[发明专利]一种磁悬浮开关磁阻电机二阶滑模控制方法

说明书

本发明公开了一种磁悬浮开关磁阻电机二阶滑模控制方法，转速环采用基于超螺旋算法的二阶滑模速度控制器，选取转速误差构造滑模面，并结合磁悬浮开关磁阻电机机械方程，得到参考转矩使电机达到预定转速；位移环采用基于改进超螺旋算法的二阶滑模位移控制器，引入位移高阶误差导数使超螺旋算法适用于二阶系统，结合线性补偿项改进超螺旋算法，得到参考悬浮力使电机转子位移趋近于0。本发明采用基于超螺旋算法的二阶滑模速度控制器和基于改进超螺旋算法的二阶滑模位移控制器，提高了磁悬浮开关磁阻电机调速精度及转子悬浮精度，解决了转速抖振及位移抖振问题，对系统不确定扰动具有较强鲁棒性，便于工程实现。

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮开关磁阻电机二阶滑模控制方法，适用于磁悬浮开关磁阻电机高性能控制，属于电气传动控制技术领域。

背景技术

磁悬浮开关磁阻电机结合磁轴承与开关磁阻电机技术，可同时实现电机两自由度悬浮和产生电磁转矩，在保留磁轴承无摩擦、无机械磨损特点的基础上，缩短了电机轴向长度，有效提高了电机临界转速。它具有调速性能优良、容错性能强、结构简单、成本低等诸多优点，在飞轮电池、空间飞行器、生物医药、军工制造方面具有广阔应用前景。

然而磁悬浮开关磁阻电机是一个多变量、强耦合、非线性的系统，电机内部参数发生变化或者受到外部扰动时，传统的PID控制器已经无法满足电机高新能控制的需求。

对此，国内外科研人员进行了深入研究，一些先进的智能控制理论被应用于磁悬浮开关磁阻电机系统，如极限学习机逆解耦控制、支持向量逆解耦控制、神经网络逆解耦控制、模糊PID控制。然而，上述控制方法所涉及的理论较为复杂，对数学模型精度有很高要求，且需要进行大量的样本数据训练，在工程应用中难以实现。滑模控制作为一种现代控制理论，具有实现简单、不依赖精确的数学模型、鲁棒性强等诸多优点，在电机控制领域具有广阔应用前景。然而，传统的一阶滑模本质上为一种非连续控制的切换函数，存在固有抖振问题，磁悬浮开关磁阻电机采用“双凸极”结构，电流换相及单个齿极间的悬浮力、转矩变换会带来系统抖振问题，电机和控制器的抖振问题会激发系统未建模特性。

目前，减小滑模抖振的方法主要有趋近律法、边界层法，均属于一阶滑模的范畴，并不能完全消除抖振。二阶滑模将不连续的控制输入作用在滑模面的二阶导数上，可完全消除输出抖振。

发明内容

本发明针对磁悬浮开关磁阻电机，分别利用超螺旋算法和改进超螺旋设计二阶滑模转速控制器和改进二阶滑模位移控制器，实现转速和位移的无抖振、强鲁棒、高精度输出。

为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种磁悬浮开关磁阻电机二阶滑模控制方法，电机转速环采用基于超螺旋算法的二阶滑模转速控制器，选取转速误差构造滑模面，并结合磁悬浮开关磁阻电机机械方程，得到参考转矩使电机达到预定转速；电机位移环采用基于改进超螺旋算法的二阶滑模位移控制器，引入位移高阶误差导数使超螺旋算法适用于二阶系统，结合线性补偿项改进超螺旋算法，得到参考悬浮力使电机转子位移趋近于0。

进一步，基于超螺旋算法二阶滑模控制器，建立磁悬浮开关磁阻电机的复合被控对象数学模型：

其中，r_α为转子在α方向上的径向位移，v_α为转子在α方向运动分速度，F_Lα为α方向上外界干扰力，r_β为转子在β方向上的径向位移，v_β为转子在β方向运动分速度，F_Lβ为β方向上外界干扰力，M为电机转子和负载的质量，χ为径向摩擦系数，为摩擦系数，ω表示电机角速度，T_L为负载转矩，J为转动惯量，F_α为α方向上的悬浮力，F_β为β方向上的悬浮力，T_e是电磁转矩，为转子在α方向上的参考径向位移，为转子在β方向上的径向位移的参考值。