一种基于改进滑膜观测器的PMSM无感控制系统及其工作方法

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一种基于改进滑膜观测器的pmsm无感控制系统及其工作方法
技术领域
1.本发明属于电机驱动技术领域，更具体地，涉及一种基于改进滑膜观测器的永磁同步电机(permanent-magnet synchronous motor，简称pmsm)无感控制系统及其工作方法。

背景技术：

2.受外界环境等多重因素的影响，常规电机控制所采用的有感控制策略受到了一定的约束，故无需机械传感器便可得到电机的角度和速度等信息的无感控制策略愈发成为了研究热点，其中滑膜无感控制策略究其结构简单、鲁棒性高、抗扰性强等特点成为了无感控制策略中最为常见的逻辑算法。
3.滑膜无感控制策略的实现流程可大致分为：1、将两相静止坐标系下的电压分量和电流分量输入逻辑框图；2、通过输入参数的数学模型搭建循环网络，得到观测信息；3、将观测信息进行自适应滤波处理，输出观测反电动势；4、将观测反电动势进行锁相环处理，得到电机的角度和速度信息。
4.然而，上述现有滑膜观测器控制策略具有一些不可忽略的缺陷：第一、滑模面切换函数陡变，导致系统抖振现象加剧；第二、直接提取仅经过一阶滤波处理后的观测值，导致系统观测精度低下；第三、采用反正切函数直接提取角度和速度信息，系统误差被直接放大，导致系统抖振现象加剧；第四、采用常规pi作为电机外环处理，不具有时变性，导致系统运行过程缓慢。

技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于改进滑膜观测器的pmsm无感控制系统及其工作方法，其目的在于，解决现有滑膜观测器控制策略由于滑模面切换函数陡变，导致系统抖振现象加剧的技术问题，以及由于其直接提取仅经过一阶滤波处理后的观测值，导致系统观测精度低下的技术问题，以及由于采用反正切函数直接提取角度和速度信息，系统误差被直接放大，导致系统抖振现象加剧的技术问题，以及由于其采用常规pi作为电机外环处理，不具有时变性，从而导致系统运行过程缓慢的技术问题。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于改进滑膜观测器的pmsm控制系统，包括电流采样模块、clark变换模块、park变换模块、改进滑膜观测器、第一pi控制器、第二pi控制器、第三pi控制器、anti-park模块、空间矢量脉宽调制svpwm模块、以及逆变器模块，电流采样模块分别连接clark变换模块和逆变器模块，用于采集pmsm在三相静止坐标系(即abc轴)下的相电流ia和ib；
7.clark变换模块分别连接park变换模块和改进滑膜观测器，用于对电流采样模块得到的pmsm在三相静止坐标系下的相电流ia和ib进行clark 变换处理，以分别得到pmsm在两相静止坐标系下的相电流i
alpha
和 i
beta
。
8.park变换模块分别连接第二pi控制器和第三pi控制器，用于对clark 变换模块得
到的两相静止坐标系下的相电流i
alpha
和i
beta
进行park变换处理，以分别得到pmsm在两相旋转坐标系下的相电流i
do
和i
qo
；
9.改进滑膜观测器连接第一pi控制器，用于对clark变换得到的两相静止坐标系下的相电流i
alpha
和i
beta
以及anti-park变换得到的pmsm在两相静止坐标系下的相电压u
alpha
和u
beta
进行处理，以分别得到pmsm的观测角度θ和观测角速度ω
eo
；
10.第一pi控制器连接第二pi控制器，用于对pmsm的目标速度n
ref
和改进滑膜观测器的观测角速度ω
eo
的差值以及差值的变化量进行pi处理，以得到pmsm在交轴下的目标电流值i
qref
；
11.第二pi控制器连接anti-park变换模块，用于对pmsm在直轴下的目标电流i
dref
和pmsm在两相旋转坐标系下的相电流i
do
的差值进行pi处理，以得到pmsm在直轴下的目标电压值ud；
