[发明专利]基于趋近律和扰动观测补偿的永磁同步电机滑模控制方法

摘要

本发明提供了一种基于趋近律和扰动观测补偿的永磁同步电机滑模控制方法，设计了一种新的趋近律算法，并将其应用到滑模变结构中的速度控制器设计中；同时将饱和函数用于扰动观测器控制律中改进扰动观测器，将扰动观测器观测到的值补偿到所述速度控制器中，形成一种新的控制策略。将新的控制方法应用到永磁同步电机的矢量控制系统，采用电流‑速度双闭环控制结构，针对滑模控制中的抖振以及抗干扰性问题，在常规滑模速度控制器的基础上加入积分滑模面以及新型趋近律，同时加入了扰动观测器，有效抑制了负载变化带来的扰动，提高了系统的响应性，减小了系统的抖振，显著提高了系统在复杂环境下的抗干扰性能及鲁棒性。

主权项

1.一种基于趋近律和扰动观测补偿的永磁同步电机滑模控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：对原型电机方程进行坐标变换，建立永磁同步电机在dq坐标系下的数学模型：其中：ud、uq—d、q轴电枢电压，V；Rs—电枢绕组电阻，Ω；id、iq—d、q轴电枢电流，A；Ld、Lq—d、q轴绕组自感，H；ω—永磁同步电机转子电角速度，rad/s；ψf—永磁同步电机转子磁链，Wb；永磁同步电机在dq坐标系下的转矩方程为：Te＝1.5pψfiq＝ktiq其中：Te—永磁同步电机的转矩；p—极对数；kt—转矩系数；步骤2：搭建PI永磁同步电机双闭环伺服控制系统；步骤3：定义速度误差为e1＝ωref－ω，选取积分型滑模面为：其中，ωref为永磁同步电机参考速度，ω为永磁同步电机实际运行速度，c为滑模积分系数；对S求导得：为永磁同步电机的机械运行方程，J为转动惯量；T_L为负载转矩；B为粘滞摩擦系数；为新型趋近律方程，包含指数项e^‑δ|s|、终端项|s|^β、系统状态|x₁|、可变项λ(|x₁|)，新型趋近律方程具体如下：其中，k>0，0<β<2，0<ε<1，δ>0，x1为系统状态；sign—符号函数；定义可变项：其中σ>0，得到滑模控制器的控制律为：其中，iq*—参考电流值；η(t)—总扰动；c—滑模积分系数；步骤4：采用饱和函数sat(s)取代滑模控制器的控制律中的符号函数sign(s)，得到滑模控制器的控制律为：其中，饱和函数sat(s)为：ρ为边界层数值，ρ值的大小决定了饱和函数的平滑度；步骤5：以机械速度和系统扰动作为状态变量，永磁同步电机的转矩Te作为系统输入，机械速度作为输出，方程如下：机械速度和系统扰动作为观测对象，观测器方程为：其中，l是观测器增益，u_o(e_w)表示对应于速度观测误差的滑模控制律；可得扰动观测器的误差方程：其中，为速度观测误差，为扰动观测误差；扰动观测器选取滑模面：同理求导得：选取趋近律：其中，εω为切换增益，将‑et/J作为扰动项，设计滑模扰动观测器控制律为：步骤6：采用饱和函数sat(s)取代扰动观测器控制律中的符号函数sign(s)，则扰动观测器控制律为：在扰动观测器控制律的作用下，系统轨迹可在有限时间内到达并停留在滑模面上；可得由上式可得：其中，CT是一个常数，为了保证扰动观测误差eT能够趋近于零，参数l必须满足：l<0，扰动观测误差趋近于零的速度直接取决于l值大小；再将观测的扰动值，加入到滑模速度控制器中，进行补偿；故最终的速度控制器表达式为：当系统远离滑模面的时候，新型趋近律中的趋近于远远大于原始增益k，保证系统有更小的趋近时间和更强的鲁棒性；终端项|s|^β的加入使得系统在远离滑模面的的情况下有更好的动态响应性，当靠近滑模面的时候，即|s|较小时，系数相当于(k+|s|^β)λ(|x₁|)，保证了一直小于原始增益k，能有效的抑制抖振；在控制律的作用下系统状态|x|逐渐趋近于零，系统轨迹逐渐接近滑模面；因此，基于该新型趋近律的控制器，能够动态适应系统状态和滑模面的变化，使永磁同步电机获得更好的控制性能。