的不斷瘋漲，電動 汽車作為一種零排放無污染的新能源汽車，倍受汽車界人士的青睞。而電機(jī)及其驅(qū)動控制 系統(tǒng)作為電動汽車的控制核心，其控制效果的好壞直接影響著電動汽車整車性能的優(yōu)劣。 電動汽車有限的空間要求選用小型、輕量和高效的電機(jī)，而永磁同步電機(jī)具有體積小、重量 輕、轉(zhuǎn)動慣量輕、功率密度高、效率高和輸出轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)，成為電動汽車用驅(qū)動電機(jī)中最 具競爭力的一款電機(jī)，日本和歐洲在混合動力電動汽車上已普遍使用。同時(shí)，我國蘊(yùn)藏有豐 富的稀土資源，隨著新型永磁材料的不斷涌現(xiàn)，永磁材料的成本有望降低，從而永磁電機(jī)比 其他類電機(jī)在價(jià)格方面更是占有絕對的優(yōu)勢，永磁同步電機(jī)本身就是一個高階、非線性、強(qiáng) 耦合的多變量系統(tǒng)，因此很難對這樣一個復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行精確的目標(biāo)化控制。20世紀(jì)70年 代初，德國學(xué)者F. Blaschke等人提出了矢量控制原理，針對交流電機(jī)這個強(qiáng)耦合的控制對 象，采用參數(shù)重構(gòu)的現(xiàn)代控制理論來解耦，進(jìn)行矢量變換，仿照直流調(diào)速原理，使交流調(diào)速 系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能達(dá)到直流調(diào)速的水平。對于表貼式的永磁同步電機(jī)一般采用直軸電流 id = 0的方法進(jìn)一步對永磁同步電機(jī)進(jìn)行線性化解耦。目前，永磁同步電機(jī)(PMSM)矢量 控制系統(tǒng)普遍采用速度和電流雙閉環(huán)控制方法，對速度的控制大部分利用傳統(tǒng)的PID控制 器，傳統(tǒng)PID控制雖然原理簡單，魯棒性、穩(wěn)定性好，但是快速性和抗干擾的能力非常有限。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種基于永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的復(fù)合控制方法，其能 夠有效提高永磁同步電機(jī)控制器的魯棒性、穩(wěn)定性以及穩(wěn)態(tài)精度，并能達(dá)到控制的快速性 和強(qiáng)的抗負(fù)載擾動能力。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的這些問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是基于永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的復(fù)合控制方法利用矢量變換原理將永磁同步 電機(jī)的三相電流轉(zhuǎn)換成直軸、交軸上的等效電流，再通過id = 0的方法對永磁同步電機(jī)的 d、q軸的數(shù)學(xué)模型進(jìn)一步線性化解耦，速度環(huán)采用分?jǐn)?shù)階PIaDij控制和滑膜變結(jié)構(gòu)復(fù)合控 制，所述的分?jǐn)?shù)階PIaDij控制和滑膜變結(jié)構(gòu)復(fù)合控制通過可變加權(quán)因子α對速度環(huán)進(jìn)行聯(lián) 合交叉控制。進(jìn)一步，所述的復(fù)合控制方法采用空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)模擬逼近基本 磁鏈圓，實(shí)現(xiàn)對永磁同步電機(jī)的模擬正選波控制。進(jìn)一步，所述的分?jǐn)?shù)階PIaDij控制和滑膜變結(jié)構(gòu)復(fù)合控制中的滑膜變結(jié)構(gòu)控制采用積分變結(jié)構(gòu)控制策略，所述的滑膜變結(jié)構(gòu)控制的切換函數(shù)引入狀態(tài)積分項(xiàng)，變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 選擇為函數(shù)切換控制。進(jìn)一步，所述的矢量變換包括Clark變換、Park變換和Park逆變換。進(jìn)一步，所述的可變加權(quán)因子的范圍為0彡α ^ I0更進(jìn)一步，利用α的兩端極限值實(shí)現(xiàn)對控制方法的單選，進(jìn)而采用分?jǐn)?shù)階ΡΙ、μ 控制或者滑膜變結(jié)構(gòu)控制單獨(dú)對速度環(huán)進(jìn)行全程控制。進(jìn)一步，所述的復(fù)合控制方法采用的主控芯片為TMS320Lm812數(shù)字處理芯片。相對于現(xiàn)有技術(shù)中的方案，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.本發(fā)明所提出的基于永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的復(fù)合控制方法在速度環(huán)的 控制中兼?zhèn)浞謹(jǐn)?shù)階PIaDij控制和滑膜變結(jié)構(gòu)控制各自的優(yōu)點(diǎn)，揚(yáng)長避短，同時(shí)分?jǐn)?shù)階PIaDij 控制相對于傳統(tǒng)PID控制對其控制范圍得以拓寬，從而可以更靈活的去匹配滑膜變結(jié)構(gòu)實(shí) 現(xiàn)對永磁同步電機(jī)的復(fù)合控制；2.本發(fā)明中所提出的分?jǐn)?shù)階PIaDij控制和滑膜變結(jié)構(gòu)復(fù)合控制中的分?jǐn)?shù)階 PIaDu控制是傳統(tǒng)整數(shù)階PID控制的推廣，分?jǐn)?shù)階PIaDij利用λ、μ兩個自由度可將傳統(tǒng) PID的點(diǎn)域控制范圍拓展到面域，已有實(shí)驗(yàn)證明分?jǐn)?shù)階PIaDij控制較傳統(tǒng)整數(shù)階PID控制 具有更好的控制效果；3.本發(fā)明通過可變加權(quán)因子α (0彡α彡1)來判斷兩種控制器工作時(shí)間段，根據(jù) 實(shí)際需要滿足的特性要求來確定對應(yīng)的α值，不同的α值一定范圍內(nèi)對應(yīng)著各自的控制 策略，單獨(dú)的滑膜變結(jié)構(gòu)控制(α = 0)和單獨(dú)的分?jǐn)?shù)階ΡΙ、μ控制(α = 1)是本發(fā)明復(fù) 合控制的兩種特例情況；4.本發(fā)明所采用的TMS320Ii^812芯片，其高效的數(shù)據(jù)處理速度能滿足復(fù)合控制 器中矢量控制及速度環(huán)復(fù)合控制等所帶來的大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算。
