基于定子电阻观测器的永磁同步电动机滑模变结构直接转矩控制研究
胡雪峰
(1.安徽工业大学安徽省高校电力电子与运动控制重点实验室,安徽马鞍山243002)
摘要:传统的永磁同步电动机直接转矩控制系统存在着转矩和磁链脉动大、低速运行时难以精确控制以及因转矩脉动引起的高频噪声等问题。为解决这些问题,通过定子电阻观测器,利用定子电流与参考定子电流之差来跟踪定子电阻的变化,实现定子电阻的实时估算;用转矩和磁链滑模变结构控制器来替代传统直接转矩控制中的滞环控制器。仿真结果表明,基于定子电阻观测器的永磁同步电动机滑模变结构直接转矩控制系统具有较小的转矩、磁链脉动和快速的动态响应性能。
关键词:永磁同步电动机;定子电阻;观测器;直接转矩控;滑模变结构
中图分类号:TM351;TP183文献标识码:A
前言
永磁同步电动机(PermanentMagnetSynchronousMotor)简称PMSM,具有无换向火花、转子无发热问题、功率密度大、运行功率因数高等优点,因此由永磁同步电机组成的伺服系统已受到国内外的普遍重视,广泛用于柔性制造系统、数控机床等领域,其高性能控制策略也已从矢量控制逐步发展到直接转矩控制[1-2]。当利用定子电压方程观测电机的磁通和转矩时,由于定子电阻会随电机温度的变化而发生变化,从而使得控制系统低速运行时系统性能变差[3]。文献[3]给出了一种利用电流设定值和实际值进行定子电阻在线估计并对其进行补偿的方法,但这种方法忽略了系统中积分环节和滞环控制器的影响。本文采用基于神经网络的定子电阻观测器设计永磁同步电动机滑模变结构直接转矩控制系统,以期解决传统DTC中存在的转矩和磁链脉动大,系统低速运行时难以精确控制以及因转矩脉动引起的高频噪声等问题。
1 永磁同步电动机的数学模型
假设永磁同步电动机具有正弦波反电势,忽略电机中的涡流损耗和磁滞损耗,可得到永磁同步电动机在转子同步旋转坐标系d—q轴系下的数学模型为[4-6]
2 在线辨识定子电阻观测器的设计
用式(3)和式(4)即可构成基于定子电压和电流的磁通和电磁转矩观测器。该模型简单,且不受转子参数变化的影响,在理论上也很精确。但定子电阻的时变也会影响定子磁链计算的准确度。特别当转速很低时,定子磁链与转矩估计值与真实值之间的误差变大,使转矩脉动增大,严重时会使控制器选取错误的开关状态,导致电机运行不稳定。所以定电阻估计值准确与否将直接影响电机的控制性能
2.1 基于神经网络的定子电阻观测器
由上述分析可知,如果在电机运行期间可以估算定子电阻的变化量,那么直接转矩控制系统会得到较大的改善。文献[3]根据定子电阻的变化会使定子电流矢量幅值发生变化,用实际电流矢量幅值与参考电流矢量幅值的误差来估算定子电阻阻值的变化量,直到电流误差为零,定子电阻观测器的稳态误
 刻的电流变化量组成,选择具有一个隐层的三层神经网络,其中,输入层神经元的个数M=3,输出层神经元的个数Q=2,隐层神经元的个数N=3。网络结构确定以后,通过离线训练的方法得到初始权值和阈值向量,所选择的算法为BP算法,为得到理想的训练结果,样本数据应该包含电机所有可能的转速与交轴电流。在任意转速时,根据上式获得3×960的输入样本数据和2×960的输出样本数据,经过离线训练得到的网络权值和阈值当作神经网络在线调整的初始值,实现PI参数的自适应调整。
3 滑模变结构控制器的建立
模变结构控制系统的动态品质由切换面的参数决定,可以根据系统的动态品质要求而事先指定,与系统参数的摄动、扰动的影响无关,这就使得滑模变结构控制具有快速响应、鲁棒性强、物理实现简单等优点[7-9]。
3.1 滑模变结构直接转矩控制算法
根据直接转矩控制是对转矩和磁链直接控制的特点,设滑模变结构控制中的切换函数为
 定,为0. 185Wb负载转矩给定在t=0. 05 s时,由3N•m变为6 N•m;转速给定在t=0. 1 s时,由700 r/min变为500 r/min,采样时间为50μs。图3为电机转速,电磁转矩和定子电流在上述条件下的动态仿真波形。
从图3中可以看出,电机转速、电磁转矩均能快速跟踪给定,输出电流稳态时谐波含量比较低。
5 结论
本文提出以神经网络自整定定子电阻观测器为基础,构造了永磁同步电机滑模变结构直接转矩控制系统,用控制其输出的两相静止坐标下的电压实现了优化开关表的选择,使逆变器的开关频率恒定。用饱和函数sat(s)代替理想滑动模态中的符号函数sign(s),有效的减小了系统的抖动。该方法建立的永磁同步电动机控制系统具有较小的转矩、磁链脉动,快速的跟踪能力和良好的动态特性。
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