12.第三pi控制器连接anti-park变换模块，用于对pmsm在交轴下的目标电流值i
qref
和pmsm在两相旋转坐标系下的相电流i
qo
的差值进行pi处理，以得到pmsm在交轴下的目标电压值uq；
13.anti-park变换模块连接svpwm模块，用于对第二pi控制器得到的 pmsm在直轴下的目标电压值ud和第三pi控制器得到的pmsm在交轴下的目标电压值uq进行anti-park变换处理，以得到pmsm在两相静止坐标系下的相电压u
alpha
和u
beta
；
14.svpwm模块连接逆变器模块，用于根据anti-park变换模块得到的 pmsm在两相静止坐标系下的相电压u
alpha
和u
beta
、以及改进滑膜观测器得到的观测角度θ获取目标脉冲信号，并通过该目标脉冲信号控制逆变器模块，进而实现对pmsm的矢量控制。
15.总体而言，通过本发明所构思的以上系统与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
16.(1)本发明的系统由于采用了双曲正切函数替代了传统滑膜观测器的开关函数作为滑膜面的切换函数，其在滑模面附件的切换具有平滑性。因此能够解决传统滑膜观测器中由开关函数所导致的切换面陡变，系统抖振现象加剧的技术问题；
17.(2)本发明的系统由于采用了自适应滑膜观测器进行二阶滤波处理，其提升了系统观测值的精度和自适应率，因此能够解决传统滑膜观测器中观测精度低下的技术问题；
18.(3)本发明的系统由于采用了锁相环替代了传统滑膜观测器的反正切函数作为电机的角度和速度信息提取策略，其优化了噪声的直接影响，增强了抗扰性能，因此能够解决传统滑膜观测器中的噪声影响和抗扰性能的技术问题；
19.(4)本发明的系统由于采用了模糊pi替代了传统滑膜观测器的常规 pi作为电机外环控制，其提升了系统自适应性，因此能够解决电机控制过程中系统参数时变的技术问题。
20.按照本发明的另一方面，提供了一种上述基于改进滑膜观测器的 pmsm无感控制系统的工作方法，包括以下步骤：
21.(1)通过电流采样模块采集pmsm在三相静止坐标系(即abc轴)下的相电流ia和ib；
22.(2)通过clark变换模块对步骤(1)得到的pmsm在三相静止坐标系下的相电流ia和ib进行clark变换处理，以得到pmsm在两相静止坐标系下的相电流i
alpha
和i
beta
。
23.(3)判断是否需要启动无感控制，若是则转入步骤(4)，否则 pmsm停止运行，过程
结束；
24.(4)通过改进滑膜观测器根据步骤(2)得到pmsm在两相静止坐标系下的相电流i
alpha
和i
beta
、以及anti-park变换模块得到的pmsm在两相静止坐标系下的相电压u
alpha
和u
beta
获取pmsm的观测角度θ和观测角速度ω
eo
。
25.(5)通过park变换模块对步骤(2)得到的pmsm在两相静止坐标系下d相电流i
alpha
和i
beta
、以及步骤(4)得到的pmsm的观测角度θ进行park变换处理，以得到pmsm在两相旋转坐标系下的相电流i
do
和i
qo
；
26.(6)通过第一pi控制器对pmsm的目标速度n
ref
和改进滑膜观测器的观测角速度ω
eo
的差值以及差值的变化量进行模糊pi处理，以得到pmsm在交轴下的目标电流值i
qref
；
27.(7)通过第三pi控制器对步骤(6)得到的pmsm在交轴下的目标电流值i
qref
和步骤(5)得到的pmsm在两相旋转坐标系下的相电流i
qo
的差值进行pi处理，以得到pmsm在交轴下的目标电压值uq；同时通过第二pi控制器对pmsm在直轴下的目标电流值i
dref
和步骤(5)得到的 pmsm在两相旋转坐标系下的相电流i
do
的差值进行pi处理，以得到 pmsm在直轴下的目标电压值ud；
28.(8)通过anti-park变换模块对步骤(7)得到的pmsm在交直轴下的目标电压值uq和ud、以及步骤(4)得到的pmsm的观测角度θ进行 anti-park变换处理，以得到pmsm在两相静止坐标系下的相电压u
