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CN112072973A - 一种基于预测自适应律的永磁同步电机超扭滑模控制方法 - Google Patents

一种基于预测自适应律的永磁同步电机超扭滑模控制方法 Download PDF

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CN112072973A
CN112072973A CN202010856897.3A CN202010856897A CN112072973A CN 112072973 A CN112072973 A CN 112072973A CN 202010856897 A CN202010856897 A CN 202010856897A CN 112072973 A CN112072973 A CN 112072973A
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CN
China
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sliding mode
motor
permanent magnet
speed
controller
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CN202010856897.3A
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陈超波
徐唱
王坤
高嵩
李继超
贺晓倩
李文杰
党康博
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Xian Technological University
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Xian Technological University
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Abstract

本发明涉及一种基于预测自适应律的永磁同步电机超扭滑模控制方法。该方法如下：由位置或速度传感器获得电机转子实际位置θe和机械角速度ω。将给定的机械角速度ω*与实际的机械角速度ω的转速误差作为预测自适应超扭滑模控制器的输入，实时调节系统参数。调节得到的q轴电流作为输入进入电流控制器中，再经过坐标变换，得到电机在两相静止坐标系下的电压，驱动电机运行，实现永磁同步电机的转速跟踪控制。本发明采用预测自适应超扭滑模控制策略，有效地抑制了无边界确定性干扰对系统的影响。利用高阶滑模控制特性，有效地抑制了系统的抖振，并减小了观测器带来的观测误差对系统的影响。

