永磁同步电机的控制方法、装置、永磁同步电机和空调

技术领域

本发明涉及自动控制领域，更具体地涉及一种永磁同步电机的控制方法、装置、永磁同步电机和空调。

背景技术

永磁同步电机具有结构相对简单，功率高，工作效率高，质量较轻等优点，这使得永磁同步电机较各大主要电机的性能相比较具有较高的性能优势，且在诸多领域有着广泛应用。但永磁同步电机电机作为一个非线性、强耦合的复杂系统，不仅其电机参数会时时变化且外界环境会时刻对电机运行造成扰动，使得PID控制的效果就会受到影响，控制的效果也会变差，不能满足市场对电机应用于高精度场合的要求。

因而，现有技术需要设计一种稳定性高、鲁棒性能好的滑模控制方法，来满足永磁同步电机的高质量性能要求。

上述在背景部分公开的信息仅用于对本发明的背景做进一步的理解，因此它可以包含对于本领域普通技术人员已知的不构成现有技术的信息。

发明内容

本发明提供了一种永磁同步电机的控制方法、装置、永磁同步电机和空调。永磁同步电机是具有强耦合和非线性的复杂系统，而传统PID控制所不足或者不能满足性能的地方是对非线性、扰动大的系统是无法或者很难得到好的控制效果的，即鲁棒性差，当电机运行时所处环境变化，PID控制调速效果就会变差，影响电机性能。本发明的方案能够解决现有的永磁同步电机存在的上述问题。

本发明的第一方面提供了一种永磁同步电机的控制方法，包括：S1：将采集三相交流电信号经过Clark变化和Park变换得到旋转坐标系的两相电流信号，并获取给定的电机转速与观测到的电机转速的偏差；S2：将所述偏差进行指数系数趋近律控制，获取给定的q轴电流；S3：将所述给定的q轴电流作为滑膜控制的输入，通过滑膜控制来对所述永磁同步电机进行控制。

根据本发明的一个实施例，其中，在所述步骤S2中，所述指数系数趋近律控制为：s′＝-εsgn(s)-ks，根据所述指数系数趋近律设置滑膜控制的滑膜面为：s＝e＝ω

其中通过对参数k和ε的调整，改变所述指数系数趋近律的趋近速度，实现对所述永磁同步电机的转速调整，并且通过增大k并减小ε以使得快速调整转速并减小抖振。

根据本发明的一个实施例，其中，在所述步骤S2中，获取给定的q轴电流

根据本发明的一个实施例，其中，通过对指数系数趋近律的参数k和ε的调整，改变所述指数系数趋近律的趋近速度，实现对所述永磁同步电机的转速调整，并且通过增大k并减小ε以使得快速调整转速并减小抖振。

根据本发明的一个实施例，其中，所述步骤S3包括：将

本发明的第二方面提供了一种永磁同步电机的控制装置，坐标变换模块：将采集的三相交流电信号经过Clark变化和Park变换得到旋转坐标系的d轴和q轴电流信号，并获取给定的电机转速与观测到的电机转速的偏差；指数系数趋近律控制模块：将所述偏差进行指数系数趋近律控制，获取给定的q轴电流；滑膜控制模块：将所述给定的q轴电流作为对所述永磁同步电机进行滑膜控制的输入以调整所述电机转速。

根据本发明的一个实施例，其中，所述指数系数趋近律控制为：s′＝-εsgn(s)-ks，根据所述指数系数趋近律设置滑膜控制的滑膜面为：s＝e＝ω

根据本发明的一个实施例，其中，所述指数系数趋近律控制模块还用于：获取给定的q轴电流

根据本发明的一个实施例，其中，通过对指数系数趋近律的参数k和ε的调整，改变所述指数系数趋近律的趋近速度，实现对所述永磁同步电机的转速调整，并且通过增大k并减小ε以使得快速调整转速并减小抖振。

根据本发明的一个实施例，其中，滑膜控制模块还用于：将

本发明的第三方面提供了一种永磁同步电机，其使用了上述的永磁同步电机的控制方法，或包括上述的永磁同步电机的控制装置。

本发明的第四方面提供了一种空调，包括上述的永磁同步电机。

本发明的方案通过指数系数趋近律与滑模结合的调速控制方法，在分析常规滑模控制的基础上引入指数趋近率，使系统在减少系统抖振效果的基础上，有效地减少了系统响应时间和加快趋近速度。仿真结果证实该控制器有效地提高了系统的响应速度和精确度，削弱了系统抖振，对不确定扰动具有较强的鲁棒性，大大改善了调速系统的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图进行简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的示例性实施例的永磁同步电机控制拓扑结构图。

