永磁同步電機新型趨近律滑模變結構控制

歐陽凡，陳 林

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，武漢 430081）

永磁同步電機（PMSM）因其結構簡單、體積小、效率高等優點，被廣泛地應用于眾多領域。為了進一步提高PMSM調速系統的控制性能，滑模控制在一定的范圍內得到了應用[1-5]，但傳統滑模控制不可避免會產生高頻抖振，削弱抖振成為提高PMSM滑模控制性能的重要方法之一[6]。文獻[7]在變指數趨近律的基礎上引入了飽和函數來代替符號函數，能夠削弱系統的抖振。文獻[8]提出了一種新的雙冪次組合函數趨近律，使滑模變量在有限時間內收斂到穩態誤差內，且減少穩態誤差。文獻[9]基于反雙曲正弦函數，根據系統的狀態變量，采用變帶寬趨近方式，提出一種新型趨近律，有效地抑制系統的穩態轉矩脈動。文獻[10]是將冪次趨近律和變速趨近律結合在一起，有效地削弱系統的抖振現象。以上文獻的趨近律存在到達滑模面時間過長的問題，且系統的控制律均為積分形式，但沒有涉及系統的抗積分飽和。

針對以上問題，本文設計了一種新型趨近律。該趨近律引入一種新型飽和函數取代符號函數，由變速趨近律與冪次趨近律結合而成。在此基礎上，加入反饋抑制抗積分飽和的控制。經過仿真驗證，該方案可以很好的削弱系統的抖振，抑制了電機速度的超調量，增強系統的魯棒性。使得系統具有良好的穩態性能與動態性能。

1PMSM數學模型

建立永磁同步電機數學模型，電機在d-q旋轉坐標系中的定子電壓方程為

式中：ud，uq分別為 d，q 軸電壓；id，iq分別為 d，q 軸電流；Ld，Lq分別為 d，q 軸電感；Rs為定子相電阻；Ψf為轉子永磁體磁鏈；ωe為轉子電角度。

電磁轉矩方程為

運動方程為

式中：Te為電磁轉矩；TL為負載轉矩；p為極對數；J為轉動慣量；B為摩擦系數；ωm為轉子機械角速度，且 ωe=pωm[6]。

2 滑模變結構速度控制器設計

2.1 設計滑模變結構速度控制器

將PMSM速度控制系統的角速度誤差eω和角速度誤差的導數分別定義為狀態變量x1和x2。選擇id=0控制策略作為永磁同步電機系統的控制策略。將q軸的電流iq作狀態輸出。

式中：ω*為給定機械角速度。

由式（3）～式（6）可以得到速度環控制系統的狀態空間方程為

本文選取一般滑模面：

常用的趨近律有指數趨近律、冪次趨近律和等速趨近律等，但以上趨近律都存在不足。等速趨近律在削弱抖振與縮短到達時間之間存在比較大的矛盾。冪次趨近律可以很好地減小抖振，但到達的時間比較長。而指數趨近律中存在的等速項使得系統的抖振無法消除。

在文獻[10]的基礎上，本文提出一種變速冪次趨近律，使得系統能夠在削弱系統的抖振同時加快系統到達滑模面的時間。其具體形式為

式中：k1＞0；k2＞0；0＜α＜1。

該趨近律是由冪次趨近律與變速趨近律組成的。當系統遠離滑模面時，此時系統是按照冪次趨近律與變速趨近律的速率趨近滑模面，這樣有效地增強了系統在遠離滑模面時的趨近速率。當系統接進滑模面時，相比于文獻[10]，本文趨近律不存在無法到達滑模面的分量，參數變少，縮短系統到達滑模面的時間。這樣既能保證系統到達穩態的時間短，又能削弱系統的抖振。

將式（9）分為兩部分：

對式（10）兩邊同時積分，可以得到系統由初始狀態s（0）到達滑模面的時間t1為[11]

對式（11）兩邊同時積分，可以得到系統由初始狀態s（0）到達滑模面的時間t2為

本文所選的趨近律到達滑模面所需的時間ta為

令˙3=-k3｜x1｜s，兩邊同時積分得：

由式（15）可以得到s≠0，即文獻[10]中的趨近律的變指數項無法到達滑模面，而本文的趨近律是可以在有限時間內達到滑模面的。

為了得到帶寬，將式（9）離散化得到：

同理可以得到文獻[3]中所示趨近律得帶寬為

由式（16）與式（17）可以得到 Δ1=Δ2，即兩種趨近律在理論上都可以達到無抖振。

系統到達滑模面后，為了加快抖振削弱，本文在文獻[12]的特殊免疫函數的基礎上引入了一種新的連續性函數f（s）來替代冪次趨近律中的開關函數sgn（s）。f（s）表達式為

式中：δ＞0；e為自然對數的底數。

圖1為新的符號函數與普通的符號函數對比仿真圖。從圖中可以看出，新符號函數變化比較平滑，不存在普通符號函數因跳變而存在的抖振問題，由此可以比較好的削弱系統的抖振而且不會對系統到達穩態的時間產生很大的影響。

