一种永磁直线同步电机控制系统的滑模控制方法及系统与流程

1.本发明涉及控制领域，更具体地涉及电机的控制。


背景技术：

2.传统的轨道交通电机控制系统常采用永磁同步电机，传统的永磁同步电机控制采用矢量控制的思想。采用转速环和电流环双闭环的控制方法，转速环和电流环均采用pi控制器。而pi控制器鲁棒性不高，易受环境和负载的影响，当外部条件变化时，pi控制器的控制性能会变差，无法在大部分情况下表现出良好的控制性能，使得电机控制出现偏差，电机运转不正常，造成无法输出给定扭矩甚至出现电机过流等严重情况。
3.为了解决pi控制器的不稳定性，目前采用了滑模控制器，滑模控制是一种在不确定条件下控制高阶非线性复杂动态系统的方法，能有效消除不确定因素影响。然而，虽然目前采用的滑模控制器克服了pi控制器的不稳定缺点，但是采用滑模控制的方式在解决控制器易受外部扰动影响的因素的同时，会产生抖振现象并带来不好的影响，其可能导致系统过早的磨损，破坏系统性能，严重影响了控制系统的跟踪精度和使用寿命。


技术实现要素：

4.考虑到上述问题而提出了本发明。本发明提供一种永磁直线同步电机控制系统的滑模控制方法及系统以至少解决上述问题之一。
5.根据本发明的第一方面，一种永磁直线同步电机控制系统的滑模控制方法，所述永磁直线同步电机控制系统包括永磁直线同步电机，所述方法包括：
6.检测所述永磁直线同步电机的当前实际转速，并基于所述当前实际转速和给定转速得到转速误差；
7.将所述转速误差、所述永磁直线同步电机的母线电压、d轴输出电压以及q轴输出电压均输入增量滑模控制器，得到d轴给定电流和q轴给定电流，其中，所述增量滑模控制器的当前时刻的控制律与所述永磁直线同步电机控制系统的上一时刻的状态和上一时刻的控制律相关联；
8.获取所述永磁直线同步电机的当前d轴电流和当前q轴电流，并基于所述d轴给定电流和所述当前d轴电流得到所述d轴输出电压，以及基于所述q轴给定电流和所述当前q轴电流得到所述q轴输出电压；
9.基于所述d轴输出电压和所述q轴输出电压控制所述永磁直线同步电机。
10.根据本发明的第二方面，提供了一种永磁直线同步电机的控制系统，所述系统采用第一方面所述方法控制所述永磁直线同步电机。
11.根据本发明的第三方面，提供了一种车辆，包括：
12.永磁直线同步电机；
13.以及根据第二方面所述的永磁直线同步电机的控制系统。
14.根据本发明的永磁直线同步电机控制系统的滑模控制方法及系统、车辆，以永磁
直线同步电机为控制对象，将转速误差及其他参数输入增量滑模控制器，利用所述永磁直线同步电机控制系统的上一时刻的状态对所述控制系统进行增量滑模控制，而上一时刻的状态中包含了系统不确定因素造成的各种误差，将上一时刻的状态引入当前时刻对控制系统的控制中，上一时刻的控制系统中又引入了上上一时刻的状态，依次类推，减弱了不确定因素对系统的累积影响，大大削弱了滑模控制的抖振现象，增强了系统的鲁棒性，使控制性能更加精确。
附图说明
15.通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。
16.图1是根据本发明实施例的永磁直线同步电机控制系统的滑模控制方法的示意性流程图；
17.图2是根据本发明实施例的增量滑模控制器的示例；
18.图3是根据本发明实施例的永磁直线同步电机的控制系统的示意性原理图；
19.图4是根据本发明实施例的车辆的示意性框图。
具体实施方式
20.为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。基于本发明中描述的本发明实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。
21.传统的滑模控制方式由于离散系统本身存在采样时间，使得系统状态的切换动作不能准确发生在滑模面上；此外，系统的惯性使得切换动作存在一定的滞后，导致对系统状态的准确控制被延迟一段时间，在控制过程中容易产生抖振现象并带来不好的影响，其可能导致系统过早的磨损，破坏系统性能。
22.同时，当同步电机的转速上升或者电压下降时，传统的滑模控制方式无法进行弱磁控制，且无法在低电压等级下正常运行。
23.基于上述考虑，本发明实施例提供了一种永磁直线同步电机控制系统的滑模控制方法。下面参见图1，图1示出了根据本发明实施例的一种永磁直线同步电机控制系统的滑模控制方法的示意性流程图。如图1所示，一种永磁直线同步电机控制系统的滑模控制方法1，所述永磁直线同步电机控制系统包括永磁直线同步电机，所述方法包括：
