摘 要:结合PMSM的矢量控制技术,简要分析了SVPWM的算法,并介绍了MATLAB下建立其仿真模型的方法。讲述了滑模变结构控制的原理,提出了用于PMSM速度控制的滑模控制调节器,并给出了详细的设计方法。建立了系统的仿真模型,仿真结果表明,采用滑模变结构控制器使系统具有较快响应速度、较好的抗干扰能力和鲁棒性。
关键词:矢量控制;滑模变结构控制;电压空间矢量脉宽调制
1 引言
矢量控制的核心思想是将电机的三相电流、电压、磁链经坐标变换,变换到以转子磁链定向的两相参考坐标系,将定子电流分解成与磁链方向相同的励磁分量和与磁链方向垂直的转矩分量,维持定子电流的励磁分量不变,控制转矩分量。这样将交流电机模拟等效为直流电机,按照直流电机的控制规律进行控制,使系统具有较好的动态特性。其实质就是对定子电流空间矢量相位和幅值的控制。
传统的PMSM矢量控制系统采用PI调解器作为转速调节器,控制方案比较简单,容易实现,能使系统获得较好的稳态性。然而由于系统的模型难以建立和模型的不确定性、非线性,使得系统的快速性和抗干扰能力,以及对参数波动的鲁棒性都不够理想。本文将智能控制与传统的PI控制相结合,采用滑模变结构控制方法对控制系统速度环调节器进行了设计,并对电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)形成的原理进行了深入的分析,建立了仿真模型。通过MATLAB仿真表明滑模变结构的控制方案使得系统具有良好快速性、定位无超调、较强的鲁棒性和抗干扰能力等特点。
2 PMSM矢量控制系统
2·1 PMSM的数学模型
在不影响控制性能的前提下,忽略电机铁心的饱和,永磁材料的导磁率为零,不计涡流和磁滞损耗,三相绕组是对称、均匀的,绕组中的感应波形是正弦波。
控制过程可以简单描述如下:首先根据检测到的电动机转速和输入参考转速,根据转速与转矩的关系通过速度调节器计算得到定子电流的参考输入。定子电流iA和iB通过电流检测电路得到其值,然后用Clarke变换将它们转换到定子两相坐标中,使用Pa变换再将它们转化到d-q旋转坐标系中。d-q坐标系统的电流信号再与它们的参考输入isqr和isdr相比较,其中isdr=0,通过PI控制器获得理想的控制量。控制信号再通过Park逆变换,送到PWM逆变器,从而得到控制定子的三相电流。外环速度环产生定子电流的参考值,内环电流环得到实际控制信号,从而构成一个完整的双闭环矢量控制系统。
2·2 SVPWM算法及MATLAB的实现
电压空间矢量技术是按照跟踪圆形旋转磁场来控制PWM电压,磁链的轨迹靠电压空间矢量相加得到的。对于三相电压型逆变器而言,电机的相电压取决于它所对应的逆变器桥臂上功率开关的状态。
根据六个功率三级管的八种开关状态和电压空间矢量定义可得到图2所示的基本电压空间矢量图,它包括六个有效矢量(模长等于2udc/3)和两个位于原点的零矢量,利用这8种电压矢量的线性组合,就可获得更多的与相位不同的新的电压空间矢量,最终构成一组等幅不同相的电压空间矢量,叠加形成尽可能逼近圆形旋转磁场的磁链圆。
3 滑模变结构速度调节器的设计
变结构控制是一种高速的切换反馈控制。这种控制策略与常规控制策略的根本区别是在于控制律和闭环系统的结构在滑模面上具有不连续性,即一种使系统结构随时变化的开关特性。该控制可以迫使系统在一定特性下沿状态轨迹作小幅、高频率的上下运动即所谓的“滑模”运动。由于滑模面一般都是固定的,而且滑模运动的特性是预先设定的,因此系统对于参数的变化及扰动不敏感,具有很好的鲁棒性。滑模变结构控制通常用于伺服控制系统的速度环。
4 结论
本文简要讲述了SVPWM算法,并讨论了滑模控制的原理,构建了速度环采用滑模变结构控制的SVP-WM矢量控制系统,仿真表明该系统具有良好快速性、较强的鲁棒性和抗干扰能力等优点,有较好的调速性能。
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