alpha
和 u
beta
；
29.(9)通过svpwm模块对步骤(8)得到的pmsm在两相静止坐标系下的相电压u
alpha
和u
beta
进行矢量脉冲宽度调制处理，以获取目标脉冲信号，并通过该目标脉冲信号控制逆变器模块，进而实现对pmsm的矢量控制；
30.(10)判断pmsm的目标速度n
ref
是否变为0，若是则过程结束，否则返回步骤(1)。
31.优选地，步骤(4)包括以下子步骤：
32.(4-1)根据pmsm在两相静止坐标系下的相电流i
alpha
和i
beta
、以及 pmsm在两相静止坐标系下的相电压u
alpha
和u
beta
建立电流状态方程；
33.(4-2)使用双曲正切函数对常规滑膜观测器的开关函数进行替换处理，以得到改进滑膜观测器，并利用该改进滑膜观测器对步骤(4-1)得到的电流状态方程进行重构处理，以得到改进滑膜观测器的电流观测状态方程；
34.(4-3)对步骤(4-2)得到的电流观测状态方程和步骤(4-1)得到的电流状态方程进行求差值处理，以得到电流误差状态方程；
35.(4-4)根据步骤(4-3)得到的电流误差状态方程获得滑膜运动过程中的点到达滑模面时的反电动势误差状态方程；
36.(4-5)对步骤(4-4)得到的反电动势误差状态方程创建自适应观测器及其观测器状态方程；
37.(4-6)对步骤(4-5)得到的反电动势观测值e
alphae
、e
betae
进行锁相环处理，以得到观测角度θ和观测角速度ω
eo
。
38.优选地，步骤(4-1)建立的电流状态方程是如下式(1)所示：
39.40.其中，l为pmsm中定子的电感值；r为pmsm中定子的电阻； e
alpha
和e
beta
为pmsm中的定子在两相静止坐标系下的扩展反电动势，且满足下式(2)：
[0041][0042]
其中，ωe为pmsm中转子的角速度；ψf为pmsm中定子的磁链；θe为pmsm中转子的电角度。
[0043]
优选地，步骤(4-2)中的电流观测状态方程如下式(3)所示：
[0044][0045]
其中，i
alphao
、i
betao
分别为pmsm中的定子在两相静止坐标系下的电流观测分量；e
alphao
和e
betao
为pmsm中的定子在两相静止坐标系下的反电动势分量，且有e
alphao
＝-ωeψ
f sin(θ
eo
)，e
betao
＝ωeψ
f cos(θ
eo
)，θ
eo
表示pmsm中转子的观测电角度；l为自适应滑膜观测器的增益系数，其具体等于350，k为预设的滑膜增益系数，其具体等于200；s表示输入的状态量；k为负常数，且满足量；k为负常数，且满足其中i
alphae
和i
betae
分别为pmsm中的定子在两相静止坐标系下的电流误差分量，且有i
alphae
＝i
alphao
‑ꢀialpha
、i
betae
＝i
betao-i
beta
；e
alphae
、e
betae
分别为pmsm中的定子在两相静止坐标系下的反电动势误差分量。
[0046]
优选地，步骤(4-3)中的电流误差状态方程如下式(4)所示：
[0047][0048]
优选地，步骤(4-4)得到的反电动势误差状态方程如下式(5)所示：
[0049][0050]
优选地，步骤(4-5)中的观测器状态方程如下式(6)所示：
[0051][0052]
其中，ω
ee
为pmsm中转子的误差电角度。
[0053]
总体而言，通过本发明所构思的以上工作方法与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0054]
(1)本发明的方法由于采用了步骤(3)，其通过判断是否启动无感控制，简化了外
围设备的硬件成本和功能。因此能够解决电机控制过程中的启动与制停的技术问题；
[0055]
(2)本发明的方法由于采用了步骤(4)和步骤(4-2)，其采用了双曲正切函数替代了传统滑膜观测器的开关函数作为滑膜面的切换函数，其在滑模面附件的切换具有平滑性。因此能够解决传统滑膜观测器中由开关函数所导致的切换面陡变，系统抖振现象加剧的技术问题；
