一种多相容错型磁通切换永磁电机反步滑模控制方法

技术领域

本发明涉及同步电机技术领域，具体涉及一种同步电机的励磁控制装置及使用方法。

背景技术

随着稀土永磁材料技术的进步以及在电机制造中的应用，电机制造越来越先进，各种电机层出不穷，永磁电机由于其性能优越，被广泛应用于各行各业。近年来发展起来的磁通切换永磁(Flux-switching permanent–magnet，FSPM)电机，由于其永磁体安装于定子上，易于冷却，降低永磁体过热所引起的退磁风险，FSPM电机不仅具有转子永磁电机那样的高效率和高功率密度，而且转子结构简单，机械完整性好，易于磁体散热，克服了传统无刷电机转子内有磁体的缺点，适合高速运行，具有广阔的发展前景。在某些特殊场合，电机的高可靠性显得越来越重要。目前，三相电动机在各个行业都有着积极的作用。但仍存在一些不足，三相永磁电机在故障情况下无法继续运行，整个电机系统的可靠性无法保证。相数的增加使多相电机可以提供比三相电机更多的控制自由度，采用全桥驱动，可以提高控制性能，减小转矩脉动的幅值，实现低压大功率。多相永磁电机具有效率高、密度高、相数冗余等优点，广泛应用于船舶推进、风力发电、电动汽车、航空航天和军事装备等领域。同时，逆变技术的发展也使多相逆变系统的实现成为可能。对于多相电机，通过增加容错齿，相数冗余保证了电机在发生一相或两相故障的情况下，实现无故障运行和高可靠性。

为了使FSPM电机获得理想的性能，大多数控制策略都是基于系统的精确数学模型，但由于永磁电机参数不确定、负载变化、摩擦非线性、外界干扰、强耦合等原因，是一个强非线性系统，建模困难，控制性能得不到保证。因此，线性控制方案很难获得高性能。随着制造技术和计算机处理速度的进步，各种先进的智能算法被引入调节电机系统。与其他方法相比，滑模方法对系统干扰和参数变化具有较高的鲁棒性，但滑模面存在抖振，这是需要解决的问题，在永磁电机的滑模控制中，一类是针对系统参数变化的不确定性，采用低通滤波器和转子位置的补偿来减少抖振，切换函数通常为符号函数、饱和函数或者S函数，采用非线性、高阶终端滑模、非奇异滑模等，并进行干扰补偿，提高系统的动态性能和追踪精度，并对干扰观测器进行前馈补偿。另一类是采用无位置传感器技术，通过高速滑模观测器，由反电动势来估计转子位置、角速度，或者采用迭代滑模算法估计转子的速度和位置。为了提高鲁棒性和跟踪精度，提出了自适应反步观测器和积分器，但也存在静态误差和较大的速度超调，反步法与滑模控制相结合已成为不确定非线性系统研究的热点之一。

发明内容

本发明提供了一种多相容错型磁通切换永磁电机反步滑模控制方法，以解决现有技术中采用传统矢量控制中存在的速度响应慢、跟随性能低的技术问题。

本发明提供了一种多相容错型磁通切换永磁电机反步滑模控制方法，包括如下步骤：

步骤1：采集多相定子电流，根据多相定子电流获取电机实际解耦合后的d-q轴电流，作为反步控制器的输入量；

步骤2：采集永磁电机的电机实时位置角度，根据电机实时位置角度计算电机实时角速度，将电机给定角速度与电机实时角速度的电机角速度差值作为反步控制器的输入量；

将电机实时角速度、电机实时位置角度、电机期望位置角度、永磁电机的扰动量作为自适应滑模控制器的输入量，自适应滑模控制器根据输入量形成输出控制量，作为反步控制器的输入；

步骤3：反步控制器根据自适应滑模控制器的输出控制量、电机角速度差值、输入的d轴参考电流、电机实际解耦合后的d-q轴电流，产生d-q轴电压u

步骤4：将d-q轴电压u

步骤5：根据参考电压矢量分量驱动电机运行。

进一步地，所述步骤1中根据多相定子电流获取电机实际耦合后的d-q轴电流，具体为：

多相定子电流经多相/两相静止坐标变换后得到α-β轴电流分量i

所述步骤4中将d-q轴电压u

进一步地，所述永磁电机的扰动量包括：电感、磁场以及电流变化引起的扰动A的变化量ΔA，

其中，J为转动惯量、ψ

摩擦系数变化量ΔB；电机负载干扰引起转矩的变化量ΔT

进一步地，所述步骤2中自适应滑模控制器根据输入量形成的输出控制量，具体公式如下：

其中，u为输出控制量；θ

其中，ω为转子角速度；T

进一步地，所述虚拟控制量x

进一步地，所述步骤5中将参考电压矢量分量经过2/5变换后输入SVPWM调制模块，产生调制波发送给多相逆变器，驱动电机运行。

进一步地，所述步骤3中输入的d轴参考电流i

本发明的有益效果：

针对多相容错型磁通切换永磁电机，提出了一种新的基于反步方法的滑模控制策略(B-SMC)，设计了根据反步控制率计算的自适应滑模控制器的输出控制量u和虚拟控制变量x

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为针对FT-FSPM的五相容错型磁通切换永磁电机反步滑模控制方法系统框图；

