基于全魯棒滑模控制的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)矢量控制*

楊代利， 張宏立

(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830047)

0 引 言

永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchro-nous Motor, PMSM)具有高效率、低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、高動(dòng)態(tài)性能和高能量密度等特點(diǎn)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于大范圍的調(diào)速和定位系統(tǒng)中(如機(jī)械加工設(shè)備、機(jī)器人、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置等)，尤其適合于高精度、高性能應(yīng)用的場(chǎng)合。但是，PMSM是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性、變參數(shù)的復(fù)雜對(duì)象。高性能的伺服控制系統(tǒng)要求具備響應(yīng)快、無(wú)超調(diào)、抗干擾及調(diào)速精度高等特性。對(duì)于模型不確定、參數(shù)攝動(dòng)和不確定的外部干擾，魯棒性是衡量控制系統(tǒng)響應(yīng)參考輸入的重要指標(biāo)[1]。常規(guī)的PID控制系統(tǒng)魯棒性不夠理想，很難得到比較滿意的結(jié)果，而滑模變結(jié)構(gòu)控制(Sliding Mode Control, SMC)具有較強(qiáng)的魯棒性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快速，在PMSM的伺服系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[2]將一種新的變積分切換增益的全局滑模控制策略應(yīng)用于PMSM的矢量控制中,既解決了傳統(tǒng)滑模控制中的趨近模態(tài)不具有魯棒性的缺點(diǎn),又可解決滑模控制中的抖振問(wèn)題。文獻(xiàn)[3]針對(duì)不確定性定常系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種基于全程滑動(dòng)模態(tài)的控制律，且在控制律中加入了變因子項(xiàng)，改善了系統(tǒng)性能，消除了到達(dá)階段，具有精度高、魯棒性強(qiáng)等特性。

本文針對(duì)PI控制器自適應(yīng)和魯棒性差等缺點(diǎn)，提出了一種時(shí)變滑模面。該滑模面帶有一個(gè)時(shí)間的指數(shù)函數(shù)，由于系統(tǒng)初始狀態(tài)就位于滑模面上，消除了到達(dá)階段。根據(jù)該滑模面推導(dǎo)了控制律。為盡可能減弱抖振，采用連續(xù)函數(shù)替代了符號(hào)函數(shù)，并將負(fù)載轉(zhuǎn)矩視為干擾。所設(shè)計(jì)的全魯棒SMC控制器進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)抗干擾能力。最后，通過(guò)仿真表明，本文所設(shè)計(jì)的全魯棒滑?？刂破鞅萈I控制器具有更強(qiáng)的魯棒性。

1 PMSM的數(shù)學(xué)模型

在研究PMSM的數(shù)學(xué)模型時(shí)，作如下假設(shè)：

(1) 不考慮磁路飽和；

(2) 不計(jì)電動(dòng)機(jī)的渦流和磁滯；

(3) 電動(dòng)機(jī)具有正弦反電勢(shì)，電流為對(duì)稱的三相正弦波電流；

(4) 轉(zhuǎn)子上不存在阻尼繞組。

PMSM矢量控制方法是在dq軸數(shù)學(xué)模型上進(jìn)行的，不僅可用于分析正弦波PMSM的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能，也可用于分析電動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)性能。采用ids=0的PMSM轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制，此時(shí)轉(zhuǎn)矩大小與轉(zhuǎn)矩電流成正比，實(shí)現(xiàn)了PMSM的解耦控制。在dq坐標(biāo)系下PMSM的狀態(tài)方程：

(1)

PMSM的轉(zhuǎn)矩方程：

(2)

PMSM的運(yùn)動(dòng)方程：

(3)

式中：uqs、iqs——定子電壓、電流的q軸分量；

R——定子繞組電阻；

L——等效d、q軸電感；

pn——極對(duì)數(shù)；

ψf——轉(zhuǎn)子永磁體的磁鏈；

ω——轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；

J——折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

B——黏滯摩擦；

TL——折算到電機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

2 滑模面及控制策略設(shè)計(jì)

2.1 PMSM的狀態(tài)方程

式中：θ*——給定位置；

θ——實(shí)際位置。

(4)

可得狀態(tài)方程為

(5)

2.2 滑模面的設(shè)計(jì)

全魯棒滑模變結(jié)構(gòu)位置控制器設(shè)計(jì)包括滑動(dòng)面設(shè)計(jì)和滑模控制律設(shè)計(jì)，以及削弱抖振的方法。為使系統(tǒng)具有全局魯棒性，消除到達(dá)階段，縮短到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，設(shè)計(jì)時(shí)變滑模面：

s=Cx-f(t)

(6)

此時(shí)，時(shí)變滑模面必須滿足如下條件：

(1)f(0)=Cx(0)，即狀態(tài)一開(kāi)始就處于滑模面上；

(2) 當(dāng)t→∞時(shí)，f(t)→0，保證所設(shè)計(jì)的時(shí)變滑模面最終能到達(dá)期望滑模面。

為了滿足系統(tǒng)控制和時(shí)變滑模面要求，本文設(shè)計(jì)時(shí)變滑模面為

s=Cx-Cx(0)e-βt

(7)

