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基于快速终端滑模的永磁同步电机直接转矩控制

许祥军  
【摘要】:交流永磁同步电动机(PMSM)以结构简单、运行可靠、转矩/重量比高、损耗小等显著特点,正在受到越来越多的关注,在高精度和高可靠性要求场合备受瞩目。自1996年瑞典ABB公司推出了第一台采用直接转矩控制技术的变频器以来,直接转矩控制技术便是新一代变频器技术的代表。直接转矩控制(direct torque control, DTC)以其控制方式简单、转矩响应快、对系统内部参数摄动和外部干扰鲁棒性强等优点在永磁同步电机控制中的得到了广泛应用。但对转矩进行控制时存在磁链控制不对称、转矩脉动大、逆变器开关频率不恒定、低速时磁链和转矩难以控制等问题。 滑模变结构控制因其对模型精度要求不高,参数不确定性和外部扰动具有良好的不敏感性,在电机调速领域已开始广泛使用。针对采用线性滑模实现直接转矩控制时,取系统状态的线性组合为滑模面,使得系统状态与给定轨迹之间的偏差以指数形式渐近收敛,即系统状态不断趋近,永远无法到达给定轨迹。将快速终端滑模变结构控制策略引入永磁同步电机直接转矩控制,根据李亚普诺夫稳定性定理,通过调节控制器的设计参数使系统状态在有限时间收敛,从而降低稳态误差,对系统参数和外部干扰表现出较强的鲁棒性。解决传统DTC存在的转矩和磁链脉动较大、逆变器开关频率不恒定等问题。 在速度环控制中,通常采用PI控制器,PI控制器具有结构简单,控制算法易实现等优点,但存在超调,对系统参数依赖性强,鲁棒性差,抗负载扰动能力很有限等缺点,降低了系统的控制性能,并且很难满足高精度控制系统的要求。提出了二阶滑模转速控制器替代PI控制器的方法,系统状态在有限时间内就能收敛至平衡点,突破了普通滑模变结构在线性滑动平面条件下的状态渐近收敛的特性,同时消弱了滑模控制存在的抖振问题,提高了控制精度,降低增益。 在理论分析的基础上,建立永磁同步电机直接转矩控制系统模型,在MATLAB/Simulink仿真平台上进行仿真分析,结果表明采用滑模变结构控制算法既保证了系统的快速响应的特性,又减少了电机转矩的脉动,对系统参数和负载扰动具有良好的鲁棒性。


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