图2是根据本发明的示例性实施例的永磁同步电机的控制方法流程图。

图3是示例性实施例的永磁同步电机的控制装置框图。

图4是根据本发明的示例性实施例的Matlab/Simulink PI仿真模型框图。

图5是根据本发明的示例性实施例的Matlab/Simulink SMC仿真模型框图。

图6是根据本发明的示例性的实施例图4和图5的仿真模型的转速响应波形对比图。

具体实施例

如在本文中所使用的，词语“第一”、“第二”等可以用于描述本发明的示例性实施例中的元件。这些词语只用于区分一个元件与另一元件，并且对应元件的固有特征或顺序等不受该词语的限制。除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术或科学术语)具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的含意相同的含意。如在常用词典中定义的那些术语被解释为具有与相关技术领域中的上下文含意相同的含意，而不被解释为具有理想或过于正式的含意，除非在本发明中被明确定义为具有这样的含意。

本领域的技术人员将理解的是，本文中描述的且在附图中说明的本发明的装置和方法是非限制性的示例性实施例，并且本发明的范围仅由权利要求书限定。结合一个示例性实施例所说明或描述的特征可与其他实施例的特征组合。这种修改和变化包括在本发明的范围内。

下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。在附图中，省略相关已知功能或配置的详细描述，以避免不必要地遮蔽本发明的技术要点。另外，通篇描述中，相同的附图标记始终指代相同的电路、模块或单元，并且为了简洁，省略对相同电路、模块或单元的重复描述。

此外，应当理解一个或多个以下方法或其方面可以通过至少一个控制单元或控制器执行。术语“控制单元”，“控制器”,“控制模块”或者“主控模块”可以指代包括存储器和处理器的硬件设备。存储器或者计算机可读存储介质配置成存储程序指令，而处理器具体配置成执行程序指令以执行将在以下进一步描述的一个或更多进程。而且，应当理解，正如本领域普通技术人员将意识到的，以下方法可以通过包括处理器并结合一个或多个其他部件来执行。

图1是本发明的示例性实施例的永磁同步电机控制拓扑结构图。

如果图1所示的永磁同步电机的控制拓扑结构，三路电压源通过逆变器得到三相的交流电，然后供给电机，三相电流然后经过Clark变化得到两相静止坐标系电流，然后再经过一个Park变换，变换到d、q旋转坐标系，电流变换到旋转坐标系之后，就可以分别控制i

根据本发明的一个或多个实施例，指数系数趋近律的公式为：

s′＝-εsgn(s)-ks,ε>0,k>0

其中，k、ε为指数系数趋近律的参数,并且ε>0,k>0，-ks是指数趋近项，-εsgn(s)为等速趋近项，s为滑模面，s′为s的导数。指数系数趋近律理论上既可以调节指数项，又可改变等速项。一般是通过对参数k和ε的调整，改变趋近律的趋近速度，最终实现对系统速度的调整。通过增大k并减小ε以使得趋近更快，而抖振更小。

滑模控制(Sliding Mode Control，SMC)是一种特殊类型的变结构控制(VariableStructure Control，VSC)，因此又称之为滑模变结构控制，是近年来广泛应用和发展的一种控制方法。滑模控制本质上是一种非线性控制，即控制结构随时间变化而变化。滑模变结构控制是非线性系统中普遍采用的一种分析方法，其显著优点是对于不确定参数和外界干扰具有强鲁棒性，因此，在航空航天、机器人控制以及化工控制等领域得到了广泛的应用。通常滑模变结构控制的设计包含以下两部分内容：(1)滑模面设计，使得系统的状态轨迹进入滑动模态后具有渐近稳定等良好的动态特性；(2)滑模面设计，使得系统的状态轨迹进入滑动模态后具有渐近稳定等良好的动态特性。其中，滑模控制也可以控制电机系统，但效果不好，所以本发明设计时候加入了指数趋近率进行设计，来提升永磁同步电机的性能。

本发明通过指数系数趋近律与滑模结合的调速控制方法，在分析常规滑模控制的基础上引入指数趋近率，使系统在减少系统抖振效果的基础上，有效地减少了系统响应时间和加快趋近速度。

图2是根据本发明的示例性实施例的永磁同步电机的控制方法流程图。

如图2所示，在步骤S1中，将采集三相交流电信号经过Clark变化和Park变换得到旋转坐标系的两相电流信号，并获取给定的电机转速与观测到的电机转速的偏差；

在步骤S2中，将所述偏差进行指数系数趋近律控制，获取给定的q轴电流；

在步骤S3中，将所述给定的q轴电流作为滑膜控制的输入，通过滑膜控制来对所述永磁同步电机进行控制。

根据本发明的一个或多实施例，永磁同步电机的指数系数趋近律与滑模结合的控制方法，采集a、b、c三相静止坐标系下的交流电流信号i

根据本发明的一个或多个实施例，q轴电流给定值

S21：在所假定的条件下，可知PMSM采用i

其中：u

S22：构建转矩方程：

从而得到：

S23：构建运动方程：

S24：构建指数趋近率:s′＝-ε*sgn(s)-ks (5)

S25：设定滑模面：s＝e＝ω

其中，ω

S26：对公式(6)就微分：

S27：将(3)和(4)联立:

S28:将(8)带入(7)

