一种负载转矩观测值前馈补偿的永磁同步电机滑模控制方法及系统

【】本发明涉及自动控制，具体涉及一种负载转矩观测值前馈补偿的永磁同步电机滑模控制方法及系统。

背景技术

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背景技术：

1、永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，pmsm)具有体积小、结构简单、效率高等诸多优点，使得其在数控机床、医疗器械、航空天等领域得到广泛应用。但由于pmsm是一个多变量、非线性、强耦合的复杂对象，当系统受到内部参数或外界扰动等因素影响时，常规pi控制并不能满足高性能控制的要求。而滑模变结构控制(sliding-modevariable structure control，smc)对模型精度要求不高，对参数摄动、外部扰动具有强鲁棒性等优点而日益成为学者们研究的热点。

2、但smc控制器固有的抖振问题始终无法彻底解决，阻碍了滑模控制的实际应用，如何抑制滑模系统的抖振频率和幅度，使其能减小不危害系统性能和稳定性的程度，是当前滑模控制研究的重点。

3、近年来众多学者致力于将滑模变结构控制应用于永磁同步电机交流伺服系统中，为解决抖振问题，采用多种方法。如将趋近律滑应用到永磁同步电机调速系统中，并设计了变参数smc方法，提高了调速系统的鲁棒性。又如设计了永磁电机位置与速度综合控制器，利用一体化设计思想解决了变结构位置伺服系统中的速度控制问题。还有学者设计了速度环与电流环一体化的smc控制器，用于pmsm调速系统中，研究结果表明系统鲁棒性和快速性得到较大提高，但速度环与电流环的综合设计使得参数选取比较困难，不易实现。

4、经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号cn116015133a、公开日2023.04.25，公开了一种基于有限时间扰动观测器的永磁同步电机滑模控制方法，该方法建立永磁同步电机的数学模型，将其化为状态方程形式，初始化系统状态；提出一种改进的非奇异终端滑模有限时间扰动观测器(ftdo)控制方法，ftdo用于估计未知不确定性，并提供前馈补偿；并提出一种新型的快速滑模趋近律，在控制信号存在抖振现象的情况下，减少了到达滑动面所需的时间；然后，在改进的滑模流形中加入ftdo，提出一种有限时间的非奇异终端滑模(ftdo-mntsmc)方法；既能补偿未知不确定性，又能实现有限时间收敛。利用李雅普诺夫稳定性理论保证了控制策略下封闭系统的有限时间稳定性，但该方法在永磁同步电机系统的动态性能上仍有不足，存在继续提升的空间。

5、本发明针对目前六相永磁同步电机(six-phase permanent magnet synchronousmotor，pmsm)滑模控制中负载转矩突变时的动态性能不足、系统抗干扰能力较差、滑模控制器的性能与抖振现象相冲突的现状，对永磁同步电机滑模控制方法进行了技术改进。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明的目的是，提供一种有效抑制mp-mmc变流器驱动六相永磁同步电机系统负载转矩突变引起转速波动的永磁同步电机滑模控制方法。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种负载转矩观测值前馈补偿的永磁同步电机滑模控制方法，包括以下步骤：

3、s1、首先，滑模控制器控制永磁同步电机达到给定转速；

4、s2、然后，当永磁同步电机负载转矩发生突变时，滑模控制器和滑模观测器同时起作用，将滑模观测器观测到的负载转矩值以一定比例前馈补偿滑模控制器给定电流，从而快速压制永磁同步电机转速的变化；

5、s3、最后，当永磁同步电机转速快速回归给定转速后，滑模观测器补偿比例下降到接近归零，使得永磁同步电机在给定转速上稳定运行。

6、优选地，所述永磁同步电机是mp-mmc变流器驱动六相永磁同步电机系统，包括a、b、c、d、e、f六相，所述mp-mmc变流器驱动六相永磁同步电机系统由十二个结构相同的桥臂构成，所述永磁同步电机连接在每相的中点、即上下桥臂之间，所述mp-mmc变流器驱动六相永磁同步电机系统每个桥臂由数目相同的mmc子模块和电感组成，所述mmc子模块采用半桥结构类型，每个mmc子模块由两个igbt和电容构成。