24.步骤s1：检测所述永磁直线同步电机的当前实际转速，并基于所述当前实际转速和给定转速得到转速误差；
25.步骤s2：将所述转速误差、所述永磁直线同步电机的母线电压、d轴输出电压以及q轴输出电压均输入增量滑模控制器，得到d轴给定电流和q轴给定电流，其中，所述增量滑模控制器的当前时刻的控制律与所述永磁直线同步电机控制系统的上一时刻的状态和上一
时刻的控制律相关联；
26.步骤s3：获取所述永磁直线同步电机的当前d轴电流和当前q轴电流，并基于所述d轴给定电流和所述当前d轴电流得到所述d轴输出电压，以及基于所述q轴给定电流和所述当前q轴电流得到所述q轴输出电压；
27.步骤s4：基于所述d轴输出电压和所述q轴输出电压控制所述永磁直线同步电机。
28.其中，根据本发明实施例的永磁直线同步电机的控制方法，采用转速环和电流环双闭环控制系统，外环为转速环，内环为电流环，将转速误差输入增量滑模控制器，也就是说，转速环控制器采用增量滑模控制，将上一时刻的系统状态和控制动作考虑进下一时刻的控制中，使其包含有上一时刻的系统信息(如各种误差信息)，从而在下一时刻进行控制时，可以根据上一时刻的系统信息进行调整，使转速外环中的转速误差快速向滑模切换面运动，进入滑模切换面后向平衡点移动，从而使得系统稳定在平衡点，从而削弱抖振。另外，当转速上升时，增量滑模控制器能够根据转速误差实时地调节输出的d轴给定电流和q轴给定电流，防止了反电动势由于转速上升而增大导致的控制电机的电压变小的技术问题，避免了由于转速上升导致的无法对电机加以控制，以使本发明的永磁直线同步电机的控制方法及控制系统能够在转速上升时也能对电机进行弱磁控制，满足电压极限圆的限制，可在不同的电压范围下表现出良好的性能。
29.根据本发明实施例，在步骤s1中，可以通过传感器检测所述永磁直线同步电机的当前实际转速。
30.在一些实施例中，所述传感器可以是位移传感器或速度传感器。
31.在一些实施例中，所述位移传感器可以包括直线光栅尺。进一步地，所述直线光栅尺检测所述永磁直线同步电机的动子实时位移。更进一步地，所述直线光栅尺根据所述动子实时位移得到所述永磁直线同步电机的当前实际转速。
32.在一些实施例中，所述检测所述永磁直线同步电机的当前实际转速，包括：
33.采用传感器检测所述永磁直线同步电机的动子位置；
34.基于所述动子位置计算得到所述当前实际转速。
35.在一些实施例中，所述速度传感器可以包括测速编码器，以直接检测得到所述永磁直线同步电机的当前实际转速。在一些实施例中，所述直线光栅尺或所述测速编码器安装于所述永磁直线同步电机上。
36.在一些实施例中，所述位移传感器或所述速度传感器可以根据所述永磁直线同步电机的当前实际转速得到动子的电角度θ。根据动子的电角度用于将任意坐标系下的参数转换为两相旋转坐标系(包括d轴和q轴)下的参数。如，将逆变器的三相输出电流经过clark变换后得到两相静止坐标系(包括α轴和β轴)下的电流，再根据电角度将两相静止坐标系下的电流变换为两相旋转坐标系下的电流。
37.根据本发明实施例，在步骤s2中的增量滑模控制器，其可以具体实现如下：
38.参见图2，图2示出了根据本发明实施例的增量滑模控制器的示例。如图2所示，设系统的状态变量为其中x(t)为状态变量，x(t)为动子的位置，为x(t)的一阶导数(如，可以是转速)则pmlsm系统的状态空间模型为：
39.40.其中，k
f
为电磁推力常数，m为pmlsm的动子和动子所带负载的总质量，b为粘滞摩擦系数，为x(t)的一阶导数，u(t)为系统的输入信号；
[0041][0042]
假设x(k)＝x(kt)，u(k)＝u(kt)，t为采样时间，将式(1)变化为离散形式，可得离散系统模型为：
[0043]
x(k 1)＝a
c
x(k) b
c
u(k)
ꢀꢀ
(3)
[0044]
其中，x(k 1)为k 1时刻的系统状态，x(k)为k时刻的系统状态，x(k)∈r
n
；u(k)为k时刻的控制输入，u(k)∈r；系数矩阵a
c
∈r
n
×
n
；输入矩阵b
c
∈r
m
。
[0045]
其中，相应矩阵有如下转换关系：
[0046][0047]
其中，τ为时间变量，b
c
可以是a
c
在时刻0-t之间的随时间变换的积分与b
n
的乘积。
[0048]
定义k时刻的跟踪误差为：
[0049]
e'(k)＝x
d
(k)-x(k)
ꢀꢀ
(5)
[0050]
其中，x
d
(k)为k时刻动子的给定位置，x(k)为k时刻的动子位置。
[0051]
则给定位置信号下的系统方程为：
