基于改進補償?shù)腜MSM滑膜-內(nèi)膜控制

摘 要：本文研究永磁同步電機在控制過程中存在的擾動、超調(diào)和轉(zhuǎn)矩輸出變化較大等問題，分析了滑模控制的特點和性能，針對電機轉(zhuǎn)速控制設(shè)計了滑模速度控制器，提高了電機轉(zhuǎn)速的控制精度，提出了電機控制電流前饋補償控制策略。在這個基礎(chǔ)上，本文結(jié)合電機轉(zhuǎn)速滑模控制設(shè)計了擾動觀測器，構(gòu)成了前饋-反饋控制系統(tǒng)，并采用內(nèi)膜控制算法進行仿真分析。仿真結(jié)果表明，與其他的控制方法相比，這種改進后的控制策略具有響應(yīng)速度快、抖振小和穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確度高等優(yōu)點，優(yōu)化了系統(tǒng)的控制性能。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機；滑模控制；前饋補償；內(nèi)膜控制

中圖分類號：TM 341" " " " " " " " 文獻標(biāo)志碼：A

針對傳統(tǒng)PID在高精度伺服控制系統(tǒng)方面存在的問題，有學(xué)者將滑模變結(jié)構(gòu)（Sliding Mode Control，SMC）應(yīng)用在永磁同步電機（Permanent Magnetic Synchronous Machine，PMSM）速度控制系統(tǒng)的設(shè)計中，并取得了一定的成果。文獻[1]在飽和（Sat）函數(shù)的邊界層內(nèi)采用線性反饋，有效減輕了滑模變結(jié)構(gòu)切換引起的抖動現(xiàn)象。文獻[2]通過整合位置環(huán)與速度環(huán)，成功解決了速度限幅問題。文獻[3]為了提高汽車的穩(wěn)定性和實時性，采用了指數(shù)趨近律作為積分滑模面的趨近律，以控制滑模運動。本文將內(nèi)膜控制（Internal Model Control，IMC）以及負載轉(zhuǎn)矩補償應(yīng)用在滑模變結(jié)構(gòu)控制中，得到一種改進補償SMC-IMC的控制方法。本文引入改進的新型趨近率，結(jié)合轉(zhuǎn)矩補償與前饋控制，降低系統(tǒng)抖振，提高系統(tǒng)性能。仿真結(jié)果表明，改進后的補償SMC-IMC控制策略在響應(yīng)速度、振動幅度和穩(wěn)態(tài)精度方面均表現(xiàn)出色，在系統(tǒng)控制方面取得了明顯效果。

1 PMSM模型的建立

2 控制器設(shè)計

2.1 滑模控制器設(shè)計

2.2 擾動觀測器設(shè)計

3 電流環(huán)內(nèi)膜解耦控制

隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，工業(yè)生產(chǎn)過程也變得十分復(fù)雜。因此，人們對控制生產(chǎn)過程的系統(tǒng)的要求不斷提高。為了解決在工業(yè)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的不確定性、非線性等復(fù)雜問題，學(xué)者提出了各種先進控制算法，其中就包括內(nèi)模控制。

內(nèi)膜控制（Internal Model Control，IMC）[9]是一種先進的控制策略，能夠處理具有不確定性和干擾的工業(yè)過程控制問題。其在控制器內(nèi)部構(gòu)建一個被控過程的精確模型，利用該模型來預(yù)測和補償系統(tǒng)的動態(tài)特性和外部干擾。內(nèi)膜控制算法將控制系統(tǒng)分解成若干個子系統(tǒng)，以便進行控制器的優(yōu)化設(shè)計，并根據(jù)每個子模塊對系統(tǒng)控制的不同作用，采用相應(yīng)的控制結(jié)構(gòu)，獲得滿意的結(jié)果。內(nèi)模控制的設(shè)計原理簡單，其能夠綜合考慮多種性能指標(biāo)，隨時根據(jù)參數(shù)調(diào)整系統(tǒng)的速度和魯棒性，因此控制性能更高。

4 試驗和結(jié)果分析

4.1 仿真模型

為了對本文提出的改進補償PMSM滑膜-內(nèi)膜控制系統(tǒng)的可行性與實用性進行驗證，筆者在Simulink中搭建PMSM的控制系統(tǒng)，并對其進行仿真和分析。PMSM參數(shù)見表1，基于改進補償?shù)腟MC-IMC永磁同步電機控制框如圖3所示。

4.2 仿真結(jié)果分析

設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，直流側(cè)電壓UDC為311 V，初始負載轉(zhuǎn)矩為1 N·m，當(dāng)電機運行0.2 s時增加10 N·m負載轉(zhuǎn)矩，當(dāng)電機運行0.3 s時減少6 N·m負載轉(zhuǎn)矩。

速度響應(yīng)曲線的局部放大如圖4所示，當(dāng)負載變化時的速度響應(yīng)曲線如圖5所示。由圖4可知，本文提出的改進補償SMC-IMC方法提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能和抗干擾能力，且使系統(tǒng)的超調(diào)量減少為0。

由圖5可知，在負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變的情況下，所有方法都需要約0.02 s跟蹤取得負載轉(zhuǎn)矩的實際值，本文方法削弱抖振的效果更好。

負載轉(zhuǎn)矩擾動觀測的局部放大如圖6所示，負載轉(zhuǎn)矩擾動觀測如圖7所示。由圖6、圖7可知，SMC、SMC-IMC和基于負載轉(zhuǎn)矩補償?shù)腟MC-IMC方法的三相電流對比情況。當(dāng)電機運行0.2 s時增加10 N·m負載轉(zhuǎn)矩，當(dāng)電機運行0.3 s時減少6 N·m負載轉(zhuǎn)矩，3種方法需要的三相電流幅值相似。與傳統(tǒng)PI、常規(guī)SMC以及改進補償SMC方法相比，本文方法啟動電流變小，電機穩(wěn)定性提高。

三相電流對比如圖8所示，綜合對比3種方法，本文方法在三相電流控制中性能最高。其不僅加快了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，還有效減少了電流波動，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，本文方法是三相電流控制中更好的選擇。

5 結(jié)論

本文結(jié)合改進補償?shù)幕？刂婆c內(nèi)膜控制，提升了PMSM控制系統(tǒng)的性能，并對控制策略進行分析和仿真驗證，得到以下3個成果。1）在傳統(tǒng)滑模控制器設(shè)計的基礎(chǔ)上，引用改進的新型趨近率，有效降低了滑模控制器的高頻抖動。2）設(shè)計了一種負載轉(zhuǎn)矩擾動觀測器，解決了系統(tǒng)的抖振問題。3）引入了IMC內(nèi)膜控制，提高了該系統(tǒng)整體的魯棒性和動態(tài)性，縮短了轉(zhuǎn)速進行超調(diào)量和調(diào)節(jié)所需的時間。

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通信作者：鄧鑫（1980—），男，漢族，遼寧瓦房店人，博士研究生，教授，研究方向為冶金自動化。

電子郵箱：dengxin@ustl.edu.cn。