[0056]
(3)本发明的方法由于采用了步骤(4)和步骤(4-5)，其采用了自适应滑膜观测器进行二阶滤波处理，其提升了系统观测值的精度和自适应率。因此能够解决传统滑膜观测器中观测精度低下的技术问题；
[0057]
(4)本发明的方法由于采用了步骤(4)和步骤(4-6)，其采用了锁相环替代了传统滑膜观测器的反正切函数作为电机的角度和速度信息提取策略，其优化了噪声的直接影响，增强了抗扰性能。因此能够解决传统滑膜观测器中的噪声影响和抗扰性能的技术问题；
[0058]
(5)本发明的方法由于采用了步骤(6)，其采用了模糊pi替代了传统滑膜观测器的常规pi作为电机外环控制，其提升了系统自适应性。因此能够解决电机控制过程中系统参数时变的技术问题；
[0059]
(6)本发明的方法由于采用了步骤(10)，其通过判断目标转速是否为零，决定循环是否结束。因此能够解决运行速度慢、消耗时间长、数据臃肿冗长的技术问题。
附图说明
[0060]
图1是本发明基于改进滑膜观测器的pmsm控制系统的示意框图；
[0061]
图2是本发明基于改进滑膜观测器的pmsm无感控制系统的工作方法的流程示意图；
[0062]
图3是本发明工作方法的步骤(4-6)中锁相环处理的示意图。
具体实施方式
[0063]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0064]
如图1所示，本发明提供了一种基于改进滑膜观测器的pmsm控制系统，包括电流采样模块、clark变换模块、park变换模块、改进滑膜观测器、第一pi控制器、第二pi控制器、第三pi控制器、anti-park模块、空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation，简称svpwm)模块、以及逆变器模块。
[0065]
电流采样模块分别连接clark变换模块和逆变器模块，用于采集表贴式永磁同步电机pmsm在三相静止坐标系(即abc轴)下的相电流ia和 ib；
[0066]
clark变换模块分别连接park变换模块和改进滑膜观测器，用于对电流采样模块得到的pmsm在三相静止坐标系下的相电流ia和ib进行clark 变换处理，以分别得到pmsm在两相静止坐标系(即αβ轴)下的相电流 i
alpha
和i
beta
；
[0067]
park变换模块分别连接第二pi控制器和第三pi控制器，用于对clark 变换模块得到的两相静止坐标系下的相电流i
alpha
和i
beta
进行park变换处理，以分别得到pmsm在两相旋
转坐标系(即dq轴)下的相电流i
do
和 i
qo
；
[0068]
改进滑膜观测器连接第一pi控制器，用于对clark变换得到的两相静止坐标系下的相电流i
alpha
和i
beta
以及anti-park变换得到的pmsm在两相静止坐标系下的相电压u
alpha
和u
veta
进行处理，以分别得到pmsm的观测角度θ和观测角速度ω
eo
；
[0069]
第一pi控制器连接第二pi控制器，用于对pmsm的目标速度n
ref
和改进滑膜观测器的观测角速度ω
eo
的差值以及差值的变化量进行pi处理，以得到pmsm在交轴下的目标电流值i
qref
；
[0070]
第二pi控制器连接anti-park变换模块，用于对pmsm在直轴下的目标电流i
dref
和pmsm在两相旋转坐标系下的相电流i
do
的差值进行pi处理，以得到pmsm在直轴下的目标电压值ud；
[0071]
第三pi控制器连接anti-park变换模块，用于对pmsm在交轴下的目标电流值i
qref
和pmsm在两相旋转坐标系下的相电流i
qo
的差值进行pi处理，以得到pmsm在交轴下的目标电压值uq；
[0072]
anti-park变换模块连接svpwm模块，用于对第二pi控制器得到的 pmsm在直轴下的目标电压值ud和第三pi控制器得到的pmsm在交轴下的目标电压值uq进行anti-park变换处理，以得到pmsm在两相静止坐标系(αβ轴)下的相电压u
alpha
和u