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述圖1為本發(fā)明的原理框圖；圖2為本發(fā)明按微積分階次分的控制器；圖3為本發(fā)明對速度環(huán)進(jìn)行控制的原理框圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例對上述方案做進(jìn)一步說明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例是用于說明 本發(fā)明而不限于限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例中采用的實(shí)施條件可以根據(jù)具體廠家的條件做 進(jìn)一步調(diào)整，未注明的實(shí)施條件通常為常規(guī)實(shí)驗(yàn)中的條件。實(shí)施例本實(shí)施例所描述的基于永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的復(fù)合控制方法的原理框圖 如圖1所示，首先借助Clark變換、Park變換，使各物理量從靜止坐標(biāo)系(三相定子坐標(biāo)系) 轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d、q坐標(biāo)系)，本實(shí)施例實(shí)際檢測兩相電流ia、ib，通過Clark變換， 得到i α、i e，再通過Park變換得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直軸電流id和交軸電流i,作為電流環(huán) 的電流反饋量進(jìn)行反饋比較，同時(shí)采用id = 0的方法對永磁同步電機(jī)d、q軸上的數(shù)學(xué)模型進(jìn)一步線性解耦，直軸和交軸電流通過反饋比較后分別通過PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生直軸、交軸的電 壓信號ud、iV再進(jìn)行Park逆變換得到兩相坐標(biāo)的電壓ua、ue，然后進(jìn)過空間電壓矢量脈寬 調(diào)制(SVPWM)產(chǎn)生六路PWM信號通過逆變電路對永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制，引用的空間電壓 矢量控制(SVPWM)技術(shù)實(shí)質(zhì)上通過適當(dāng)?shù)慕M合基本空間矢量的開關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的有效矢 量來逼近基準(zhǔn)圓，即用多變形來近似模擬圓形，從而使永磁同步電機(jī)的控制達(dá)到直流電機(jī) 的控制效果。綜上，本發(fā)明利用永磁同步電機(jī)自帶的光電編碼器可以測得、計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子的位 置和轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號引入Park變換與Park逆變換之間參與電流環(huán)的矢量坐標(biāo) 變換，計(jì)算出的轉(zhuǎn)速經(jīng)過反饋與初始的參考轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，比較后的誤差信號通過本發(fā)明 提出的分?jǐn)?shù)階ΡΙ、μ與滑膜變結(jié)構(gòu)復(fù)合控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，d、q軸電流的誤差信號經(jīng)由PI調(diào) 節(jié)、Park逆變換后，通過SVPWM產(chǎn)生6路PWM波從而實(shí)現(xiàn)對永磁同步電機(jī)的正選波控制，而 把分?jǐn)?shù)階PIaDij與滑膜變結(jié)構(gòu)復(fù)合控制方法引入到永磁同步電機(jī)電流、速度雙閉環(huán)控制中 的速度環(huán)，對速度環(huán)進(jìn)行復(fù)合控制。本實(shí)施例中，分?jǐn)?shù)階PIaDij控制與滑膜變結(jié)構(gòu)控制用一個可變加權(quán)因子 α (0 ^ α ^ 1)進(jìn)行相互組合，該復(fù)合控制器也可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)階PIaDij (α = 1)和滑膜 變結(jié)構(gòu)(α = 0)對速度環(huán)的控制，圖3為具體實(shí)施原理框圖，根據(jù)實(shí)際的控制系統(tǒng)性能要 求，在誤差信號較大時(shí)，取接近于0或等于0的α值，讓復(fù)合控制器主要或完全處于滑膜變 結(jié)構(gòu)控制，迫使系統(tǒng)按照預(yù)定“滑動模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運(yùn)動，此時(shí)的控制器響應(yīng)速度快、對參 數(shù)的變化以及外界擾動不靈敏，魯棒性強(qiáng)，在本實(shí)施例滑膜變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)中，為省去滑 膜速度控制器所需的加速度信號，在切換函數(shù)中引入狀態(tài)積分項(xiàng)，變結(jié)構(gòu)采用函數(shù)切換控 制由于滑膜變結(jié)構(gòu)在滑膜平面原點(diǎn)附近會產(chǎn)生高頻顫動，為了克服這一問題，當(dāng)誤 差信號較小時(shí)，取接近ι或等于ι的α值，讓復(fù)合控制器主要或完全處于分?jǐn)?shù)階PIaDij控 制，減小系統(tǒng)的超調(diào)與振蕩，使控制器具有良好的控制品質(zhì)。