[發明專利]一種永磁同步電機調速系統的新型變增益滑模控制方法

在審

• 申請號: 202210041903.9
• 申請日: 2022-01-14
• 公開（公告）號: CN114448308A
• 公開（公告）日: 2022-05-06
• 發明（設計）人: 丁世宏;吳宜;劉陸;馬莉
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H02P21/00
• 分類號: H02P21/00;H02P21/13;H02P6/34;H02P25/026;H02P27/08
• 代理公司: 江蘇縱聯律師事務所 32253
• 代理人: 徐明

本發明公開了一種永磁同步電機調速系統的新型變增益滑模控制方法，屬于永磁同步電機控制領域。主要步驟為：1、構造永磁同步電機的數學模型，定義電機控制系統的狀態變量并建立系統的狀態方程；2、設計一種擴張狀態觀測器估計擾動；3、基于擾動觀測值，為速度環設計變增益滑模控制器，得到復合控制器。本發明的優點：一，該控制器是提供連續控制信號的，確保在有限時間內，盡管存在擾動，狀態仍收斂到原點；二，該控制器產生的控制信號在有限時間內補償擾動，即其值與擾動值相反；三，擴張狀態觀測器能進一步提高系統的抗干擾能力。

技術領域

本發明涉及電機調速控制技術領域，主要涉及一種永磁同步電機調速系統的新型變增益滑模控制方法。

背景技術

目前，隨著稀土永磁材料和電力功率器件的發展，永磁同步電機以其高轉矩、高轉動慣量比和高能量密度得到廣泛關注。然而，由PMSM構成的調速系統中包含了諸多變量，且各個變量之間不僅有復雜的電磁關系，還有著其它強耦合關系。除此以外，PMSM系統具有輸入和輸出較為復雜、系統非線性、電機運轉時物理參數實時變化等諸多特點，加上系統內、外部存在不可避免的干擾影響，所以在實際應用階段往往無法在復雜工況下實現對系統的精確控制。

針對上述問題，新永磁同步電機實際應用的工業控制領域，各種算法也被不斷的提出，如神經網絡、模糊控制、飽和控制、滑模變結構控制、自適應控制等。在傳統控制中，由于經典控制理論較為成熟以及傳統PID在參數調節過程中較為簡單且有規律可循，所以系統一般采用傳統PID控制方法。但是，傳統PID主要針對線性系統，一旦系統自身是非線性系統，同時系統還存在參數攝動、負載變化以及外界擾動等諸多影響因素時，傳統PID在控制穩定性和精度上無法達到預期效果。隨著現代控制理論不斷發展，各種先進的理論被引入進PMSM調速系統中。這些理論中，滑模變結構控制因其具有強魯棒性、良好的抗擾能力、簡單的物理實現等優點正成為PMSM調速控制這一方向下研究的熱點。不過，滑模變結構控制自身存在一定的弊病——抖振，而系統中的高頻抖振有時會對整個系統產生致命的破壞，為了削弱不必要的抖振，需要在滑模變結構的基礎上采用其它的控制理論對控制器進行有效的改進。

發明內容

本發明提出了一種永磁同步電機調速系統的新型變增益滑模控制方法，確保狀態在有限時間內收斂到零。基于永磁同步電機在d-q軸坐標系下的數學模型，選擇控制輸出為速度偏差量；設計擴張狀態觀測器，進行前饋補償；基于擾動觀測值，為轉速環設計基于變增益滑模算法的控制器，得到復合控制器進一步提高系統的抗干擾能力。包括以下步驟：

步驟1、建立永磁同步電機在d-q軸坐標系下的數學模型，定義永磁同步電機的狀態變量，建立系統的狀態方程，設計基于滑模算法的控制器；

步驟2、針對于上述控制器，提出一種自適應增益，得到基于變增益滑模算法的控制器；

步驟3、針對上述變增益滑模控制器，對其變增益的思想進行分析；

步驟4、設計擴張狀態觀測器，將觀測值進行前饋補償；

步驟5、選擇控制輸出為速度偏差量，為轉速環設計基于變增益滑模算法的控制器，得到復合控制器。

進一步，在所述步驟1中的永磁同步電機在d-q軸下的模型為

其中，i_d、i_q分別為永磁同步電機定子繞組的d軸電流、q軸電流，u_d、u_q分別為d軸電壓、q軸電壓，R為定子電阻，T_L為負載轉矩，J為電機轉動慣量，ω為電機機械角速度，B為摩擦系數，L為電機定子電感，為電機的磁鏈，P為電機極對數，且為電機轉矩常數，對整個系統采用i_d＝0的矢量控制；

永磁同步電機的狀態變量設為x₁＝ω-ω_*，式中ω_*為轉子期望角速度；