基于滑模变结构的新型永磁同步液压电机泵调速系统的研究

　　0　引言

　　目前在液压系统中,液压泵大多数由运行于额定转速的异步电机拖动,执行元件所需的流量依靠改变泵的排量来实现,即常用的容积调速方式。这种方式尽管避免了溢流损耗,但由于常采用阀控伺服机构来实现排量的变化,故存在着液压系统对油液抗污染要求高、小流量时电机与泵仍需高速运转、机械部件易磨损和效率低、成本高等问题。以往的节能研究大多数都是从液压系统本身的角度来考虑,努力减小液压系统自身的功率消耗,或者是设计合理的液压回路,尽量减少压力损失和流量损失来提高整机的功率效率。在这些方面,前人已做过大量的工作,要想再提高功率效率是很困难的。

　　要进一步提高液压动力设备的整机效率,应把电机包括在内考虑,使电机提供的功率和负载相匹配。当前比较先进的节能方法是将电机和泵轴向排列并共轴[1-3],这种电机泵只是把液压泵与电动机沿轴向排列共轴、共壳体,没有外伸轴,减少了一些体积,并没有真正做到液压泵与电动机的高度融合,有一些深层次的基础理论问题还需要解决。作者研究一种新型液压电机泵模型,通过控制永磁电机泵转子的转速,快速、精确地控制和改变泵的输出流量和压力,与不同工况相匹配。

　　目前,永磁同步电机(PMSM)高性能控制策略已从矢量控制逐步发展到直接转矩控制(DTC)[4-5]。传统DTC具有结构简单、响应快速、对系统内部参数摄动和外部干扰鲁棒性强等优点,但存在较大的电流、磁链和转矩脉动、系统低速运行时难以精确控制等问题。滑模变结构控制是对非线性不确定系统的一种有效的控制方法,对参数摄动和外界干扰鲁棒性强[6-8]。作者将该控制策略引入永磁同步电机直接转矩控制中,以期解决传统DTC中存在的上述问题。无速度传感器技术已成为当前交流传动的研究热点,作者从空间矢量坐标系出发,介绍一种新颖的速度估算方法,代替机械速度传感器。仿真结果表明系统具有良好的动静态性能,鲁棒性好。

　　1　液压电机泵控马达调速回路数学模型

　　1·1　永磁同步电机(PMSM)的数学模型

　　永磁同步液压电机泵结构如图1所示。

　　永磁同步电机的转子直接作为轴向柱塞泵的缸体,转子与柱塞泵同轴同转速,转子永磁体磁场与定子上的交变磁场相互作用使转子旋转完成吸排油过程。

　　为便于分析,忽略磁饱和、空间谐波、铁损、涡流和磁滞损耗等,不考虑柱塞泵对电机转子磁场分布的影响。由于转子永磁体产生的磁链恒定不变,在两轴同步旋转d-q坐标系下,永磁同步电机的数学模型为

　　式中: ud、uq、id、iq分别为定子电压、电流在d轴和q轴上的分量; Ld和Lq分别为直轴电感和交轴电感; Rs是定子电阻;ωr是转子角速度;ψr是永磁体磁链; p是微分算子。