直流串激电机速度的滑模控制
汤炳新
(河海大学机电工程学院,江苏常州213022)
摘要:讨论直流串激电机的速度控制问题.应用综合方法建立了电机的非线性模型,从理论上推导了滑模控制律,并用仿真和实验验证了其有效性.为实施控制设计了一个用于观测电机负载转矩的Luenberger观测器和一个角加速度估计器;为了减小由于执行中采样造成的稳态误差,提出了一种带有附加PI控制器的改进的滑模控制律.实验结果表明改进的滑模控制律的控制效果明显优于普通PID调节器和普通的滑模控制律.
关键词:滑模;速度控制;直流串激电机
中图分类号:TM351文献标识码:A
直流串激电机成本低廉,具有小载荷高速度、低速度大载荷等性能,在工业领域有着广泛的应用.然而,直流串激电机的机械特性较软,其速度在开环运行方式下容易失控.例如,某些电动搅拌器需要周期性的精确的速度变化,但经常会因载荷变化而造成较大的速度波动[1].因此,建立有效的闭环速度控制系统是十分必要的.
直流串激电机属于典型的机电一体系统,它的数学模型是非线性的,很难为其设计一个合适的速度控制律,通常采用PID调节器进行速度控制,但PID的参数很难调整.事实上,直流串激电机的参数并非常数,而是随电机速度和环境温度改变的,因此PID控制器的鲁棒性难以得到保证.文献[2-4]对直流串激电机速度非线性控制和反馈线性化控制展开研究,但反馈线性化中会因电流初始值为零而出现奇异性问题.
滑模控制(SMC)是一种非线性控制方法,其特点是对系统参数的不确定性具有不变性.Utkin等[5]和王丰尧[6]对基于线性动力学的并励直流电机的滑模控制理论进行了研究.作者在此基础上将滑模控制理论应用于基于非线性动力学的直流串激电机,并采用PC机和hardware-in-the-loop仿真技术进行数字控制实验.
4实验结果
实验采用PC机和hardware!in!the!loop,总的采样频率与仿真时相同.被控对象为一台廉价的用于高速转子动力学实验的单相串激交直流两用电动机.实验采用的开关式功率放大器主要包含一个整流器和一个600 V绝缘栅双极晶体管(IGBT).整流器将114 V交流电转换为160 V直流电,该直流电通过IGBT以脉宽调制方式(载波频率为1 500 Hz)馈入直流串激电机.IGBT的栅极信号来自光电耦合器的输出,光电耦合器的输入与安装在PC机中的PCI6025E卡(National Instruments)上的D/A输出相接.
电枢电流由额定电流为15 A的Hall电流传感器监测;转子的速度由具有15个齿的Hall齿轮传感器测量,该传感器发出脉冲信号经采样输送到PC机,控制程序将脉冲信号转换为旋转频率.实验得到的用于验证滑模存在的相图与仿真结果相当吻合,如图2(b)所示.
图4给出了在2种不同速度设定和控制律下的速度控制结果.实验时的系统参数和控制参数与仿真时的相同.图4(a)和(b)是PID控制结果,其中PID参数均已反复调试直至最佳.实验发现,虽然PID控制下的稳态误差很小,但因为系统的非线性,控制器参数的最佳值和调整时间均会随阶跃输入的幅值不同而有较大的分散性;此外,低速时对速度信号的采样频率低,在电机转速ω=200 r/min时速度响应具有较强的振荡,如图4(b)所示,且该振荡无法通过调节3个控制器参数加以有效控制.
图4(c)和(d)表明了滑模控制的优良性能.与PID控制相比,SMC不需要反复调整参数而且调节时间很短,低速下的振荡也很小;然而,高速下的超调较大并且在高速和低速时均有明显的稳态误差.实验发现增大切换函数中的参数c可以减小稳态误差,但这会使低速时的振荡恶化.因此可先将c固定为50然后采用改进的滑模控制律.
采用改进的SMC后,得到了理想的控制结果,如图4(e)和(f)所示,响应具有调整时间短、稳态误差小、低速振荡弱等特点.这些特点说明通过控制能将廉价的电机改进为伺服电机.
图5给出了速度跟踪的实验结果,该实验进一步证明了改进的SMC控制律具有最佳的控制效果.波形中的下降沿不够理想,这是由电机的电枢电压不对称引起的,这一问题可以通过增加系统的阻尼和负载来解决.
5 结论
基于PC机的数字直流串激电机速度控制可以成功地实现滑模运动,滑模控制不需要繁琐的PID参数调整过程.滑模控制的优点是调整时间短、低速振荡小,对于超调和稳态误差问题也可以采用本文提出的改进滑模控制律加以解决.
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