圖1 兩種符號函數對比圖Fig.1 Comparison of two symbolic functions

將式（7）中的e作為系統的擾動，由式（7）～式（9）得系統的控制律：

由式（21）可以看出，系統的控制律可以看作是一種積分。當控制器的輸出iq達到了電機的電流限定值iqmax后，系統輸出存在積分飽和現象，這會促使電機的速度的超調量過大。本文在滑模控制上加入了抗積分飽和方案，如圖2所示。

圖2 滑模抗積分飽和控制系統框架Fig.2 Frame diagram of sliding mode anti integral saturation control system

圖2中iq為系統通過控制律得到的輸出，iq*為iq經過飽和輸出后的輸出。當iq*=iq時，此時系統沒有進入飽和狀態。當iq＞iq*時，此時系統進入了積分飽和狀態，利用抗積分飽和策略，這能夠很好地削弱系統的超調量。由圖2可知利用抗積分飽和的滑模控制系統的控制律為

2.2 穩定性分析

即滿足滑模控制到達條件。

將式（9）代入到式（23）中，得：

式中：k1＞0，k2＞0，0＜α＜1。

綜上所述，s與s˙異號，本文趨近律滿足穩定性條件，能夠保證系統能夠進入滑動模態。

3 仿真實驗

PMSM滑模調速系統的結構框圖如圖3所示。在Matlab環境下建立系統的仿真模型進行仿真。電機的仿真參數：額定轉速為1000 r/min，定子電阻為0.985 Ω，定子直軸電感 Ld為5.25 mH，定子交軸電感Lq為 12 mH，極對數為4，轉子磁通 Ψf為0.1827 Wb，轉動慣量 J為 0.003 kg·m2，阻尼系數 B為 0.008 N·m·s。

仿真條件設置：直流側電流Udc為311 V，PWM開關頻率 fpwm為 10 kHz，采樣周期 TS為 10 μs，仿真時間為0.4 s。在0.2 s時，將電機的負載從0 N·m增加到10 N·m。電機的電流限幅值為-30 A～30 A。

圖3 PMSM滑模調速系統結構框圖Fig.3 Block diagram of PMSM sliding mode speed regulation system

滑模速度控制器的參數為k1=2000，k2=3000，c=600，δ=0.25。抗積分飽和參數為K=15。仿真結果如圖4～圖7所示。

圖8～圖11為一般指數趨近律滑模控制仿真結果圖，一般指數趨近律的形式為

仿真參數為 k1=200，k2=300，c=30。

分析以上仿真波形可以看出：

圖4 新型趨近律抗飽和滑模速度環控制輸出Fig.4 New reaching law anti saturation sliding mode speed loop control output

圖5 新型趨近律抗飽和SMC轉矩響應Fig.5 Torque response of the new reaching law anti saturation SMC

圖6 新型趨近律抗飽和SMC轉速響應Fig.6 Speed response of the new reaching law anti saturation SMC

圖7 新型趨近律抗飽和SMC三相電流響應Fig.7 Three phase current response of the new reaching law anti saturation SMC

圖8 一般指數趨近律SMC控制iq*響應Fig.8 General exponential reaching law SMC response iq*

圖9 一般指數趨近律SMC控制電磁轉矩響應Fig.9 Electromagnetic torque response of the general exponential reachinglaw SMC

圖10 一般指數趨近律SMC速度響應Fig.10 Speed response of the general exponential reaching law SMC

圖11 一般指數趨近律SMC三相電流響應Fig.11 Three phase current response of the general exponential reaching law SMC

（1）在電機啟動的時候，電機的電流達到限幅值，新型趨近律抗積分飽和滑模控制器的作用下，轉速能夠在0.02 s到達給定速度，且超調量小。轉矩的抖動幅度比一般指數趨近律滑模控器的抖動幅度小。控制器的輸出值iq*也能夠很快的到達穩定狀態。

（2）在0.2 s時，電機突加負載，此時電機的電流是沒有達到限幅值，抗積分飽和控制不起作用。對比以上仿真結果圖可知，新型滑模控制器作用下，電機能夠很快的到達穩定狀態。并且電機的轉速下將比較小，轉矩的抖動也很小。

4 結語

針對傳統的一般指數趨近律在遠離滑模面時的速度慢且到達滑模面時的速度過快的問題，本文在文獻[3]的基礎上，將冪次趨近律與變速趨近律結合在一起，并引入新的開關函數 f（s），得到新的趨近律。該方案能夠加快系統趨近滑模面的速度，并且能夠削弱系統到達滑模面后的抖動。相比較于文獻[3]的趨近律，本文所選用的趨近律能夠加快系統在滑模面上的抖振虛弱速度。由于文獻[3]中沒有考慮到系統的積分飽和問題，本文加入了反饋抗積分飽和控制策略。將新型冪次趨近律抗積分飽和滑模控制器應用到電機的速度控制中。仿真結果證明，本文的控制策略能夠很好的削弱系統的抖振，縮短了系統的到達滑模面的時間，抑制了系統的超調量，改善了系統的穩態與動態性能。