永磁同步电机滑模变结构直接转矩控制研究
摘要:为了克服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等问题,引入了滑模变结构控制策略。详述了滑模变结构的基本原理、永磁同步电动机滑模变结构模型,分析了抖振产生原因及其对策,推导了滑模变结构控制律。仿真结果表明该控制策略极大地改善了系统的动、静态性能,对系统参数和外部干扰表现出较强的鲁棒性。
1 引言
永磁同步电机具有体积小、重量轻、效率高、转子无发热等优点,使其受到国内外的普遍重视,广泛用于柔性制造系统、机器人、办公自动化、数控机床等领域[1]。永磁同步电机直接转矩控制系统具有结构简单、转矩响应快、鲁棒性好等特点,但与异步电动机的直接转矩控制一样,随着控制性能要求的提高,还存在着以下缺点:磁链和转矩脉动大、逆变器开关频率不恒定、低速时磁链和转矩难以控制[2],这些已严重阻碍了系统的优化。为了解决这些问题,文献[3]采用多电平功率变换器,通过控制多个电压矢量作用于电机,使磁链、转矩平滑,但这种方法增加了系统硬件成本和控制复杂性;文献[4]提出了基于恒定开关频率的DTC控制方法,实现转矩和磁链的平滑控制,这种方法受电机参数变化影响大;文献[5]提出了基于模糊逻辑的DTC—PMSM控制思想,准确选择电压矢量来改善磁链和转矩的平稳性及快速性,缺点是进行在线模糊推理的计算工作量大,难以实时控制。
近年来,滑模变结构控制引起广泛重视。它具有许多优良特性,如鲁棒性强、对外来干扰和系统未建模动态有抑制作用、动态响应快等。为了克服传统DTC中电流、转矩和脉动较大的缺陷,本文将该控制策略引入永磁同步电机直接转矩控制,使系统具有强鲁棒性和快速动态响应。仿真结果验证了该控制策略的有效性。
2 PMSM的滑模变结构直接转矩控制
滑模变结构控制是自动控制系统的一种设计方法,变结构控制与一些普通控制方法的根本区别在于控制律和闭环系统的结构在滑移面上具有不连续性,即一种使系统结构随时间变化的开关特性。通过适当的设计能够将不同结构下的相轨迹拓扑的优点结合起来,实现预期设计的控制性能。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计的,系统稳定性与动态品质仅取决于滑模面及其参数,因此系统对于参数变化和外部干扰不敏感,是一种鲁棒性很强的控制方法,在很大程度上弥补了常规直接转矩控制所带来的缺陷。
2.1 PMSM基本方程
建立永磁同步电机α-β两相静止坐标系下的数学模型,首先作如下假设:忽略电机铁芯的饱和;不计电机中的涡流和磁滞损耗;电机的电流为对称的三相正弦电流。得到以下简化的电压、磁链和电磁转矩方程。
4 结论
滑模变结构控制理论与直接转矩控制方法相结合来控制永磁同步电动机,克服了传统DTC中电流、转矩和脉动较大的缺陷,并且结构简单、响应快速,对系统内部参数摄动、外部干扰等具有很好的鲁棒性。因此该方法有效地改善了永磁同步电动机直接转矩控制系统的静、动态性能,是一种简单、可靠、有效的控制方法。
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