S29:令

S30:求得：

根据本发明的一个或多个实施例，进一步地，通过上述的得到速度偏差ω*-ω和

s′＝-εsgn(s)-ks，

根据所述指数系数趋近律设置滑膜控制的滑膜面为：s＝e＝ω

在理论上既可以调节指数项，又可改变等速项。通过对参数k和ε的调整，改变趋近律的趋近速度，最终实现对系统速度的调整，通过增大k并减小ε以使得趋近更快，而抖振更小。其中，符号e为数学中一个常数，是一个无限不循环小数，且为超越数，其值约为2.718281828459045。它是自然对数函数的底数。有时称它为欧拉数(Euler number)，以瑞士数学家欧拉命名。

根据本发明的一个或多个实施例，在进行指数系数趋近律与滑模结合的调速控制方法中，建立电机转矩方程为：

图4是根据本发明的示例性实施例的Matlab/Simulink PI仿真模型框图。

如图4所示，永磁同步电机控制装置包括：坐标变换模块：将采集的三相交流电信号经过Clark变化和Park变换得到旋转坐标系的两相电流信号，并获取给定的电机转速与观测到的电机转速的偏差；指数系数趋近律控制模块：将所述偏差进行指数系数趋近律控制，获取给定的q轴电流；滑膜控制模块：将所述给定的q轴电流作为滑膜控制的输入，通过滑膜控制来对所述永磁同步电机进行控制。

根据本发明的一个或多个实施例，其中，指数系数趋近律控制模块获取给定的q轴电流

S41：建立转矩方程：

S42：根据s′＝-εsgn(s)-ks，设置滑膜控制的滑膜面为s＝e＝ω

S43：将计算出的

S44：根据S43中的等式计算出给定的q轴电流

图4是根据本发明的示例性实施例的Matlab/Simulink PI仿真模型框图。图5是根据本发明的示例性实施例的Matlab/Simulink SMC仿真模型框图。

如图4和图5所示，Speed是转速环，id和iq统称电流环，合起来就是双闭环矢量控制，对转速的设计使得我们SMC控制的转速波形就优于PI控制转速环。Anti-Park是反Park变换，就可以叫反帕克，这是音译过来的，Park就是帕克变换，Clark就是克拉克变换是公式转换成仿真模型得出来的。模型里面A/B/C就是i

图6是根据本发明的示例性的实施例图4和图5的仿真模型的转速响应波形对比图。

如图6所示，电机在启动后，对于SMC控制系统与PI控制系统，虽然两者的实际转速最终都达到了要求。但是基于PI控制的电机调速系统的响应时间要大于基于SMC控制的调速系统，且可以明显的看出PI控制的电机转速超调量要明显高于SMC控制的电机系统。

根据本发明的一个或多个实施例，本发明还提供了一种永磁同步电机，其使用了上述的永磁同步电机的控制方法，或包括上述的永磁同步电机的控制装置。

根据本发明的一个或多个实施例，本发明还提供了一种空调，包括上述的永磁同步电机。

根据本发明的一个或多个实施例，本发明的中的控制逻辑可以使用存储在非暂时性计算机和/或机器可读介质(例如硬盘驱动器、闪存、只读存储器、光盘、数字多功能磁盘、高速缓存、随机存取存储器和/或任何其他存储设备或存储磁盘)上的编码的指令(例如，计算机和/或机器可读指令)来实现如本发明以上系统中的流程的处理，在非暂时性计算机和/或机器可读介质中存储任何时间期间(例如，延长的时间段、永久的、短暂的实例、临时缓存和/或信息高速缓存)的信息。如本文所使用的，术语“非暂时性计算机可读介质”被明确定义为包括任何类型的计算机可读存储设备和/或存储盘，并且排除传播信号并排除传输介质。

根据本发明的一个或多个实施例，本发明的系统中的逻辑可以使用控制电路、(控制逻辑、主控系统或控制模块)来实现，其可以包含一个或多个处理器，也可以在内部包含有非暂时性计算机可读介质。具体地，主控系统或控制模块可以包括微控制器MCU。用于实现本发明系统中逻辑的处理的处理器可以诸如但不限于一个或多个单核或多核处理器。(一个或多个)处理器可包括通用处理器和专用处理器(例如，图形处理器、应用处理器等)的任何组合。处理器可与其耦接和/或可包括计存储器/存储装置，并且可被配置为执行存储在存储器/存储装置中的指令，以实现在本发明中控制器上运行的各种应用和/或操作系统。

作为本发明示例的上文涉及的附图和本发明的详细描述，用于解释本发明，但不限制权利要求中描述的本发明的含义或范围。因此，本领域技术人员可以很容易地从上面的描述中实现修改。此外，本领域技术人员可以删除一些本文描述的组成元件而不使性能劣化，或者可以添加其它的组成元件以提高性能。此外，本领域技术人员可以根据工艺或设备的环境来改变本文描述的方法的步骤的顺序。因此，本发明的范围不应该由上文描述的实施例来确定，而是由权利要求及其等同形式来确定。

尽管本发明结合目前被认为是可实现的实施例已经进行了描述，但是应当理解本发明并不限于所公开的实施例，而相反的，意在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同配置。