beta
；
[0073]
svpwm模块连接逆变器模块，用于根据anti-park变换模块得到的 pmsm在两相静止坐标系(αβ轴)下的相电压u
alpha
和u
beta
、以及改进滑膜观测器得到的观测角度θ获取目标脉冲信号，并通过该目标脉冲信号控制逆变器模块，进而实现对pmsm的矢量控制。
[0074]
如图2所示，本发明还提供了一种上述基于改进滑膜观测器的pmsm 无感控制系统的工作方法，包括以下步骤：
[0075]
(1)通过电流采样模块采集pmsm在三相静止坐标系(即abc轴)下的相电流ia和ib；
[0076]
(2)通过clark变换模块对步骤(1)得到的pmsm在三相静止坐标系下的相电流ia和ib进行clark变换处理，以得到pmsm在两相静止坐标系(即αβ轴)下的相电流i
alpha
和i
beta
；
[0077]
(3)判断是否需要启动无感控制，若是则转入步骤(4)，否则 pmsm停止运行，过程结束；
[0078]
本步骤(3)的优点在于，可通过判断是否启动无感控制策略方法，进而控制电机的运行与停止状态。
[0079]
(4)通过改进滑膜观测器根据步骤(2)得到pmsm在两相静止坐标系下的相电流i
alpha
和i
beta
、以及anti-park变换模块得到的pmsm在两相静止坐标系下的相电压u
alpha
和u
beta
获取pmsm的观测角度θ和观测角速度ω
eo
。
[0080]
需要说明的是，anti-park变换模块得到的pmsm在两相静止坐标系下的相电压u
alpha
和u
beta
的初始值均为零；
[0081]
(5)通过park变换模块对步骤(2)得到的pmsm在两相静止坐标系下d相电流i
alpha
和i
beta
、以及步骤(4)得到的pmsm的观测角度θ进行park变换处理，以得到pmsm在两相旋转坐标系(即dq轴)下的相电流i
do
和i
qo
；
[0082]
(6)通过第一pi控制器对pmsm的目标速度n
ref
和改进滑膜观测器的观测角速度ω
eo
的差值以及差值的变化量进行模糊pi处理，以得到 pmsm在交轴下的目标电流值i
qref
；
[0083]
本步骤(6)的优点在于，采用模糊pi作为电机外环控制，增强了系统运行的自适应
性和时变性。
[0084]
(7)通过第三pi控制器对步骤(6)得到的pmsm在交轴下的目标电流值i
qref
和步骤(5)得到的pmsm在两相旋转坐标系下的相电流i
qo
的差值进行pi处理，以得到pmsm在交轴下的目标电压值uq；同时通过第二pi控制器对pmsm在直轴下的目标电流值i
dref
和步骤(5)得到的 pmsm在两相旋转坐标系下的相电流i
do
的差值进行pi处理，以得到 pmsm在直轴下的目标电压值ud；
[0085]
需要说明的是，本发明采用i
dref
＝0的矢量控制策略；
[0086]
(8)通过anti-park变换模块对步骤(7)得到的pmsm在交直轴下的目标电压值uq和ud、以及步骤(4)得到的pmsm的观测角度θ进行 anti-park变换处理，以得到pmsm在两相静止坐标系下的相电压u
alpha
和u
beta
；
[0087]
(9)通过svpwm模块对步骤(8)得到的pmsm在两相静止坐标系下的相电压u
alpha
和u
beta
进行矢量脉冲宽度调制处理，以获取目标脉冲信号，并通过该目标脉冲信号控制逆变器模块，进而实现对pmsm的矢量控制；
[0088]
(10)判断pmsm的目标速度n
ref
是否变为0，若是则过程结束，否则返回步骤(1)；
[0089]
本步骤(10)的优点在于，通过判断目标转速是否为零，决定循环是否结束。因此能够解决运行速度慢、消耗时间长、数据臃肿冗长的技术问题。
[0090]
具体而言，步骤(4)包括以下子步骤：
[0091]
(4-1)根据pmsm在两相静止坐标系下的相电流i
alpha
和i
beta
、以及 pmsm在两相静止坐标系下的相电压u
alpha
和u
beta
建立电流状态方程，如下式(1)所示：
[0092][0093]
