船舶电力推进电机双滑模控制方法、装置及系统

本发明涉及电机控制，尤其涉及船舶电力推进电机双滑模控制方法、装置及系统。

背景技术：

1、船舶电力推进是利用推进电机直接带动螺旋桨旋转，从而推动船舶行进的一种推进方式。近年来，永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor，pmsm）因其具有结构简单、效率高、损耗低以及可靠性强等特点，船舶电力推进系统使用永磁同步电机作为主要推进动力装置的趋势也在逐渐增加。但是，pmsm作为一个非线性、时变性、强耦合的复杂系统，系统的模型具有不确定性，如果采用常规pid控制，虽然可以在一定的精度范围内满足控制的要求，但由于其依赖于系统模型的准确性，极易受到外界扰动和内部参数变化所带来的影响，使系统控制偏离预期目标，因此传统的控制方法难以满足永磁同步电机运行在稳定状态。

2、在永磁同步电机矢量控制系统中，通常将滑模变结构控制运用于转速外环，而电流内环则采用传统的pi控制，虽然在一定程度上加快了系统响应，增强了系统的鲁棒性，使电机转速能够更快的到达规定转速，但是由于电流环具有很强的轴电流耦合性、反电动势等一系列非线性因素，并且依赖于电机的参数和工作点，采用传统的pi控制很难获得高动态以及稳定的电流，进而难以获得准确快速的输出转矩。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了至少解决现有技术的不足之一，提供船舶电力推进电机双滑模控制方法、装置及系统。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

3、具体的，提出船舶电力推进电机双滑模控制方法，包括以下：

4、获取永磁同步电机的给定转速以及实际转速；

5、基于永磁同步电机的给定转速以及实际转速通过预构建的双滑模控制模型对船舶电力推进电机进行控制；

6、具体的，预构建的双滑模控制模型的构建原理为，

7、对传统的永磁同步电机矢量控制模型进行改进，其转速外环沿用原滑模控制，而电流内环采用滑模变结构控制替代传统的永磁同步电机矢量控制模型中的pi控制。

8、进一步，具体的，预构建的双滑模控制模型中，转速外环的构建包括，

9、假定，忽略电机铁芯的饱和、不计电机中的涡流和磁滞损耗且电机中的电流为对称的三相正弦波电流，基于此构建电机在坐标系下的数学模型为：

10、（1）；

11、其中，分别是定子电压的轴分量；分别是定子电流的轴分量；分别是轴的电感分量；是定子的电阻；代表永磁体的磁链；是电机的机械角速度；为转动惯量；为阻尼系数；为负载转矩；为电机极对数；

12、考虑到表贴式永磁同步电机，存在，此外，采用的矢量控制方式，因此对式（1）进行改写为，

13、（2）；

14、定义永磁同步电机的状态变量为永磁同步电机的给定转速与实际转速之间的转速误差，存在如下关系：

15、（3）

16、可以求得，

17、（4）

18、定义转速外环的滑模面为积分滑模面，即：

19、（5）

20、定义转速外环的趋近律为：

21、（6）

22、其中，，；

23、转速外环的滑模控制律为，

24、（12）。

25、进一步，趋近律通过lyapunov函数进行稳定性验证，具体的，

26、首先选取lyapunov函数：，当式满足时，认为滑模达到条件；

27、计算得到下式，

28、（7）

29、由此可证明，该变指数趋近律是满足lyapunov稳定性判定的，系统是渐进的、稳定的。

30、进一步，具体的，转速外环的滑模控制律的计算过程，包括，

31、对积分滑模面求导得：

32、（8）

33、联立式（6）和式（8）得：

34、（9）

35、且，则上式可表示为：

36、（10）

37、（11）

38、则可以得到：

39、（12）。

40、进一步，具体的，预构建的双滑模控制模型中，电流内环的构建包括，

41、构建永磁同步电机在坐标系下的定子电压方程为：

42、（13）

43、其中，分别是定子电压的轴分量；分别是定子电流的轴分量；分别是轴的电感分量；是定子的电阻；代表永磁体的磁链；是电机的电角速度；，为电机极对数，是电机的机械角速度；

44、由式（13）可求得：

45、（14）

46、定义系统状态变量为：

47、（15）

48、式中，为轴电流期望值，同时基于转速外环计算得到，即式（12）计算得出的作为轴电流的期望值即；

49、电流内环采用与转速外环滑模控制器相同的滑模面，则电流内环的滑模面定义为：

50、（16）

51、电流内环采用与转速外环滑模控制器相同的趋近律即式（6）；

52、则电流内环的滑模控制律为，

53、（24）。

54、进一步，将转速外环与电流内环中，趋近律中符号函数用双曲正切函数代替，其中，，值的大小决定了双曲正切光滑函数拐点的变化的快慢，

55、更新速度外环滑模控制律为：

56、（25）

57、更新电流内环滑模控制律为：

58、（26）。

59、本发明还提出船舶电力推进电机双滑模控制装置，应用了所述的船舶电力推进电机双滑模控制方法，包括：

60、数据获取模块，用于获取永磁同步电机的给定转速以及实际转速；

61、控制器，用于基于永磁同步电机的给定转速以及实际转速通过预构建的双滑模控制模型对船舶电力推进电机进行控制。

62、本发明还提出一种计算机可读存储的介质，所述计算机可读存储的介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如所述船舶电力推进电机双滑模控制方法的步骤。

63、本发明的有益效果为：

64、本发明提出船舶电力推进电机双滑模控制方法，首先对永磁同步电机建立数学模型，建立永磁同步电机的变指数趋近律速度环矢量控制策略，采用传感器获取转子位置以及速度信号。针对传统的电流环pi控制器对电机参数变化较敏感以及鲁棒性不强的问题，提出在转速外环采用滑模控制的基础上，电流内环采用滑模控制的双滑模控制策略，同时引入变指数趋近律滑模控制算法设计新型控制器，当距离滑模面较远时加快趋近速度，距离滑模面较近时减小系统的切换带，减小滑模控制所产生的抖振。最后用连续且光滑的双曲正切函数代替不连续的符号函数，减少了系统的超调量的同时，也降低了系统的抖振，增强了系统的响应速度和鲁棒性。

1.船舶电力推进电机双滑模控制方法，其特征在于，包括以下：

2.根据权利要求1所述的船舶电力推进电机双滑模控制方法，其特征在于，具体的，预构建的双滑模控制模型中，转速外环的构建包括，

3.根据权利要求2所述的船舶电力推进电机双滑模控制方法，其特征在于，趋近律通过lyapunov函数进行稳定性验证，具体的，

4.根据权利要求2所述的船舶电力推进电机双滑模控制方法，其特征在于，具体的，转速外环的滑模控制律的计算过程，包括，

5.根据权利要求2所述的船舶电力推进电机双滑模控制方法，其特征在于，具体的，预构建的双滑模控制模型中，电流内环的构建包括，

6.根据权利要求5所述的船舶电力推进电机双滑模控制方法，其特征在于，将转速外环与电流内环中，趋近律中符号函数用双曲正切函数代替，其中，，值的大小决定了双曲正切光滑函数拐点的变化的快慢，

7.船舶电力推进电机双滑模控制装置，其特征在于，应用了权利要求1-6中任意一项所述的船舶电力推进电机双滑模控制方法，包括：

8.一种计算机可读存储的介质，所述计算机可读存储的介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一项所述方法的步骤。