一種永磁同步電機無傳感器滑模控制系統及方法與流程
本發明屬于電機控制領域，特別涉及一種用于永磁同步電機無傳感器控制系統。
背景技術：
隨著稀土永磁材料釹鐵硼的出現，永磁同步電機在高速發展的電力電子技術、電機控制技術等的支撐下，已經在生產生活中獲得廣泛應用。永磁同步電機矢量控制系統中電機的轉子位置和速度是由傳感器獲得，而機械傳感器的安裝則會導致成本大大增加，同時增加電機的占用面積，使用場合受限。因此，無傳感器控制技術具有重要的實用價值和現實意義。
在此之前，已經有專家學者對于無傳感器控制技術進行了大量的研究，也提出了諸多控制方法。滑模觀測器法由于其具有響應速度快，易于實現等優點被廣泛研究和應用，但是滑模抖振的存在會影響控制系統性能，甚至可能破壞系統穩定性，損壞控制器。
技術實現要素：
本發明主要解決的技術問題是提供一種永磁同步電機無傳感器滑模控制系統及方法，該系統減小電機的占用面積，降低電機運行成本，且有效減小系統抖振，提高系統控制性能，實現永磁同步電機無傳感器控制。
為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案是：
一種永磁同步電機無傳感器滑模控制系統，包括滑模控制器模塊、滑模觀測器模塊、電流控制器模塊、帕克逆變換模塊、帕克變換模塊、克拉克變換模塊、空間矢量調制模塊、三相逆變器模塊和控制對象模塊；所述的滑模控制器模塊速度控制器的輸出端和電流控制器模塊的交軸電流控制模塊的輸入端連接；所述的電流控制器模塊的直軸電流控制模塊和交軸電流控制模塊的輸出端與帕克逆變換模塊的輸入端連接；所述的帕克逆變換模塊的輸出端與空間矢量調制模塊的輸入端連接；所述的空間矢量調制模塊輸出端與三相逆變器模塊輸入端連接；所述的控制對象模塊的永磁同步電機的輸入端與三相逆變器模塊的輸出端連接；所述的克拉克變換模塊的輸入端與三相逆變器模塊輸出端連接，克拉克變換模塊的輸出端與滑模觀測器模塊的輸入端連接，克拉克變換模塊的輸出端與帕克變換模塊的輸入端連接；所述的帕克變換模塊的輸出端與電流控制器模塊的直軸電流控制模塊與交軸電流控制模塊的輸入端連接；所述的滑模觀測器模塊的輸出端分別與滑模控制器模塊速度控制器和帕克變換模塊及帕克逆變換模塊的輸入端連接。
所述的滑模控制器模塊的速度控制器的輸入為外界速度給定和來自滑模觀測器模塊中鎖相環模塊輸出的永磁同步電機轉子速度信號；轉速誤差經過滑模面函數及其趨近律的計算，計算得出的交軸電流給定信號作為速度控制器模塊的輸出。
所述滑模趨近律為
其中x為系統狀態；k＞0,δ＞0,0<λ<1,0<ε<1。
所述的滑模觀測器模塊包括定子電流誤差系統模塊、滑模控制律模塊和鎖相環模塊；滑模觀測器模塊的輸入為兩相靜止坐標系下的永磁同步電機的定子電壓和電流，輸出兩相靜止坐標系下的反電動勢估算值到鎖相環模塊，鎖相環模塊輸出永磁同步電機的轉子位置和速度估算值。
所述滑模觀測器模塊的滑模控制律為：
v＝[vαvβ]t＝[-ksatsα-ksatsβ]t
式中：k為切換增益，且k>max(|eα|,|eβ|)，sat(s)為冪級數型飽和函數；
定義冪級數型飽和函數：
式中：n為冪級數，δ為邊界層。
所述的電流控制器模塊包含直軸電流控制模塊和交軸電流控制模塊；其中直軸電流控制模塊的輸入是直軸電流給定值0和來自帕克變換模塊輸出的直軸電流信號；交軸電路控制模塊的輸入是交軸電流給定和來自帕克變換模塊輸出的交軸電流信號；直軸電流控制模塊和交軸電流控制模塊的輸出分別是兩相旋轉坐標系下的永磁同步電機的定子電壓給定。
一種永磁同步電機無傳感器滑模控制系統的控制方法，包括以下步驟：
電機給定轉速n*與滑模觀測器輸出的轉速估算值
相比現有技術，本發明的優點在于：
本發明公開了一種永磁同步電機無傳感器滑模控制系統，提供一種基于新型趨近律的滑模控制器和一種新型滑模觀測器，采用新型滑模觀測器對永磁同步電機的轉子位置和速度進行估算，在轉速控制器部分采用基于新型趨近律的滑模控制器。滑模控制具有較好的魯棒性，且結構簡單，易于工程實現。基于新型趨近律的滑模控制器縮短了系統趨近滑模面的時間，提高了系統響應速度和動態性能。同時滑模觀測器取代轉子位置傳感器進行轉子位置和速度信號的估算，大大降低了成本，提高了系統穩定性。新型滑模觀測器利用一種冪級數型飽和函數取代滑模控制律中的符號函數，有效減小傳統滑模觀測器中存在的系統抖振。在有效削弱系統抖振現象的同時，在轉速控制器中滑模控制部分，采用新型冪次趨近律，提高了系統的趨近速度，使系統響應速度更快，動態性能提升。具體表現為：一、基于新型趨近律的滑模控制器。冪次趨近律在誤差大的情況下趨近速度快，但隨著誤差不斷減小，趨近速度變慢，導致系統的響應速度慢。新型趨近律在保證誤差大趨近速度快的同時，在誤差小時，以接近等速趨近律的趨近速度趨近于滑模面，使系統響應速度變快，動態性能得到提高。二、采用冪級數型飽和函數代替滑模控制律中的符號函數。由于飽和函數在邊界層內是連續函數，相比于非線性的符號函數，可以有效減小抖振。同時，冪級數型飽和函數在邊界層內曲線更加平滑，通過適當調節邊界層大小和冪級數值，可以獲得優于初等線性飽和函數的動態性能。