圖2為本發(fā)明按微積分階次分 的控制器，可見分?jǐn)?shù)階PIaDij控制器比傳統(tǒng)PID控制器多了 λ和μ兩個自由度，選擇范圍 更靈活，能更好的控制微分、積分項(xiàng)的增加和減少，有利于進(jìn)一步消除振蕩。本實(shí)施例中所采用的TMS320Ii^812芯片具有強(qiáng)大的控制和信號處理能力，能夠 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，有專用的電機(jī)控制接口，從而為本發(fā)明的實(shí)施有巨大的幫助。上述實(shí)例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人是 能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精 神實(shí)質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的復(fù)合控制方法，其特征在于，所述的復(fù)合控 制方法利用矢量變換原理將永磁同步電機(jī)的三相電流轉(zhuǎn)換成直軸、交軸上的等效電流，再 通過id=0的方法對永磁同步電機(jī)的d、q軸的數(shù)學(xué)模型進(jìn)一步線性化解耦，速度環(huán)采用分?jǐn)?shù) 階PI、μ控制和滑膜變結(jié)構(gòu)復(fù)合控制，所述的分?jǐn)?shù)階PI、μ控制和滑膜變結(jié)構(gòu)復(fù)合控制通 過可變加權(quán)因子α對速度環(huán)進(jìn)行聯(lián)合交叉控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合控制方法，其特征在于，所述的復(fù)合控制方法采用空間 矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)模擬逼近基本磁鏈圓，實(shí)現(xiàn)對永磁同步電機(jī)的模擬正選波控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合控制方法，其特征在于，所述的分?jǐn)?shù)階ΡΙ、μ控制和滑膜 變結(jié)構(gòu)復(fù)合控制中的滑膜變結(jié)構(gòu)控制采用積分變結(jié)構(gòu)控制策略，所述的滑膜變結(jié)構(gòu)控制的 切換函數(shù)引入狀態(tài)積分項(xiàng)，變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇為函數(shù)切換控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合控制方法，其特征在于，所述的矢量變換包括Clark變 換、Park變換和Park逆變換。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合控制方法，其特征在于，所述的可變加權(quán)因子α的范圍 為 0 < α < 1。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的復(fù)合控制方法，其特征在于，利用α的兩端極限值實(shí)現(xiàn)對控 制方法的單選，進(jìn)而采用分?jǐn)?shù)階ΡΙ、μ控制或者滑膜變結(jié)構(gòu)控制單獨(dú)對速度環(huán)進(jìn)行全程控 制。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的復(fù)合控制方法，其特征在于，所述的復(fù)合控制方法采用的 主控芯片為TMS320Ii^812數(shù)字處理芯片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的復(fù)合控制方法，它利用矢量變換原理將永磁同步電機(jī)的三相電流轉(zhuǎn)換成直軸、交軸上的等效電流，再通過id＝0的方法對永磁同步電機(jī)的d、q軸的數(shù)學(xué)模型進(jìn)一步線性化解耦，速度環(huán)采用分?jǐn)?shù)階PIλDμ控制和滑膜變結(jié)構(gòu)復(fù)合控制，所述的分?jǐn)?shù)階PIλDμ控制和滑膜變結(jié)構(gòu)復(fù)合控制通過可變加權(quán)因子α對速度環(huán)進(jìn)行聯(lián)合交叉控制。本發(fā)明所提出的基于永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的復(fù)合控制方法在速度環(huán)的控制中兼?zhèn)浞謹(jǐn)?shù)階PIλDμ控制和滑膜變結(jié)構(gòu)控制器各自的優(yōu)點(diǎn)，揚(yáng)長避短，同時(shí)分?jǐn)?shù)階PIλDμ控制相對于傳統(tǒng)PID控制對其控制范圍得以拓寬，從而可以更靈活的去匹配滑膜變結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對永磁同步電機(jī)的復(fù)合控制。
文檔編號H02P21/00GK102122916SQ20111009633
公開日2011年7月13日 申請日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月18日
發(fā)明者曹秉剛, 王 鋒, 王鳴, 續(xù)丹, 雒煥強(qiáng) 申請人:蘇州秉立電動汽車科技有限公司