[发明专利]一种基于滑模负载转矩观测器的永磁同步电动机控制方法

说明书

本发明公开了一种基于滑模负载转矩观测器的永磁同步电动机控制方法，首先，在永磁同步电动机数学模型的基础上，根据永磁同步电动机的机械运动方程设计无差拍预测控制器；再设计滑模负载转矩观测器；最后对滑模负载转矩观测器进行分析，以实现对永磁同步电动机的准确控制。本发明方法将滑模负载转矩观测器与无差拍预测控制相结合，提高了其动态响应速度；同时将传统滑模观测器中包含符号函数的等速趋近律替换为基于正弦函数的光滑趋近律，以此来抑制传统滑模观测器中的滑模抖振和减少滑模面到达时间。

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，涉及一种基于滑模负载转矩观测器的永磁同步电动机控制方法。

背景技术

我国已成为世界上最大的稀土生产、应用和出口国。稀土钴及钕铁硼永磁材料因其具有高剩磁、高矫顽力和高磁能积等优点而被广泛应用于永磁电机，永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)就是其典型应用之一。永磁同步电动机因其具有体积小、结构简单、功率密度大和转矩惯性比大等优点而被广泛应用于交流电机传动领域，如工业机器人、数控机床、电动汽车等领域。随着上述领域对高性能伺服控制系统的需求不断上升以及这些领域自身的发展，极大地推动了永磁同步电动机先进控制技术的飞速发展。

矢量控制是一种经典的永磁同步电动机控制方式，主要思想是通过坐标变换，把三相交流电机按照直流电机的控制方法来控制，其控制结构是一种速度环和电流环的级联结构。矢量控制作为一种通用控制技术，具有稳态精度高、开关频率固定等优点，但也存在动态性能不佳、消除误差的方式为被动方式和对外部扰动敏感等问题。尤其是永磁同步电动机是一个多变量、非线性、强耦合系统，应用环境一般较为复杂且常常存在各种扰动，如电机参数的变化和外部负载扰动等，在这些复杂工况下，矢量控制的性能将不能满足需求。针对上述问题，国内外学者提出了许多针对速度环的改进控制方法，如滑模控制、自适应控制、模糊控制、无差拍预测控制等。当速度环采用无差拍预测控制时，需要知道电机的负载转矩值。同时，在一些高端大型设备中使用永磁同步电动机驱动时，需要抑制大负载和大转动惯量变化工况下的速度波动，要实现这一点，就需要在线辨识负载转矩。

目前，应用于负载转矩辨识的方法主要包括卡尔曼滤波、模型参考自适应控制和滑模观测器等。滑模观测器具有抗干扰能力强、对系统扰动鲁棒性强、响应快、易于实现等优点而受到人们的广泛关注。然而滑模观测器的抖振问题是制约滑模观测器性能的一个主要因素，目前的解决方法主要有提高滑模观测器的阶数和改进趋近律等，如二阶滑模观测器、利用饱和函数替代传统符号函数等方法。采用二阶滑模观测器方法虽然能降低滑模抖振，但是二阶滑模观测器设计复杂，会增加控制系统的计算量；利用饱和函数替代传统符号函数在不增加计算量的同时能有效降低滑模抖振，是一种使用广泛的方法，但是传统的饱和函数存在不连续点，这会在不连续点引起一定的抖振。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于滑模负载转矩观测器的永磁同步电动机控制方法，解决了现有技术中存在的永磁同步电动机在负载扰动的复杂工况下速度响应慢、控制效果差的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于滑模负载转矩观测器的永磁同步电动机控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，建立永磁同步电动机的数学模型；

步骤2，在永磁同步电动机数学模型的基础上，根据永磁同步电动机的机械运动方程设计无差拍预测控制器；

步骤3，设计滑模负载转矩观测器；

步骤4，对滑模负载转矩观测器进行分析，以实现对永磁同步电动机的准确控制。

本发明的特点还在于：

步骤1中，永磁同步电动机的数学模型具体如下：