其中，l为pmsm中定子的电感值；r为pmsm中定子的电阻； e
alpha
和e
beta
为pmsm中的定子在两相静止坐标系下的扩展反电动势，且满足下式(2)：
[0094][0095]
其中，ωe为pmsm中转子的角速度；ψf为pmsm中定子的磁链；θe为pmsm中转子的电角度；
[0096]
(4-2)使用双曲正切函数对常规滑膜观测器的开关函数进行替换处理，以得到改进滑膜观测器，并利用该改进滑膜观测器对步骤(4-1)得到的电流状态方程进行重构处理，以得到改进滑膜观测器的电流观测状态方程，如下式(3)所示：
[0097][0098]
其中，i
alphao
、i
betao
分别为pmsm中的定子在两相静止坐标系下的电流观测分量；e
alphao
和e
betao
为pmsm中的定子在两相静止坐标系下的反电动势分量，且有e
alphao
＝-ωeψ
f sin(θ
eo
)，e
betao
＝ωeψ
f cos(θ
eo
)，θ
eo
表示pmsm中转子的观测电角度；k为预设的滑膜增益系
数，其具体等于200；s表示输入的状态量；k为负常数，且满足数，其具体等于200；s表示输入的状态量；k为负常数，且满足其中i
alphae
和i
betae
分别为pmsm中的定子在两相静止坐标系下的电流误差分量，且有 i
alphae
＝i
alphae-i
alphae
、i
betae
＝i
betao-i
beta
；e
alphae
、e
betae
分别为 pmsm中的定子在两相静止坐标系下的反电动势误差分量；
[0099]
本步骤(4-2)的优点在于，采用了双曲正切函数替代了传统滑膜观测器的开关函数作为滑膜面的切换函数，其在滑模面附件的切换具有平滑性。因此能够解决传统滑膜观测器中由开关函数所导致的切换面陡变，系统抖振现象加剧的技术问题。
[0100]
(4-3)对步骤(4-2)得到的电流观测状态方程和步骤(4-1)得到的电流状态方程进行求差值处理，以得到电流误差状态方程，如下式(4) 所示：
[0101][0102]
(4-4)根据步骤(4-3)得到的电流误差状态方程获得滑膜运动过程中的点到达滑模面时的反电动势误差状态方程(此时公式(4)中i
alphae
、 i
betae
都等于0)，如下式(5)所示：
[0103][0104]
(4-5)对步骤(4-4)得到的反电动势误差状态方程创建自适应观测器及其观测器状态方程，如下式(6)所示：
[0105][0106]
其中，ω
ee
为pmsm中转子的误差电角度(即电角度的误差量)；l为自适应滑膜观测器的增益系数，其具体等于350。
[0107]
本步骤(4-5)的优点在于，采用了自适应滑膜观测器进行二阶滤波处理，其提升了系统观测值的精度和自适应率。因此能够解决传统滑膜观测器中观测精度低下的技术问题。
[0108]
(4-6)对步骤(4-5)得到的反电动势观测值e
alphao
、e
betao
进行锁相环处理(其实现框图如图3所示)，以得到观测角度θ和观测角速度ω
eo
。
[0109]
本步骤(4-6)的优点在于，采用了锁相环替代了传统滑膜观测器的反正切函数作为电机的角度和速度信息提取策略，其优化了噪声的直接影响，增强了抗扰性能。因此能够解决传统滑膜观测器中的噪声影响和抗扰性能的技术问题。
[0110]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于改进滑膜观测器的pmsm控制系统，包括电流采样模块、clark变换模块、park变换模块、改进滑膜观测器、第一pi控制器、第二pi控制器、第三pi控制器、anti-park模块、空间矢量脉宽调制svpwm模块、以及逆变器模块，其特征在于，电流采样模块分别连接clark变换模块和逆变器模块，用于采集pmsm在三相静止坐标系(即abc轴)下的相电流i
a
和i
b
；clark变换模块分别连接park变换模块和改进滑膜观测器，用于对电流采样模块得到的pmsm在三相静止坐标系下的相电流i
a
和i
b
进行clark变换处理，以分别得到pmsm在两相静止坐标系下的相电流i