其中，C為滑模面參數(shù)，C的選取關(guān)系到系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短，C過(guò)小系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)慢，而C過(guò)大可能出現(xiàn)超調(diào)。C的選取至關(guān)重要。

2.3 控制律設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析

考慮有擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的狀態(tài)方程：

(8)

其中，ΔA,ΔB是不確定項(xiàng)，主要由J,B,TL參數(shù)的變化引起。負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL時(shí)常發(fā)生變化，本文將f=TL看作系統(tǒng)的擾動(dòng)，將其包含于控制律中。

設(shè)計(jì)控制律為

Uss=-g(t)(CB)-1sgn(s)

(9)

穩(wěn)定性證明[5]從略。

為了減小抖振，用函數(shù)sat(s)代替符號(hào)函數(shù)sgn(s)：

(10)

式中，ε是一個(gè)小的正數(shù)，選取適當(dāng)?shù)摩?，?duì)于削弱抖振，能起到至關(guān)重要的作用。

2.4 滑模面參數(shù)C設(shè)計(jì)

滑模面的設(shè)計(jì)主要有極點(diǎn)配置法、二次型最優(yōu)設(shè)計(jì)法、矩陣廣義逆和投影變化設(shè)計(jì)法等。本文采用極點(diǎn)配置法來(lái)設(shè)計(jì)時(shí)變滑模面參數(shù)C。

將式(7)、式(8)改寫(xiě)如下：

s=c1x1+c2x2-Cx(0)e-βt=0

(11)

(12)

由此可得降階滑動(dòng)模態(tài)狀態(tài)方程：

ΔB1+Df+(A22+ΔA22)Cx(0)e-βt

(13)

3 仿真及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證上述SMC控制器，對(duì)PMSM伺服系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并與PID控制器進(jìn)行對(duì)比。使用MATLAB/Simulink軟件電氣模型庫(kù)SimPower-Systems搭建仿真模型，PMSM伺服系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 PMSM伺服控制系統(tǒng)仿真框圖

PMSM參數(shù)如下：Ld=Lq=8.5mH,Pn=4,R=2.875Ω,J=8×10-4kg·m2,Ψf=0.175Wb，B=1×10-4N·m·s。

(1) 當(dāng)電機(jī)空載時(shí)，給定位置由6rad跳變到-6rad，再由-6rad跳變到50rad，最后回到0。階躍位置響應(yīng)對(duì)比曲線如圖2所示。

圖2 階躍位置響應(yīng)對(duì)比曲線

從圖2可見(jiàn)，當(dāng)電機(jī)空載，轉(zhuǎn)矩沒(méi)有變化和沒(méi)有擾動(dòng)以及電機(jī)本身參數(shù)不發(fā)生攝動(dòng)時(shí)，全魯棒SMC控制器響應(yīng)時(shí)間較快。

(2) 給定位置θ=6rad，帶負(fù)載TL=1N·m運(yùn)行，在t=0.1s時(shí)，突加負(fù)載TL=4N·m，并持續(xù)時(shí)間0.03s，在t=0.2s負(fù)載變化為T(mén)L=4N·m。

從圖3、圖4可見(jiàn)，帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，全魯棒SMC控制器穩(wěn)態(tài)誤差幾乎為零，而PID控制器具有一定的穩(wěn)態(tài)誤差。在t=0.1s突加負(fù)載時(shí)，全魯棒SMC控制器階躍位置響應(yīng)基本沒(méi)有波動(dòng)，而PID控制器在突加轉(zhuǎn)矩時(shí)，位置明顯下降。

圖3 帶負(fù)載和有干擾以及負(fù)載變化對(duì)比曲線

圖4 轉(zhuǎn)速響應(yīng)對(duì)比曲線

(3) 給定位置θ=6rad，帶負(fù)載TL=1N·m，且電機(jī)的固有參數(shù)攝動(dòng)20%。參數(shù)變化前后，SMC和PI階躍位置響應(yīng)曲線分別如圖5、圖6所示。

圖5 參數(shù)變化前后SMC階躍位置響應(yīng)曲線

圖6 參數(shù)變化前后PI階躍位置響應(yīng)曲線

圖5和圖6表明，全魯棒SMC控制器在有參數(shù)攝動(dòng)時(shí)，其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)基本沒(méi)變化。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文為解決PI調(diào)節(jié)器存在的問(wèn)題，依據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)理論設(shè)計(jì)了PMSM伺服系統(tǒng)中的位置控制器。針對(duì)電機(jī)三種工作情況進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明用全魯棒滑?？刂品椒ㄔO(shè)計(jì)的同步電機(jī)伺服系統(tǒng)比PI控制器位置伺服系統(tǒng)具有更好的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能，以及更強(qiáng)的抗干擾能力和魯棒性。

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