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永磁同步电动机超螺旋非奇异快速终端滑模转速控制

吉洪智;赵朝会;胡怡婷;丁帆;建照阳

【期刊名称】《《上海电机学院学报》》

【年(卷),期】2019(022)005

【总页数】5页(P290-294)

【关键词】永磁同步电动机;非奇异快速终端滑模;超螺旋;直接转矩控制

【作者】吉洪智;赵朝会;胡怡婷;丁帆;建照阳

【作者单位】上海电机学院电气学院上海201306

【正文语种】中文

【中图分类】TM351

永磁同步电动机(PermanentMagnetSynch-ronousMotor,PMSM)的直接转矩

控制(DirectTorqueControl,DTC)技术首先由德国的Depen-brock和日本的

Takahashi提出。1997年,Zhong等[1]将这种技术应用于PMSM的控制。DTC

结构简单、鲁棒性强,但是同时也存在转矩脉动大、开关频率不恒定等问题[2-3]。

为了解决该问题,国内外学者提出了许多改进技术[4-8]。文献[4]详细介绍了应用

空间矢量脉宽调制(SpaceVectorPulseWidthModulation,SVPWM),DTC的

转矩脉动大大减少,控制性能提高。文献[7]介绍了采用预期电压矢量计算单元来

代替传统DTC中的磁链以及转矩滞环比较器,可以有效地减小转矩脉动并对其进

行优化。文献[8]提出了一种结合DTC与空间矢量调制的方法,从而使得开关频率

保持恒定并且降低了转矩脉动,但这种方法仍无法高精度地控制系统的稳态特性以

及鲁棒性。

滑模变结构具有较高的稳态精度和较小的超调量,因此,这种方案具有很强的鲁棒

性。结合智能控制理论,学者们提出模糊滑模控制器、非奇异终端滑模控制以及高

阶滑模的控制思想等,都不同程度地改善了系统鲁棒性、低速性能以及削弱抖振,

但不同方法也有局限性[9-11]。文献[12-14]介绍了滑模控制技术逐渐应用于电机

控制及航空航天等领域。文献[15]研究了一种全局非奇异快速终端滑模结构,提高

了系统的稳定运行能力。文献[16]分析了将两个PI控制器替换成超螺旋(Super-

twisting)滑模变结构控制器,减少了抖振且超调量较小。文献[17]介绍了基于非奇

异终端滑模的模型预测转矩控制的研究,改善了转矩脉动和转速的动态响应。

本文将Super-twisting非奇异快速终端滑模控制器用于控制系统的转速环,并对

采用Super-twisting非奇异快速终端滑模控制器和采用传统PI控制器进行仿真对

比,期望该滑模能够解决超调频繁的问题,提高转速响应速度,减小转矩脉动以及

超调量。

1基于SVPWM的PMSMDTC

DTC中,PMSM在d-q坐标系下的电磁转矩方程为

|ψs|(Lq-Ld)sin2δ]

(1)

式中:Ld,Lq分别为d轴和q轴定子电感;p为极对数;Te为电磁转矩;ψs和

ψf分别为定子磁链和转子永磁体磁链;δ为转矩角。

对式(1)求导,可得

(2)

由此可见,转矩的变化与转矩角的变化是非线性关系,即

2|ψs|(Lq-Ld)cos2δ]Δδ

(3)

式中:ΔTe为转矩增量;Δδ为转矩角增量。

从式(3)可以看出,由于PMSM的转子磁链为定值,当控制定子磁链ψs为一固定

值时,且不考虑ψs变化对转矩的影响,ΔTe就取决于Δδ。其坐标系如图1所示。

图1转矩角增量坐标系

图1中:ψsref为ψs运动后到达的新位置,其值为定子磁链给定值

根据图1,可以将PMSM在α-β坐标系中的电压方程改为

(4)

式中:uαref,uβref分别为α,β轴期望电压分量值;ΔT为控制周期。

期望电压矢量的幅值和相位角可以通过式(4)得出

(5)

由式(5)可确定期望电压所在区间及大小,从而由电压空间矢量调制单元产生

SVPWM脉冲信号,控制逆变器驱动永磁同步电动机运行。

2控制原理

2.1滑模面选取

定义系统的二阶非奇异快速终端滑模变量,可以有效避免滑模面的奇异现象,即

(6)

式中:e为系统状态误差;0α1;β∈R+;p,q∈N且为奇数;λp/q且

1p/q2。

当系统的状态远离平衡点时,转速误差e会较大,由上述滑模面可以看出,转速

误差e的高次项起到

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