[0052]
x
d
(k 1)＝a
c
x
d
(k) b
c
u(k)
ꢀꢀ
(6)
[0053]
其中，x
d
(k)＝[x
d
(k)δx
d
(k)/t]
t
，δx
d
(k)＝x
d
(k)-x
d
(k-1)。
[0054]
将式(6)与式(3)做差得：
[0055]
e(k 1)＝a
c
e(k) b
c
u(k)
ꢀꢀ
(7)
[0056]
其中，e(k)＝[e'(k)δe'(k)/t]
t
。
[0057]
利用上一时刻k时刻的系统状态e(k)，设计了新的滑模面，如下：
[0058]
s(k 1)＝d
e
e(k 1) f
e
e(k)
ꢀꢀ
(8)
[0059]
其中，d
e
、f
e
为相应的系数矩阵，且d
e
＝[d
1 d2]，f
e
＝[f
1 f2]，d1、d2、f1、f2为待定系数。
[0060]
为了利用上一时刻系统的状态和控制动作来削弱抖振现象，设计的控制律为：
[0061]
u(k)＝u(k-1) u
eq
(k) u
v
(k)
ꢀꢀ
(9)
[0062]
其中，u(k)为k时刻控制律；u(k-1)为k-1时刻的控制律；u
eq
(k)为k时刻等效控制律；u
v
(k)为k时刻切换控制律。
[0063]
等效控制律u
eq
(k)设计为：
[0064]
u
eq
(k)＝-(d
e
b
c
)-1
g(e(k)-e(k-1))
ꢀꢀ
(10)
[0065]
其中，g＝f
e
d
e
a
c
。
[0066]
用饱和函数代替符号函数，得到切换控制律u
v
(k)为：
[0067][0068]
其中，饱和函数sat(
·
)表示为：
[0069][0070]
其中，s(k)为k时刻的滑模面，φ为正常数，且
[0071]
将式(10)、(11)、(12)代入式(9)得到控制律为：
[0072][0073]
其中，增量滑模控制器将系统上一时刻的状态考虑进滑模面的设计中，构造了新的滑模面。设计了增量滑模控制律，将上一时刻的控制动作考虑进了控制率的设计中，使其满足离散滑模控制的条件，并且用饱和函数代替传统的符号函数。
[0074]
当该增量滑模控制器应用于永磁直线同步电机的控制中时，为跟踪误差e’(k)为k时刻的转速误差，k时刻的系统状态e(k)为k时刻的误差矩阵。
[0075]
根据本发明实施例，在步骤s3中，获取所述永磁直线同步电机的当前d轴电流和当前q轴电流，包括：
[0076]
获取所述永磁直线同步电机当前的三相电流；
[0077]
所述三相电流值经过clark变换得到α轴当前电流和β轴当前电流；
[0078]
获取所述永磁直线同步电机的动子位置，并得到动子的电角度；
[0079]
基于所述电角度对所述α轴当前电流和所述β轴当前电流进行park变换得到所述当前d轴电流和所述当前q轴电流。
[0080]
可选地，获取所述永磁直线同步电机当前的三相电流可以包括：采用电流传感器检测所述永磁直线同步电机当前的三相电流。进一步地，所述电流传感器可以包括霍尔检测元件。
[0081]
根据本发明实施例，在步骤s3中，所述基于所述d轴给定电流和所述当前d轴电流得到所述d轴输出电压，以及基于所述q轴给定电流和所述当前q轴电流得到所述q轴输出电压，包括：
[0082]
计算所述d轴给定电流和所述当前d轴电流的d轴电流差，所述d轴电流差经过第一比例积分控制器得到所述d轴输出电压；
[0083]
计算所述q轴给定电流和所述当前q轴电流的q轴电流差，所述q轴电流差经过第二比例积分控制器得到所述q轴输出电压。
[0084]
应了解，所述第一比例积分控制器和所述第二比例积分控制器的参数可以相同，也可以不同，在此不做限制。
[0085]
在一些实施例中，获取所述永磁直线同步电机的动子位置，并得到动子的电角度，包括：
[0086]
采用直线光栅尺检测所述永磁直线同步电机的动子位置；
[0087]
根据所述动子位置计算所述电角度。
[0088]
根据本发明实施例，在步骤s4中，基于所述d轴输出电压和所述q轴输出电压控制所述永磁直线同步电机，包括：
[0089]
获取所述永磁直线同步电机的动子位置，并得到动子的电角度；
[0090]
基于所述电角度对所述d轴输出电压和所述q轴输出电压进行park逆变换得到α轴输出电压和β轴输出电压；
[0091]
所述α轴输出电压和所述β轴输出电压经过svpwm算法生成电机控制信号；
[0092]
所述永磁直线同步电机输入侧的逆变器根据所述电机控制信号控制所述永磁直线同步电机。
[0093]
在一些实施例中，所述电机控制信号为六相输入信号。