图2为FT-FSPM电机绕组结构图；

图3为负载从5N.m升为7.5N.m时的波形图；

图4为负载从5N.m降为2.5N.m时的波形图；

图5为速度突增和突降时的跟踪波形图；

图6为速度突增和突降时的转子位置跟踪波形图；

图7为电流i

图8为转子位置角测量波形图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明具体实施例采用如图2所示的五相容错式磁通切换永磁电动机(FT-FSPM)为例，如图1所示，针对FT-FSPM的五相容错型磁通切换永磁电机反步滑模控制方法，包括如下步骤：

步骤S1：FT-FSPM驱动采用的是i

FT-FSPM五相电流表示为：

其中，I

通过坐标变换得到简化的FT-FSPM数学模型，实现电机系统的降阶、解耦和线性化。这里只考虑电机绕组的基波磁链。通过五相/两相静止坐标变换和两相静止/两相旋转坐标系变换，d-q轴电流i

步骤S2：运用光电编码器获取FT-FSPM电动机的电机实时位置角度θ，电机实时位置角度θ微分后可以计算出电机实时角速度ω，将电机给定角速度与电机实时角速度的电机角速度差值作为反步控制器的输入量；

在设计反步控制器时，根据反步控制的思想，首先是速度子系统，设计第一个Lyapunov函数：

针对电机本身参数的变化和外界干扰，设计了自适应滑模控制器，用于逼近不确定项，在进行自适应反步滑模控制律u设计时，引入第三个Lyapunov函数：

将电机实时角速度、电机实时位置角度、电机期望位置角度、永磁电机的扰动量作为自适应滑模控制器的输入量，其中永磁电机的扰动量包括：电感、磁场以及电流变化引起的扰动A的变化量ΔA，

其中，J为转动惯量、ψ

其中，θ

其中，ω为转子角速度；T

为减少滑模抖振，引入一阶线性滑动开关函数η，形式如下：

η＝kx

总不确定度项F自适应律设计为：

自适应滑模控制器的输出u作为反步控制器的输入；

步骤S3：反步控制器根据自适应滑模控制器的输出控制量、输入的d轴参考电流i

步骤S4：将d-q轴电压u

步骤S5：根据参考电压矢量分量驱动电机运行。

所述步骤4中将d-q轴电压u

为了验证发明闭环系统的稳定性，设计了三个Lyapunov函数。

对于速度子系统，根据稳定性原理，定义第一个Lyapunov函数：

虚拟控制项

式(2)中除了速度项，还有当前项，所以当前控制项的期望值定义为：

当i

为了消除控制中q轴电流误差导数项，使系统趋于稳定，定义第二个Lyapunov函数为：

导数为：

为了保证电流环的全局渐近稳定性，将d-q轴控制电压设计为：

式(6)代入式(5)，得到

其中k，k

本发明反步控制率u的设计考虑了外界干扰给电机本身参数带来的变化，设计了第三个Lyapunov函数来验证，第三个Lyapunov函数为：

微分得到：

式中γ为正常数，

将反步控制率u和自适应率：

定义

通过取正常系数h，c

为了验证该算法的有效性，在matlab/simulink中建立了系统仿真模型。五相10/19FT-FSPM电动机样机参数如下：额定功率P＝1.8KW，相电压U＝200V，额定转速n＝600rpm，额定转矩T

建议的BSMC参数选择如下：

η＝0.3，β＝1.5，γ＝12，μ＝0.1，k

为了测试控制器对负载扰动变化的鲁棒性，参考速度为ω*＝600rmp。在两种不同的情况下进行了仿真。第一种情况，在t＝0.2s时，负载转矩T

从图3和图4可以看出，在起动瞬间，仿真结果表明，在t＝0.01s的时间段内，速度响应可以很快地跟踪参考速度，但SMC滞后0.05s。与SMC相比，B-SMC方法的速度超调可以从10％降到7.5％。滑模控制使电流i

为了测试该算法在变速情况下的速度跟踪性能，在0.25s内，速度分别从600rpm增加到800rpm、600rpm下降到400rpm。如图5和图6所示，图5(a)、图6(a)为速度突增曲线；图5(b)、图6(b)为速度突降曲线。采用本发明方法，响应速度快，跟踪误差小。从转子位置角仿真可以看出，位置角可以反映转速的变化。

为了进一步验证B-SMC的可行性，搭建了FT-FSPM控制实验平台，实验平台包括DSP2812芯片、三菱IPM、2048线光电编码器、霍尔传感器、传递转矩传感器，并以直流电机作为负载。试验结果如下：

电流i

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。