alpha
和i
beta
。park变换模块分别连接第二pi控制器和第三pi控制器，用于对clark变换模块得到的两相静止坐标系下的相电流i
alp
和i
beta
进行park变换处理，以分别得到pmsm在两相旋转坐标系下的相电流i
do
和i
qo
；改进滑膜观测器连接第一pi控制器，用于对clark变换得到的两相静止坐标系下的相电流i
alpha
和i
beta
以及anti-park变换得到的pmsm在两相静止坐标系下的相电压u
alpha
和u
beta
进行处理，以分别得到pmsm的观测角度θ和观测角速度ω
eo
；第一pi控制器连接第二pi控制器，用于对pmsm的目标速度n
ref
和改进滑膜观测器的观测角速度ω
eo
的差值以及差值的变化量进行pi处理，以得到pmsm在交轴下的目标电流值i
qref
；第二pi控制器连接anti-park变换模块，用于对pmsm在直轴下的目标电流i
dref
和pmsm在两相旋转坐标系下的相电流i
do
的差值进行pi处理，以得到pmsm在直轴下的目标电压值u
d
；第三pi控制器连接anti-park变换模块，用于对pmsm在交轴下的目标电流值i
qref
和pmsm在两相旋转坐标系下的相电流i
qo
的差值进行pi处理，以得到pmsm在交轴下的目标电压值u
q
；anti-park变换模块连接svpwm模块，用于对第二pi控制器得到的pmsm在直轴下的目标电压值u
d
和第三pi控制器得到的pmsm在交轴下的目标电压值u
q
进行anti-park变换处理，以得到pmsm在两相静止坐标系下的相电压u
alpha
和u
beta
；svpwm模块连接逆变器模块，用于根据anti-park变换模块得到的pmsm在两相静止坐标系下的相电压u
alpha
和u
beta
、以及改进滑膜观测器得到的观测角度θ获取目标脉冲信号，并通过该目标脉冲信号控制逆变器模块，进而实现对pmsm的矢量控制。2.一种根据权利要求1所述的基于改进滑膜观测器的pmsm无感控制系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过电流采样模块采集pmsm在三相静止坐标系(即abc轴)下的相电流i
a
和i
b
；(2)通过clark变换模块对步骤(1)得到的pmsm在三相静止坐标系下的相电流i
a
和i
b
进行clark变换处理，以得到pmsm在两相静止坐标系下的相电流i
alpha
和i
beta
。(3)判断是否需要启动无感控制，若是则转入步骤(4)，否则pmsm停止运行，过程结束；(4)通过改进滑膜观测器根据步骤(2)得到pmsm在两相静止坐标系下的相电流i
alpha
和i
beta
、以及anti-park变换模块得到的pmsm在两相静止坐标系下的相电压u
alpha
和u
beta
获取pmsm的观测角度θ和观测角速度ω
eo
。(5)通过park变换模块对步骤(2)得到的pmsm在两相静止坐标系下d相电流i
alpha
和i
beta
、以及步骤(4)得到的pmsm的观测角度θ进行park变换处理，以得到pmsm在两相旋转坐
标系下的相电流i
do
和i
qo
；(6)通过第一pi控制器对pmsm的目标速度n
ref
和改进滑膜观测器的观测角速度ω
eo
的差值以及差值的变化量进行模糊pi处理，以得到pmsm在交轴下的目标电流值i
qref
；(7)通过第三pi控制器对步骤(6)得到的pmsm在交轴下的目标电流值i
qref
和步骤(5)得到的pmsm在两相旋转坐标系下的相电流i
qo
的差值进行pi处理，以得到pmsm在交轴下的目标电压值u
q
；同时通过第二pi控制器对pmsm在直轴下的目标电流值i
dref
和步骤(5)得到的pmsm在两相旋转坐标系下的相电流i
do
的差值进行pi处理，以得到pmsm在直轴下的目标电压值u
d
；(8)通过anti-park变换模块对步骤(7)得到的pmsm在交直轴下的目标电压值u
q
和u
d
、以及步骤(4)得到的pmsm的观测角度θ进行anti-park变换处理，以得到pmsm在两相静止坐标系下的相电压u