[0094]
在一些实施例中，所述永磁直线同步电机的母线电压包括：所述逆变器的输入电压。
[0095]
在一些实施例中，所述逆变器是六相逆变器。在一些实施例中，所述逆变器包括但不限于绝缘栅双击晶体管。
[0096]
参见图3，图3示出了根据本发明实施例的永磁直线同步电机的控制系统的示意性原理图。如图3所示，整流器与交流电源连接，对所述交流电源的交流电压进行整流，得到直流母线电压；逆变器，与所述整流器连接，将所述直流母线电压逆变为驱动交流电压；永磁直线同步电机，与所述逆变器连接，基于所述驱动交流电压进行工作；永磁直线同步电机(pmlsm)的控制系统包括：速度外环和电流内环。
[0097]
其中，所述速度外环包括：通过传感器检测所述永磁直线同步电机的动子实时位移和/或当前实际转速。如图1所示，所述速度外环是将所述永磁直线同步电机的当前实际转速ω作为速度外环的速度反馈值，将当前实际转速ω与给定转速ω
d
之差e输入滑模控制器。
[0098]
同时，将电流内环中的d轴输出电压u
d
和q轴输出电压u
q
和所述永磁直线同步电机的直流母线电压(即整流器的输出电压或逆变器的输入电压)作为滑模控制器的输入，滑模控制器输出两相旋转坐标系下的d轴给定电流i
d﹡
和q轴给定电流i
q﹡
，作为电流内环的参考值。
[0099]
根据本发明实施例的控制系统将直流母线电压和d轴输出电压u
d
和q轴输出电压u
q
进行比较计算，通过滑模控制器来控制d轴给定电流i
d﹡
和q轴给定电流i
q﹡
，达到弱磁控制的效果，使低电压下电机可以正常工作，使得相电压在电压极限圆内。
[0100]
所述电流内环可以使永磁直线同步电机动子线圈中的电流能够快速准确地跟踪给定的电流值，从而控制推力的输出，实现快速响应、高性能的控制要求，其包括：如图1所示，通过电流传感器检测所述逆变器输出的三相电流。该逆变器输出的所述三相电流值经过clark变换得到两相静止坐标系下的α轴当前电流i
α
和β轴当前电流i
β
；然后，基于所述电角度θ对所述α轴当前电流i
α
和所述β轴当前电流i
β
进行park变换得到两相旋转坐标系下的所述当前d轴电流i
d
和所述当前q轴电流i
q
。
[0101]
所述当前d轴电流i
d
和所述当前q轴电流i
q
与滑模控制器输出的两相旋转坐标系下的d轴给定电流i
d﹡
和q轴给定电流i
q
﹡之差经过pi(比例积分)控制器调节，输出两相旋转坐
标系下的d轴输出电压u
d
和q轴输出电压u
q
。d轴输出电压u
d
和q轴输出电压u
q
经过park逆变换得到两相静止坐标系下的α轴输出电压u
α
和β轴输出电压u
β
。最后，通过α轴输出电压u
α
和β轴输出电压u
β
计算出电压矢量，判断电压矢量的矢量角以及矢量大小得到电压矢量所在扇区，并经过空间矢量脉宽调制(svpwm)算法输出pwm控制信号(如六相pwm控制信号)，以驱动永磁直线同步电机。
[0102]
根据本发明实施例，还提供了一种车辆，参见图4，图4示出了根据本发明实施例的车辆的示意性框图，所述车辆4包括：永磁直线同步电机41；
[0103]
以及根据发明实施例的永磁直线同步电机的控制系统42。
[0104]
其中，传统的车辆中使用同步电机必然会增加减速器、变速机构等一系列传动机构，将使得轮轨之间还存在摩擦，同时传统机械构件间的摩擦增加了系统的损耗。而根据本发明实施例的永磁直线同步电机的滑模控制方法和系统采用永磁直线同步电机直接驱动车辆，省去了多余的传动机构，减小了机构间的摩擦。
[0105]
综上所述，根据本发明实施例的永磁直线同步电机的控制方法及其系统、车辆，以永磁直线同步电机为控制对象，将转速误差及其他参数输入增量滑模控制器，利用所述永磁直线同步电机控制系统的上一时刻的状态对所述控制系统进行增量滑模控制，而上一时刻的状态中包含了系统不确定因素造成的各种误差，将上一时刻的状态引入当前时刻对控制系统的控制中，上一时刻的控制系统中又引入了上上一时刻的状态，依次类推，减弱了不确定因素对系统的累积影响，大大削弱了滑模控制的抖振现象，增强了系统的鲁棒性，使控制性能更加精确。
[0106]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0107]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式或对具体实施方式的说明，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。