Description

一种基于预测自适应律的永磁同步电机超扭滑模控制方法
技术领域
本发明主要涉及永磁同步电机控制技术领域，具体涉及一种基于预测自适应律的永磁同步电机超扭滑模控制方法。
背景技术
永磁同步直线电机以其高效、高精度、低功耗、大推力、快速响应、易控制等显著优势，在航天数控机床行业具有广阔的发展前景，随着微型计算机的发展，工业机器人等电传动领域有着巨大的发展潜力，高性能DSP的出现促进了复合控制算法在电机控制中的应用。永磁同步电动机在运行过程中容易受到推力波动和电机内部磁场分布不均匀的边缘效应和端部效应的影响。同时由于永磁同步电动机直接驱动负载，运行过程中负载的变化和受到的外界干扰都会直接影响电机的运动，从而大大降低了电机的运动精度。
面对电机运行过程中电气参数的变化和恶劣的工业环境，必须具有良好的抗干扰性能。采用无位置传感器控制，降低观测器带来的观测误差和整个控制系统引起的结构误差是必须解决的问题。这就对永磁同步电动机的控制策略提出了更高的要求。
发明内容
本发明提供一种基于预测自适应律的永磁同步电机超扭滑模控制方法，其目的在于在保持最快响应和较强鲁棒性的基础上，不仅能进一步抑制推力脉动，而且能有效地避免或抑制观测器产生的“抖振”。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于预测自适应律的永磁同步电机超扭滑模控制方法，由位置或速度传感器获得电机转子实际位置θe和机械角速度ω；将给定的机械角速度ω*与实际的机械角速度ω的转速误差作为预测自适应超扭滑模控制器的输入，实时调节系统参数；调节得到的q轴电流作为输入进入电流控制器中，再经过坐标变换，得到电机在两相静止坐标系下的电压，驱动电机运行，实现永磁同步电机的转速跟踪控制。
进一步的，具体包括以下步骤：
由位置或速度传感器获得电机转子实际位置θe和机械角速度ω；
为了便于控制器的设计，表贴式PMSM电机在同步旋转坐标系下的数学模型为：
Figure BDA0002646681720000021
其中：ud、uq分别是定子电压的d-q轴分量；id、iq分别是定子电流的d-q轴分量；R是定子的电阻；Ls是定子电感；ψf代表永磁体磁链；pn为磁极对数；J为转动惯量；TL为负载转矩；ωm为电机的机械角速度；
将给定的机械角速度ω*与实际的机械角速度ω的转速误差作为预测自适应超扭滑模控制器的输入，实时调节系统参数；
定义滑模面函数为s＝cx1+x2；
其中c＞0；
设计预测自适应律为
Figure BDA0002646681720000022
式中
Figure BDA0002646681720000023
为估计增益，
Figure BDA0002646681720000024
的估计速度取决于
Figure BDA0002646681720000025
s为滑模面函数；
定义选择速度滑模面为sω＝ω*-ω；
定义基于超扭算法的二阶滑模速度控制器为：
Figure BDA0002646681720000026
可以设计速度控制器中的kp、ki参数；
调节得到的q轴电流作为输入进入电流控制器中；
再经过坐标变换，得到电机在两相静止坐标系下的电压，驱动电机运行，实现永磁同步电机的转速跟踪控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明所提出的方法采用预测自适应超扭滑模控制策略，有效地抑制了无边界确定性干扰对系统的影响。利用高阶滑模控制特性，有效地抑制了系统的抖振，并减小了观测器带来的观测误差对系统的影响。
附图说明
图1为本控制器的预测自适应律原理图；
图2为本超扭滑模控制器的原理图；
图3是本发明的整体结构示意图；
图4为在无负载扰动下，速度控制分别为PI控制、超扭滑模控制和预测自适应超扭滑模控制三种控制方法下的转速曲线对比图；
图5为在有负载扰动下，速度控制分别为PI控制、超扭滑模控制和预测自适应超扭滑模控制三种控制方法下的转速曲线对比图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中,很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而,本领域技术人员可以毫不费力的认识到,其中部分特征在不同情况下是可以省略的,或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下,本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述,这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没,而对于本领域技术人员而言,详细描述这些相关操作并不是必要的,他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
下面结合附图对本发明实例提供的一种基于预测自适应律的永磁同步电机超扭滑模控制方法进行详细描述。本例实施于永磁同步电机速度控制中,采用双闭环控制,内环为电流环,外环为速度环。
本发明方法的基本思路如下：由位置或速度传感器获得电机转子实际位置θe和机械角速度ω。将给定的机械角速度ω*与实际的机械角速度ω的转速误差作为预测自适应超扭滑模控制器的输入，实时调节系统参数。调节得到的q轴电流作为输入进入电流控制器中，再经过坐标变换，得到电机在两相静止坐标系下的电压，驱动电机运行，实现永磁同步电机的转速跟踪控制。
由位置或速度传感器获得电机转子实际位置θe和机械角速度ω。
为了便于控制器的设计，表贴式PMSM电机在同步旋转坐标系下的数学模型如下式：
Figure BDA0002646681720000031
其中：ud、uq分别是定子电压的d-q轴分量；id、iq分别是定子电流的d-q轴分量；R是定子的电阻；Ls是定子电感；ψf代表永磁体磁链；pn为磁极对数；J为转动惯量；TL为负载转矩；ωm为电机的机械角速度。
对表贴式PMSM来说，采用id＝0的转子磁场定向控制方法即可获得较好的控制效果，此时式(1)则可变为如下的数学模型:
Figure BDA0002646681720000032
定义PMSM系统的状态变量：
Figure BDA0002646681720000033
图1为将本发明应用于永磁同步电机的速度控制器的预测自适应律原理图，定义的滑模面函数为s＝cx1+x2(4)。
采用指数趋近律方法，得到滑模面函数的导数
Figure BDA0002646681720000041
Figure BDA0002646681720000042
对(5)求导可得
Figure BDA0002646681720000043
将(5)带入(6)得到控制器的表达式为：
Figure BDA0002646681720000044
得q轴的参考电流为
Figure BDA0002646681720000045
Δψ、ΔTL分别为ψf0、TL0的参数扰动,不确定参数式为
Figure BDA0002646681720000046
式(3)可表示为：
Figure BDA0002646681720000047
式(5)可表示为：
Figure BDA0002646681720000048
设计的预测自适应律为：
Figure BDA0002646681720000049
图2为本超扭滑模控制器的原理图，设计的一种基于超扭算法的二阶滑模速度控制器，选择速度滑模面为：sω＝ω*-ω (13)。
设计的基于超扭算法的二阶滑模速度控制器为：
Figure BDA00026466817200000410
式(14)中的速度控制器中的参数kp，ki可以通过设计得到。通过所设计的速度控制器，在电机运行过程中，在电机运行过程中，在复杂的外界干扰下，使电机的速度与给定的参考速度保持一致。
本发明是通过上述方法，在保持最快响应和较强鲁棒性的基础上，不仅能进一步抑制推力脉动，而且能有效地避免或抑制观测器产生的“抖振”。采用预测自适应超扭滑模控制策略，有效地抑制了无边界确定性干扰对系统的影响。利用高阶滑模控制特性，有效地抑制了系统的抖振，并减小了观测器带来的观测误差对系统的影响。本发明可以应用于各种功率的永磁同步电机速度闭环控制。参见图3，图3是本发明的整体结构图。
图4为在无负载扰动下，速度控制分别为PI控制、超扭滑模控制和预测自适应超扭滑模控制三种控制方法下的转速曲线对比图。参照图4，当转速指令为1000r/min时，基于预测自适应超扭滑模控制器的要比PI控制器和超扭滑模控制器的控制性能优越，可以快速准确地响应速度指令。
图5为在有负载扰动下，三种控制方法的转速曲线对比图。参照图5，当转速指令为1000r/min时，在0.2s突然加10N·m的负载，基于预测自适应超扭滑模控制器的要比PI控制器和超扭滑模控制器的曲线波动更小，且响应时间更短。
仿真结果表明，预测自适应律能准确估计系统扰动变化值，并据此进行实时电流补偿，从而抑制转速波动，提高系统抗扰动能力。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述,只是用于帮助理解本发明,并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员,依据本发明的思想,还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (2)