alpha
和u
beta
；(9)通过svpwm模块对步骤(8)得到的pmsm在两相静止坐标系下的相电压u
alpha
和u
beta
进行矢量脉冲宽度调制处理，以获取目标脉冲信号，并通过该目标脉冲信号控制逆变器模块，进而实现对pmsm的矢量控制；(10)判断pmsm的目标速度n
ref
是否变为0，若是则过程结束，否则返回步骤(1)。3.根据权利要求2所述的基于改进滑膜观测器的pmsm无感控制系统的工作方法，其特征在于，步骤(4)包括以下子步骤：(4-1)根据pmsm在两相静止坐标系下的相电流i
alpha
和i
beta
、以及pmsm在两相静止坐标系下的相电压u
alpha
和u
beta
建立电流状态方程；(4-2)使用双曲正切函数对常规滑膜观测器的开关函数进行替换处理，以得到改进滑膜观测器，并利用该改进滑膜观测器对步骤(4-1)得到的电流状态方程进行重构处理，以得到改进滑膜观测器的电流观测状态方程；(4-3)对步骤(4-2)得到的电流观测状态方程和步骤(4-1)得到的电流状态方程进行求差值处理，以得到电流误差状态方程；(4-4)根据步骤(4-3)得到的电流误差状态方程获得滑膜运动过程中的点到达滑模面时的反电动势误差状态方程；(4-5)对步骤(4-4)得到的反电动势误差状态方程创建自适应观测器及其观测器状态方程；(4-6)对步骤(4-5)得到的反电动势观测值e
alphae
、e
betae
进行锁相环处理，以得到观测角度θ和观测角速度ω
eo
。4.根据权利要求2或3所述的基于改进滑膜观测器的pmsm无感控制系统的工作方法，其特征在于，步骤(4-1)建立的电流状态方程是如下式(1)所示：其中，l为pmsm中定子的电感值；r为pmsm中定子的电阻；e
alpha
和e
beta
为pmsm中的定子在两相静止坐标系下的扩展反电动势，且满足下式(2)：
其中，ω
e
为pmsm中转子的角速度；ψ
f
为pmsm中定子的磁链；θ
e
为pmsm中转子的电角度。5.根据权利要求2至4中任意一项所述的基于改进滑膜观测器的pmsm无感控制系统的工作方法，其特征在于，步骤(4-2)中的电流观测状态方程如下式(3)所示：其中，i
alpha
、i
betao
分别为pmsm中的定子在两相静止坐标系下的电流观测分量；e
alphao
和e
betao
为pmsm中的定子在两相静止坐标系下的反电动势分量，且有e
alphao
＝-ω
e
ψ
f
sin(θ
eo
)，e
betao
＝ω
e
ψ
f
cos(θ
eo
)，θ
eo
表示pmsm中转子的观测电角度；l为自适应滑膜观测器的增益系数，其具体等于350，k为预设的滑膜增益系数，其具体等于200；s表示输入的状态量；k为负常数，且满足常数，且满足其中i
alp
和i
betae
分别为pmsm中的定子在两相静止坐标系下的电流误差分量，且有i
alp
＝i
alphao-i
alpha
、i
betae
＝i
betao-i
beta
；e
alphae
、e
betae
分别为pmsm中的定子在两相静止坐标系下的反电动势误差分量。6.根据权利要求2至5中任意一项所述的基于改进滑膜观测器的pmsm无感控制系统的工作方法，其特征在于，步骤(4-3)中的电流误差状态方程如下式(4)所示：7.根据权利要求6所述的基于改进滑膜观测器的pmsm无感控制系统的工作方法，其特征在于，步骤(4-4)得到的反电动势误差状态方程如下式(5)所示：8.根据权利要求7所述的基于改进滑膜观测器的pmsm无感控制系统的工作方法，其特征在于，步骤(4-5)中的观测器状态方程如下式(6)所示：其中，ω
ee
为pmsm中转子的误差电角度。

技术总结

本发明公开了一种基于改进滑膜观测器的PMSM控制系统，包括电流采样模块、Clark变换模块、Park变换模块、改进滑膜观测器、第一PI控制器、第二PI控制器、第三PI控制器、Anti-Park模块、空间矢量脉宽调制SVPWM模块、以及逆变器模块，电流采样模块用于采集PMSM在三相静止坐标系下的相电流I