[发明专利]一种永磁同步电机控制方法

说明书

本发明公开一种永磁同步电机控制方法，该方法通过前馈控制提升系统的动态性能和跟踪特性，并利用带有负载扰动观测器的滑模控制器提升系统的抗扰性能，形成了位置转速复合控制器的结构。其中，离散终端滑模面提升了系统误差状态在平衡点附近的收敛速度。滑模趋近率采用分段函数的形式，当系统误差状态距离滑模面较远时，趋近率具有较大的增益，可达到快速趋近的效果；当系统误差状态接近滑模面时，趋近率随位置误差的减小而减小，从而抑制滑模“抖振”现象。本发明与滑模增益为常数的传统滑模趋近率相比，提出的滑模趋近率具有随着位置误差的增减而增减的滑模带宽，且在平衡点处近似为0.5k₂T；加入观测器前馈后，电机位置和速度的跟踪精度均有所提升。

技术领域

本发明属于伺服电机控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机控制方法。

背景技术

伺服系统是控制系统中的一个概念，它用来控制被控对象的某一状态(一般为位置、速度和扭矩)，使之能连续、精确的跟踪输入信号的变化。交流伺服系统被广泛应用于社会各领域，大至航空航天、军事、工业制造等领域，小至办公和教学自动化设备等领域。按照执行电机类型划分，伺服系统可分为直流伺服系统和交流伺服系统。随着现代市场对伺服系统稳定性和精确度要求的提升，高性能的交流伺服系统逐渐占据主导地位。伺服系统的结构由控制器、功率驱动、伺服电机和检测单元构成，其中控制器接收输入信号，实行控制算法；功率变换器实现电能与动能的转换；伺服电机为伺服系统的执行单元；检测单元主要由光电编码器、电流传感器组成，反馈电机的电流及位置信息。

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor PMSM)以其环境应变能力好、效率高、输出转矩大、功率密度高、维护成本低等优点在交流伺服应用市场占据主导地位。当前的永磁伺服系统多采用电流、速度、位置三闭环伺服控制方法。位置伺服系统的应用场合(例如机器人的关节驱动、数控机床中的两个进给轴的驱动、摄像机的磁鼓驱动)对伺服控制提出了“高频响、超低速、高精度”的要求，即系统能准确的跟随高频信号，且能够在低速时平稳运行。

目前应用于伺服系统的控制策略主要可分为以下四类：传统的PID控制策略、基于现代控制理论的控制策略、基于智能控制思想的控制策略、复合控制器。转速环的设计需要同时具备良好的速度跟踪能力和抗外部扰动的能力。除了传统的PI控制，自抗扰控制技术、自适应控制、滑模控制(Sliding Mode Control,SMC)等基于现代控制理论的控制策略也常被运用于转速环设计。在这些控制方法中，SMC因具有快速动态响应、强鲁棒性，特别适用于交流电机这个多变量强耦合的复杂系统。当转速环控制器采用SMC时，SMC可以提高转速跟踪的精确性和转矩的动态性能。然而，为了抑制外部扰动(如负载转矩的变化)，传统的SMC需要增大控制律的增益，导致控制信号不连续，进而产生严重的高频抖振。因此，目前仍需研究改进的滑模算法使得伺服系统在存在外部扰动的情况下实现对给定信号的无差跟踪。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种永磁同步电机控制方法，提升了现有的永磁同步伺服电机位置控制器的性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种永磁同步电机控制方法，包括终端滑模变结构控制器、前馈控制器、扰动观测器的复合位置控制器。

进一步的，所述滑模变结构控制器的设计包含离散终端滑模面设计以及滑模趋近率设计。

进一步的，所述滑模变结构控制器的滑模开关函数的表达式为

其中，s＝[s₁ s₂]、β均为正常数，0p1且p的分子分母均为奇数，误差状态e(k)＝[e₁(k) e₂(k)]^T分别表示电机机械角及机械角速度的误差，所述滑模趋近率采用分段函数的形式，其表达式为