進一步，新型趨近律是以冪次趨近律和等速趨近律為基礎，采用一種冪級數型飽和函數代替滑模控制律中的符號函數，從而削弱系統高頻抖振，提高滑模觀測器的估算精度。解決冪次趨近律在誤差小時趨近速度慢和等速趨近律在誤差大時趨緊速度慢的問題，從而提高趨近速度，使控制系統的響應速度更快，動態性能更好。
本發明的控制的方法在轉速控制器中滑模控制部分，采用新型冪次趨近律，提高了系統的趨近速度，使系統響應速度更快，動態性能提升。整個控制過程降低電機運行成本，且有效減小系統抖振，提高系統控制性能，實現永磁同步電機無傳感器控制。
附圖說明
圖1為永磁同步電機無傳感器控制系統的整個系統拓撲圖。
圖2為滑模控制器的結構，包括滑模面函數模塊和速度控制器模塊。
圖3為新型滑模觀測器的結構框圖，包括定子電流誤差系統模塊，滑模控制律模塊和鎖相環模塊。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明作進一步詳細描述，凡是采用本發明的相似結構及其相似變化，均應列入本發明的保護范圍。
如圖1所示，一種永磁同步電機無傳感器滑模控制系統，包括滑模控制器模塊、滑模觀測器模塊、電流控制器模塊、帕克逆變換模塊、帕克變換模塊、克拉克變換模塊、空間矢量調制模塊、三相逆變器模塊和控制對象模塊。滑模控制器模塊速度控制器的輸出端和電流控制器模塊的交軸電流控制模塊的輸入端連接；電流控制器模塊的直軸電流控制模塊和交軸電流控制模塊的輸出端與帕克逆變換模塊的輸入端連接；帕克逆變換模塊的輸出端與空間矢量調制模塊的輸入端連接；空間矢量調制模塊輸出端與三相逆變器模塊輸入端連接；控制對象模塊的永磁同步電機的輸入端與三相逆變器模塊的輸出端連接；克拉克變換模塊的輸入端與三相逆變器模塊輸出端連接；克拉克變換的輸出端與滑模觀測器模塊的新型滑模觀測器模塊的輸入端連接；克拉克變換的輸出端與帕克變換模塊的輸入端連接；帕克變換模塊的輸出端與電流控制器模塊的直軸電流控制模塊與交軸電流控制模塊的輸入端連接；滑模觀測器模塊的鎖相環模塊的輸出端分別與滑模控制器模塊速度控制器和帕克變換及帕克逆變換模塊的輸入端連接。
具體控制過程為：電機給定轉速n*與新型滑模觀測器輸出的轉速估算值
如圖2所示，滑模控制器模塊速度控制器的輸入為外界速度給定和來自滑模觀測器模塊中鎖相環模塊輸出的永磁同步電機轉子速度信號。轉速誤差經過滑模面函數及其趨近律的計算，計算得出的交軸電流給定信號作為速度控制器模塊的輸出。電機給定轉速n*與新型滑模觀測器輸出的轉速估算值
選擇線性滑模面設計滑模控制器，選擇新型趨近律設計滑模控制輸出。
設計新型趨近律為：
其中x為系統狀態；k＞0,δ＞0,0<λ<1,0<ε<1。
根據新型趨近律的表達式可以推導出在新型趨近律的作用下系統趨近滑模面的時間為：
其中|s|max≥|s|m≥|s|min,
對比在新型趨近律和等速趨近律作用下系統趨近滑模面的時間：
等速趨近律趨近滑模面的時間為
取
如圖3所示，新型滑模觀測器模塊包括定子電流誤差系統模塊、滑模控制律模塊和鎖相環模塊；滑模觀測器模塊的輸入為兩相靜止坐標系下的永磁同步電機的定子電壓和電流，輸出兩相靜止坐標系下的反電動勢估算值到鎖相環模塊，鎖相環模塊輸出永磁同步電機的轉子位置和速度估算值。永磁同步電機在兩相靜止坐標系下的狀態方程：
式中：iα,iβ,uα,uβ分別為α,β兩相定子電流，電壓；rs為定子電阻；ls為定子繞組等效電感；eα,eβ為α,β兩相反電動勢。
構建永磁同步電機新型滑模觀測器：
式中：
定子電流誤差系統：
式中：
定義滑模面為：
傳統滑模觀測器控制律為：
v＝[vαvβ]t＝[-ksgnsα-ksgnsβ]t
式中：k為切換增益，且k>max(|eα|,|eβ|)。
新型滑模觀測器控制律為：
v＝[vαvβ]t＝[-ksatsα-ksatsβ]t
定義冪級數型飽和函數：
式中：n為冪次數，δ為邊界層。
根據滑動模態條件可以推導出
上面結合附圖對本發明專利進行的描述顯然并不能以此限定本發明型實施的范圍，凡依本發明專利要求說明書內容所做的簡單的變換，皆應屬于本發明的保護范圍。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！