1.一种基于预测自适应律的永磁同步电机超扭滑模控制方法，其特征在于，由位置或速度传感器获得电机转子实际位置θe和机械角速度ω；将给定的机械角速度ω*与实际的机械角速度ω的转速误差作为预测自适应超扭滑模控制器的输入，实时调节系统参数；调节得到的q轴电流作为输入进入电流控制器中，再经过坐标变换，得到电机在两相静止坐标系下的电压，驱动电机运行，实现永磁同步电机的转速跟踪控制。
2.根据权利要求1所述基于预测自适应律的永磁同步电机超扭滑模控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
由位置或速度传感器获得电机转子实际位置θe和机械角速度ω；
为了便于控制器的设计，表贴式PMSM电机在同步旋转坐标系下的数学模型为：
Figure FDA0002646681710000011
其中：ud、uq分别是定子电压的d-q轴分量；id、iq分别是定子电流的d-q轴分量；R是定子的电阻；Ls是定子电感；ψf代表永磁体磁链；pn为磁极对数；J为转动惯量；TL为负载转矩；ωm为电机的机械角速度；
将给定的机械角速度ω*与实际的机械角速度ω的转速误差作为预测自适应超扭滑模控制器的输入，实时调节系统参数；
定义滑模面函数为s＝cx1+x2；
其中c＞0；
设计预测自适应律为
Figure FDA0002646681710000012
式中
Figure FDA0002646681710000013
为估计增益，
Figure FDA0002646681710000014
的估计速度取决于
Figure FDA0002646681710000015
s为滑模面函数；
定义选择速度滑模面为sω＝ω*-ω；
定义基于超扭算法的二阶滑模速度控制器为：
Figure FDA0002646681710000016
可以设计速度控制器中的kp、ki参数；
调节得到的q轴电流作为输入进入电流控制器中；
再经过坐标变换，得到电机在两相静止坐标系下的电压，驱动电机运行，实现永磁同步电机的转速跟踪控制。
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