[发明专利]基于动态权重因子的SMPMSM驱动系统直接速度复合控制方法

说明书

本发明涉及一种基于动态权重因子的SMPMSM驱动系统直接速度复合控制方法，包括：建立转速控制的SMPMSM驱动系统超局部模型；基于SMPMSM驱动系统超局部模型，推导其直接速度控制的滑模控制律和积分滑模控制律；设计动态权重因子，融合直接速度控制的滑模控制律和积分滑模控制律，实现SMPMSM驱动系统的直接速度复合控制；进行电压和电流约束处理。本发明充分利用逆变器直流母线电压，实现系统满足电压和电流约束条件下的安全稳定运行。基于动态权重因子的SMPMSM驱动系统直接速度复合控制方法能够实现SMPMSM驱动系统不同运行工况下动态和稳态的平滑过渡，全面提升系统的动稳态控制性能及鲁棒性。

技术领域

本发明涉及SMPMSM驱动系统控制技术领域，是一种基于动态权重因子的SMPMSM驱动系统直接速度复合控制方法。

背景技术

面装式永磁同步电动机(Surface Mounted PMSM，SMPMSM)具有功率密度和效率较高、易维护等优点，在智能制造、伺服系统和家用电器等行业中大规模应用，是实现机电控制和能量转换的重要设备。SMPMSM驱动系统多采用磁场定向控制，磁场定向控制的SMPMSM驱动系统不仅享有良好的动稳态控制性能，而且拥有逆变器开关频率固定等优点。基于转子磁场定向的转速控制的SMPMSM驱动系统，利用SMPMSM的机电时间常数大于其电气时间常数的特点，对SMPMSM驱动系统的转速外环和电流内环控制器实施独立设计。在转速控制为外环，电流/转矩控制为内环的级联双闭环控制结构中，速度外环控制器生成电流/转矩指令，电流/转矩内环控制器生成逆变器指令电压，再藉由逆变器调制生成逆变器功率开关管通、断信号，控制SMPMSM的实时运行。

级联控制结构物理概念清晰，容易实现，通常采用比例积分(ProportionalIntegral，PI)控制器对速度和电流分别进行控制。然而，SMPMSM驱动系统是多变量强耦合的非线性不确定系统，线性PI控制很难快速抑制或消除SMPMSM驱动系统中存在的参数不确定、未建模动态和未知扰动等干扰，不仅降低了SMPMSM驱动系统控制性能，甚至会危及系统的稳定运行。为了实现非线性不确定系统的控制，对系统的不确定性进行干扰估计，在控制律中采取措施对其消除或抑制，再采用非线性控制可以实现SMPMSM驱动系统的高性能控制。SMPMSM驱动系统的非线性控制方法主要有反馈线性化、自适应控制、模糊控制、滑模控制、模型预测控制(Model Predictive Control，MPC)等。然而，级联控制结构有限的转速控制带宽，导致转速控制的SMPMSM驱动系统控制性能欠佳，存在较大的转速超调和电流脉动。

为了提升PMSM驱动系统的控制性能，实现不同时间尺度的电机转速和电流同时控制的无级联控制应运而生。基于有限控制集(Finite Control Set，FCS)实现的无级联控制是系统最优控制解的近似求解，系统存在较大的电流脉动、转矩和速度波动。基于连续控制集(Continuous Control Set，CCS)实现的无级联控制通常使用多步预测控制算法，以兼顾更多系统动态，减小转速波动，但多步预测控制算法复杂，阻碍了该控制方法的实际应用。

此外，SMPMSM驱动系统是多变量强耦合的非线性系统，单一控制方法难以有效应对复杂多变的系统运行工况，选择和融合性能互补的控制方法，发挥它们在不同工况下的控制优势，是提高SMPMSM驱动系统整体性能的有效途径。将系统运行状态分为暂态和动态，使用开关函数协调模糊控制器和PI控制器，暂态时模糊控制器占优，稳态时PI控制器占优。融合多种控制方法的复合控制，能够适应复杂的运行工况，不仅提高了系统动态性能，而且降低了电机转矩脉动。复合控制器的设计关键在于合理选择动稳态切换函数，而模糊控制规则复杂，依赖人工经验，而且隶属函数难以选择。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够藉由系统运行状态的自动感知，自适应调整滑模控制律和积分滑模控制律两种不同控制律优先级及其所占比重，发挥不同控制律的技术优势，实现SMPMSM驱动系统不同运行工况下动态和稳态的平滑过渡，使系统享有全面提升的动稳态控制性能及强鲁棒性的技术优势的基于动态权重因子的SMPMSM驱动系统直接速度复合控制方法。