基于滑模磁鏈觀測器的永磁同步電機轉(zhuǎn)矩控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于滑模磁鏈觀測器的永磁同步電機轉(zhuǎn)矩控制方法，通過3/2坐標(biāo)變換模塊、滑模磁鏈觀測器、電磁轉(zhuǎn)矩計算模塊、轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器、磁鏈自適應(yīng)模塊、預(yù)期電壓計算模塊、SVPWM模塊和逆變器對永磁同步電機進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制。采用滑模磁鏈觀測器模塊估算定子磁鏈的大小和相位以及轉(zhuǎn)子速度，給定轉(zhuǎn)矩經(jīng)磁鏈自適應(yīng)模塊得到定子磁鏈的給定值，定子磁鏈大小和相位估計值、定子磁鏈給定值以及轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器的輸出量經(jīng)預(yù)期電壓計算，得到兩相靜止坐標(biāo)系上的兩相交流電壓參考值，再經(jīng)SVPWM變換，得到開關(guān)信號以驅(qū)動電壓源逆變器，實現(xiàn)對永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制。
【專利說明】基于滑模磁鏈觀測器的永磁同步電機轉(zhuǎn)矩控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于永磁電機控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于滑模磁鏈觀測器的永磁同步電機轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]永磁同步電機具有體積小、效率高、便于維護(hù)以及對環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，在許多高性能驅(qū)動領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。直接轉(zhuǎn)矩控制具有轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單以及對參數(shù)變化魯棒性強等優(yōu)點而倍受人們的關(guān)注。在永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制中需要獲取定子磁鏈，且磁鏈信號準(zhǔn)確與否決定著系統(tǒng)的控制性能。因此，對于高性能的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)，如何準(zhǔn)確觀測定子磁鏈尤為重要。在傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制中，一般采用電壓模型或電流模型以計算定子磁鏈。然而，在電壓模型中，由于是對定子繞組反電勢的積分，當(dāng)電機低速運行時，定子磁鏈估算精度嚴(yán)重下降，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不能工作；在電流模型中，需要知道轉(zhuǎn)子位置，增加了額外的位置傳感器，這將增加控制系統(tǒng)的成本，降低系統(tǒng)的可靠性，同時還會限制永磁同步電機的使用場合。另外，在傳統(tǒng)滯環(huán)比較的直接控制中，還存在著轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動大，開關(guān)頻率不固定等缺點，并且，電機運行于空載時引入了無功電流，從而導(dǎo)致電機功率因數(shù)下降。因此，為解決上述問題，有必要在提高開關(guān)頻率和降低空載時直軸電流的前提下，提出一種新的磁鏈觀測方法，以提高永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的動靜態(tài)性能、可靠性、魯棒性和抗干擾能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]技術(shù)問題:針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種基于滑模磁鏈觀測器的永磁同步電機轉(zhuǎn)矩控制方法，在提聞開關(guān)頻率和降低空載時直軸電流的如提下，提聞永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制魯棒性和抗干擾能力。
[0004]技術(shù)方案:基于滑模磁鏈觀測器的永磁同步電機轉(zhuǎn)矩控制方法，通過3/2坐標(biāo)變換模塊、滑模磁鏈觀測器、電磁轉(zhuǎn)矩計算模塊、轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器、磁鏈自適應(yīng)模塊、預(yù)期電壓計算模塊、SVPWM模塊和逆變器對永磁同步電機進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制，包括如下具體步驟:
[0005]步驟I),檢測永磁同步電機的三相電流ia、ib、ic和三相電壓ua、ub、uc,經(jīng)3/2坐標(biāo)變換后得到兩相靜止交流坐標(biāo)下的電流分量ia、ie和電壓分量ua、ue，然后將所述電流分量ia、ie和電壓分量ua、ue送至滑模磁鏈觀測器，并將電流分量ia、ie送至電磁轉(zhuǎn)矩計算模塊；
