永磁同步电机滑模变结构直接转矩控制_

永磁同步电机滑模变结构直接转矩控制
摘要将滑模变结构控制策略引入永磁同步电机直接转矩控制中，来解决传统永磁同步电机直接转矩控制中存在的磁链和转矩脉动较大、逆变器开关频率不恒定、低速时系统难以准确控制以及因转矩脉动引起的高频噪声等问题。仿真研究表明，本文提出的这种新型控制策略能极大地
减小传统直接转矩控制中因两滞环调节器造成的静态转矩脉动，同时又保持了直接转矩控制固有的转矩快速响应特征和对系统参数摄动、外干扰、测量误差以及测量噪声具有的极强鲁棒性优点，有效地改善系统的动、静态运行性能，是永磁同步电机直接转矩控制中一种新颖的改进控制方式。
关键词：直接转矩控制滑模变结构滞环调节器连续函数
1引言
传统直接转矩控制[1,2]（DTC）采用两个滞环调节器分别对转矩和磁链幅值进行控制，响应快速，对系统参数摄动和外干扰鲁棒性强，但存在较大的磁链和转矩脉动、逆变器开关频率不恒定、低速时系统难以精确控制以及因转矩脉动引起的高频噪声等问题。传统DTC中磁链和转矩脉动过大是因逆变器的实际开关频率不够高，导致一个数字控制周期中所选用的有效电压矢量无法与期望的电压矢量一致所致。针对这些问题，目前多采用以下四种解决方案：①对传统DTC的开关表加以改进[3]，如增加零电压矢量和矢量细分。从已发表文献实验结果以及作者本人的实验结果看，这对减小转矩脉动的效果很小。②采用多电平控制功率变换器[4]，通过多个空间电压矢量作用于电机，使磁链、转矩平滑，但这增加了系统硬件成本和复杂性。③运用空间电压矢量调制方法使逆变器开关频率恒定以减小转矩脉动[5]。这种解决方案一般采用PI型调节器替代滞
环型调节器来控制定子磁链和转矩，但因而又引入了PI调节器的共同缺点，即特定的PI系数对电机参数、转速和负载变化敏感，系统鲁棒性不强等。④基于一些智能控制，如模糊控制理论的DTC控制[6]，其缺点是在线进行模糊推理计算工作量大，难以实时控制。
滑模变结构控制是对非线性不确定系统的一种有效的综合方法，通过对切换函数符号判别，不断地切换控制量来改变系统结构，使状态变量运动到事先设计好的空间切换面上。变结构控制系统对系统的参数摄动和外干扰鲁棒性非常强，且结构简单、响应快速。通过合理设计滑模控制器，可以满足系统正常运动段和滑模运动段的动态品质要求，并能有效减小控制量切换时存在的高频抖动。目前，这种控制策略已成功用于电力系统、机器人、航天航空飞行器系统等控制。本文将滑模变结构控制策略引入永磁同步电机直接转矩控制(VSS-DTC)，以期解决传统DTC存在的转矩和磁链脉动较大、逆变器开关频率不恒定等问题。
2滑模变结构控制方案
2.1永磁同步电机数学模型
2.2控制律分析
一般滑模控制器设计思路是先设计切换函数S，然后根据滑模存在性和可达性条件、系统正常运行段的动态品质要求和滑模运行段的动、静态特
性要求，最终获得理想的滑模控制器。本文选择指数趋近律来设计滑模控制器。为减小滑模切换时的高频抖动，采用连续函数替代常规滑模控制器中的开关函数。滑模变结构控制系统的运行过程是通过对切换函数S符号的判别，不断地切换控制量来改变系统结构，以使系统状态变量运动到事先设计好的空间切换面S＝0上，然后系统沿切换面运动。永磁同步电机VSS-DTC也是对磁链和转矩直接进行控制.
2.3鲁棒性证明
DTC系统实际运行时系统内部参数摄动、外部干扰、测量误差以及测量噪声都会影响切换函数S大小.
2.4抖动减小处理
滑模变结构控制系统最大缺点就是滑模切换时存在高频抖动。造成系统抖动的原因很多，如系统惯性的存在导致作用力滞后，系统建模时忽略了部分动力学行为等。用如下的连续函数替代常规滑模控制器中的开关函数，则可以有效地减小系统抖动。
3仿真研究
为对永磁同步电机传统DTC和VSS-DTC性能进行仿真比较研究，计算中采用了相同的采样时间和仿真步长，电机参数如下：UN＝220V，nN=3000r/min，IN＝3.5A，极对数p=2，R=1.11?，
Ld=16.6mH，Lq=16.45mH。
切换函数S1和S2响应曲线看出，切换函数能很快收敛到零，然后在零附近高频变化，表明永磁同步电机VSS-DTC状态变量eT、eψ很快到达空间切换面S=0上，然后在切换面附近空间邻域里以极小的容差运行，说明了VSS-DTC实时计算出的转矩和磁链能快速跟踪各自给定值。对比有力说明，在各种转速下，VSS-DTC均能极大地减小传统DTC存在的转矩脉动，同时能保持传统DTC转矩快速响应和系统鲁棒性强的优点。因而本文所提出的永磁同步电机直接转矩滑模变结构控制策略是一种能提高永磁同步电机直接转矩控制系统动静态性能的有效解决方案。
4结论
（1）VSS-DTC根据指数趋近律来设计滑模控制器，能改善系统正常运动段的动态品质；用连续函数替代滑模控制器中的开关函数，能有效减小高频抖动；采用转矩和磁链两个滑模控制器替代传统直接转矩控制的滞环调节器，并用其输出的α?β两相静止坐标系下的电压实现空间电压矢量调制，保证了功率变换器开关频率恒定。
（2）VSS-DTC能克服传统DTC转矩脉动较大的主要缺陷，保持传统DTC固有转矩响应迅速的优点，有效改善DTC系统的动静态运行性能。
（3）VSS-DTC结构简单、响应快速，对系统参数摄动、外干扰、测量误差以及测量噪声具有极强的鲁棒性，滑模运动对参数摄动和外干扰具有完全的自适应性。能适用于要求转矩响应快速的伺服及传动系统。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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