7、优选地，所述六相永磁同步电机系统定义为y移30°结构的双三相永磁同步电机，所述双三相永磁同步电机定子绕组分布均匀，不计定子齿槽的摩擦力影响，转子上无阻尼绕组，忽略磁路饱和及涡流损耗。

8、优选地，采用矢量空间解耦方法得到：

9、所述六相永磁同步电机定子电压方程磁链方程us＝lsis+λsψf，其中，rs＝[ra rb rc rd re rf]t为定子电阻矩阵，us＝[ua ub uc ud ue uf]t为定子相电压，is＝[ia ib ic id ie if]t为定子相电流，ψs＝[ψaψbψcψdψeψf]t为定子绕组磁链，ψf为转子永磁体磁链，

10、为磁链系数矩阵、θ为转子位置角，ls＝laali6+lmsl(θ)为定子电感矩阵，其中laal为定子漏感，lms为定子互感，l(θ)为定子电感位置关联矩阵；

11、所述六相永磁同步电机电磁转矩方程运动方程式中，id、iq分别为所述六相永磁同步电机d、q轴的电流，ld、lq分别为所述六相永磁同步电机d、q轴的电感，r为定子电阻，p为所述六相永磁同步电机极对数，wm为转子机械角速度，j为所述六相永磁同步电机转动惯量，te为所述六相永磁同步电机电磁转矩，tl为所述六相永磁同步电机负载转矩，b为阻尼系数，ψf为转子永磁体磁链；

12、所述mp-mmc变流器驱动六相永磁同步电机系统方程其中，r1和l1为线路上的电阻和等值感，em(m＝a,b,c,d,e,f)为永磁同步电机电机m相感应电动势，udc为所述mp-mmc变流器驱动六相永磁同步电机系统直流侧输出电压，upm和unm为所述mp-mmc变流器驱动六相永磁同步电机系统的m相上桥臂电压和下桥臂电压，l为桥臂电感，ipm和inm为所述mp-mmc变流器驱动六相永磁同步电机系统的m相上桥臂电流和下桥臂电流。

13、优选地，步骤s2所述滑模观测器通过采集所述六相永磁同步电机输出电流、机械转速、负载转矩，最终计算得到稳定的负载转矩观测值，并具有滤波效果。

14、优选地，所述滑模观测器方程式中，z为抖振信号，k为滑模增益常数，g为反馈增益常数，分别为所述六相永磁同步电机机械角速度估计值和负载转矩估计值。

15、优选地，步骤s3所述滑模控制器通过将给定转速和实际转速的插值按滑模控制算法转化，得到电流控制环的给定电流，从而实现所述六相永磁同步电机转速的控制。

16、优选地，所述滑模控制器方程α,β,λ为常数，0<λ<α,β>0；

17、其中，s1＝c1x1+x2，c1为滑模面参数，c1>0。

18、本发明的又一目的是，提供一种有效抑制mp-mmc变流器驱动六相永磁同步电机系统负载转矩突变引起转速波动的永磁同步电机滑模控制系统。

19、为实现上述又一目的，本发明采取的技术方案是一种负载转矩观测值前馈补偿的永磁同步电机滑模控制系统，用于执行上述的一种负载转矩观测值前馈补偿的永磁同步电机滑模控制方法。

20、本发明一种负载转矩观测值前馈补偿的永磁同步电机滑模控制方法及系统有益效果如下：将负载转矩的观测值按比例前馈至电流环给定值，弥补不连续项幅值不足的问题；针对前馈比例常数值过大时，前馈量过大且无法及时调整，使转速无法快速稳定在给定值的问题，将前馈比例改为可变值，极佳的抑制了转速波动；实验结果表明，滑模观测器可准确观测负载转矩，前馈补偿策略有效抑制了负载突变引起的转速波动。