[0006]步驟2)，根據(jù)所述電流分量ia、ie和電壓分量Ua、U0，所述滑模磁鏈觀測器模塊估算定子磁鏈大小估算值A(chǔ)z VyS和定子磁鏈相位估算值&以及轉(zhuǎn)子速度估算值S ；
[0007]步驟3)，將給定轉(zhuǎn)速ω*與所述轉(zhuǎn)子速度估算值?作差后，經(jīng)轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器后得到給定轉(zhuǎn)矩Te*;
[0008]步驟4)，根據(jù)所述定子磁鏈大小估算值Pa、以及所述電流分量ia、ie，所述電磁轉(zhuǎn)矩計算模塊得到電機實際轉(zhuǎn)矩Te ；
[0009]步驟5)，所述給定轉(zhuǎn)矩Te*經(jīng)磁鏈自適應(yīng)模塊得到定子磁鏈給定值Ψ sref ；
[0010]步驟6)，將所述給定轉(zhuǎn)矩Te*與所述電機實際轉(zhuǎn)矩Te作差后，經(jīng)轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器后得到輸出量Λ δ ；
[0011]步驟7)，所述輸出量Λ δ、定子磁鏈給定值Vs.Mf、定子磁鏈大小估算值Ψβ以及定子磁鏈相位估算值％經(jīng)預(yù)期電壓計算模塊，得到兩相靜止坐標(biāo)系上的兩相交流電壓參考值<、Ufi ;
[0012]步驟8)，根據(jù)定子磁鏈?zhǔn)噶课恢靡约八鰞上嘟涣麟妷簠⒖贾怠?、Up從開關(guān)狀態(tài)表中選擇相應(yīng)的空間電壓矢量后，經(jīng)所述SVPWM模塊輸出調(diào)制信號到逆變器，通過所述逆變器實現(xiàn)永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制。
[0013]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述步驟2)包括如下具體步驟:
[0014]步驟2.1)，根據(jù)所述電流分量ia、ie和電壓分量Ua、U0，構(gòu)建滑模觀測器得到電機的反電動勢ea、ee ；
[0015]步驟2.2)，根據(jù)所述反電動勢ea、ee，通過轉(zhuǎn)子位置計算模塊得到轉(zhuǎn)子估算位置Θ-,
[0016]步驟2.3)，根據(jù)所述轉(zhuǎn)子估算位置&通過定子磁鏈估算模塊得到當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶?Ψα、V0 ;
[0017]步驟2.4)，根據(jù)所述當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶喀乏痢ⅲㄟ^磁鏈觀測器得到定子磁鏈大小估算值#a、以及轉(zhuǎn)子速度估算 值
[0018]步驟2.5)，根據(jù)所述定子磁鏈大小估算值#?、Ψβ通過磁鏈位置計算模塊得到定子磁鏈相位估算值％。
[0019]作為本發(fā)明的改進(jìn)，步驟2.1)中所述滑模觀測器的變結(jié)構(gòu)函數(shù)為sigmoid函數(shù)。
[0020]有益效果:本發(fā)明運用滑模控制算法估算定子磁鏈和轉(zhuǎn)子位置，能夠精確地實時控制定子磁鏈，并實現(xiàn)了基于無位置傳感器控制的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制，具有如下有益效果:
[0021](I)本方法結(jié)合SVPWM技術(shù)和磁鏈自適應(yīng)法，因此可減小直接轉(zhuǎn)矩控制中轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動，極大提高開關(guān)頻率，以改善電流波形，同時也減小了電機空載或突加負(fù)載時直軸電流分量，從而可降低電機損耗，提高電機效率；
[0022](2)構(gòu)造滑模磁鏈觀測器估算定子磁鏈和轉(zhuǎn)子速度，提高了低速時定子磁鏈的估算精度，從而提高了系統(tǒng)低速性能，同時省去了位置傳感器，從而降低了控制系統(tǒng)的成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；
[0023](3)本方法首次將磁鏈自適應(yīng)法、滑模磁鏈觀測器和SVPWM三者結(jié)合運用于永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，使控制系統(tǒng)不但保留滑模控制中的良好動靜態(tài)性能、抗干擾能力和魯棒性，還拓寬了系統(tǒng)的運行范圍；
[0024](4)所用方法計算量小，易于實現(xiàn)，有利于新理論的工程化和實用化。 【專利附圖】

【附圖說明】[0025]圖1為本發(fā)明基于滑模磁鏈觀測器的永磁同步電機轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0026]圖2為滑模磁鏈觀測器原理結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合圖1、圖2對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0028]如圖1所示，本發(fā)明基于滑模磁鏈觀測器的永磁同步電機轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)包括永磁同步電機、3/2坐標(biāo)變換、滑模磁鏈觀測器、電磁轉(zhuǎn)矩計算、轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器、磁鏈自適應(yīng)、預(yù)期電壓計算、SVPWM模塊和逆變器。
[0029]本發(fā)明基于滑模磁鏈觀測器的永磁同步電機轉(zhuǎn)矩控制方法的具體實施步驟如下:
[0030]步驟I),檢測永磁同步電機的三相電流ia、ib、i。和三相電壓ua、ub、U。,經(jīng)3/2坐標(biāo)變換后得到兩相靜止交流坐標(biāo)下的電流分量ia、ie和電壓分量ua、ue，然后將電流分量ia、ie和電壓分量ua、ue送至滑模磁鏈觀測器，并將電流分量1、％送至電磁轉(zhuǎn)矩計算模塊；
[0031]步驟2)，根據(jù)電流分量ia、ie和電壓分量Ua、U0，運用滑模磁鏈觀測器模塊估算定子磁鏈大小估算值Z/?和定子磁鏈相位估算值&以及轉(zhuǎn)子速度估算值ω S原理框圖如圖2所示，具體算法如下:
[0032]步驟2.1)，根據(jù)電流分量i a、i e和電壓分量Ua、U0，構(gòu)建滑模觀測器得到電機的反電動#ea、ee ;其中，構(gòu)造滑模電流觀測器，具體如下:
[0033]永磁同步電機數(shù)學(xué)模型在α β坐標(biāo)系下表示為:
【權(quán)利要求】
1.基于滑模磁鏈觀測器的永磁同步電機轉(zhuǎn)矩控制方法，其特征在于:通過3/2坐標(biāo)變換模塊、滑模磁鏈觀測器、電磁轉(zhuǎn)矩計算模塊、轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器、磁鏈自適應(yīng)模塊、預(yù)期電壓計算模塊、SVPWM模塊和逆變器對永磁同步電機進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制，包括如下具體步驟: 步驟I)，檢測永磁同步電機的三相電流ia、ib、i。和三相電壓Ua、ub、u。,經(jīng)3/2坐標(biāo)變換后得到兩相靜止交流坐標(biāo)下的電流分量ia、ie和電壓分量ua、ue，然后將所述電流分量ia、ie和電壓分量ua、ue送至滑模磁鏈觀測器，并將電流分量1、％送至電磁轉(zhuǎn)矩計算模塊； 步驟2)，根據(jù)所述電流分量ia、ie和電壓分量ua、ue，所述滑模磁鏈觀測器模塊估算定子磁鏈大小估算值Pa、和定子磁鏈相位估算值&以及轉(zhuǎn)子速度估算值? ; 步驟3)，將給定轉(zhuǎn)速ω*與所述轉(zhuǎn)子速度估算值乍差后，經(jīng)轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器后得到給定轉(zhuǎn)矩Te* ； 步驟4)，根據(jù)所述定子磁鏈大小估算值#?、以及所述電流分量ia、ie，所述電磁轉(zhuǎn)矩計算模塊得到電機實際轉(zhuǎn)矩Te ； 步驟5)，所述給定轉(zhuǎn)矩Te*經(jīng)磁鏈自適應(yīng)模塊得到定子磁鏈給定值Ψ sref ； 步驟6)，將所述給定轉(zhuǎn)矩Te*與所述電機實際轉(zhuǎn)矩Te作差后，經(jīng)轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器后得到輸出量Δ δ ； 步驟7)，所述輸出量Λ δ、定子磁鏈給定值UTs.Mf、定子磁鏈大小估算值以及定子磁鏈相位估算值&經(jīng)預(yù)期電壓計算模塊，得到兩相靜止坐標(biāo)系上的兩相交流電壓參考值“a、> 步驟8)，根據(jù)定子磁鏈?zhǔn)噶课恢靡约八鰞上嘟涣麟妷簠⒖贾?lt;、Up ,從開關(guān)狀態(tài)表中選擇相應(yīng)的空間電壓矢量后，經(jīng)所述SVPWM模塊輸出調(diào)制信號到逆變器，通過所述逆變器實現(xiàn)永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于滑模磁鏈觀測器的永磁同步電機轉(zhuǎn)矩控制方法，其特征在于:所述步驟2)包括如下具體步驟: 步驟2.1)，根據(jù)所述電流分量ia、ie和電壓分量ua、ue，構(gòu)建滑模觀測器得到電機的反電動勢ea、ee ； 步驟2.2)，根據(jù)所述反電動勢ea、ee，通過轉(zhuǎn)子位置計算模塊得到轉(zhuǎn)子估算位置 步驟2.3)，根據(jù)所述轉(zhuǎn)子估算位置#，通過定子磁鏈估算模塊得到當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶喀乏?gt; V0 ； 步驟2.4)，根據(jù)所述當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶喀乏痢ⅲㄟ^磁鏈觀測器得到定子磁鏈大小估算值Pa、以及轉(zhuǎn)子速度估算值S; 步驟2.5)，根據(jù)所述定子磁鏈大小估算值盧α、Ψβ ,通過磁鏈位置計算模塊得到定子磁鏈相位估算值4。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于滑模磁鏈觀測器的永磁同步電機轉(zhuǎn)矩控制方法，其特征在于:步驟2.1)中所述滑模觀測器的變結(jié)構(gòu)函數(shù)為sigmoid函數(shù)。
【文檔編號】H02P23/12GK103872951SQ201410116544
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月23日
【發(fā)明者】樊英, 張麗, 夏子朋, 顧玲玲 申請人:東南大學(xué)