永磁同步电动机大惯量负载的滑模变结构控制
李 仪 郭 宏 蔚永强
(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100083)
摘 要:当负载的转动惯量较大时,直接驱动式永磁同步电动机(PMSM, PermanentMagnetSynchronousMotor)系统在启动、停止或速度有变化的情况下,会产生很大的惯性转矩,从而对系统的控制性能产生影响.为了解决此类问题,采用了滑模变结构的控制方法.首先建立了PMSM的数学模型,同时考虑了摩擦对于系统的影响.在此基础上,设计了滑模变结构控制器,并运用Ansoft公司的Simplorer仿真系统对整个系统进行了仿真,对比例-积分(PI, Pro-portion-Integral)控制和滑模变结控制性能进行了比较.结果表明,滑模变结构控制方法能很好地适应大惯量负载控制系统.
关 键 词:永磁;同步电动机;电动机控制;滑模
中图分类号: TM 351
文献标识码: A 文章编号: 1001-5965(2007)10-1208-04
在航空航天领域中,飞行仿真转台是飞行器控制系统地面半实物实时仿真中最关键的设备,是一种高精度的复杂控制系统.但是其负载的转动惯量通常达到电动机转子转动惯量的几倍甚至几十倍,而且要求系统“高频响、超低速、宽调速、高精度”.
大转动惯量负载对直接驱动式永磁同步电动机(PMSM, PermanentMagnet SynchronousMotor)系统所带来的问题在于:①同一负载转速变化时会产生较大的惯性转矩,即J(dΩ/dt),特别是在系统启动、停止的情况下,表现尤为明显;②当电动机拖动不同负载时,若负载的转动惯量差异较大,也会对系统的控制性能产生较大的影响,所以在设计此类控制系统的控制算法时,必须选择一种对转动惯量不敏感的控制方法.文献[1]采用滑模控制来抑制转动惯量的变化对于系统性能的
 构控制方法的稳态误差水平.以J=3 kg•m²时选定的参数为例,当J=6 kg•m²时,PI控制器的超调为19.4%、调节时间增加400ms,而变结构控制器的超调为13.8%、调节时间只增加了260ms.对于相同的J,变结构控制器优点在于保证系统快速性的同时而超调为0,同时达到稳态误差的时间大大缩短,当J=3 kg•m²时,|e|<0.0001,变结构控制需要0.7 s,而PI控制需要4. 3 s.采用不同的控制方法跟踪0.5×sin(2π×10t)的正弦信号,幅值误差基本相当,而PI控制器的相位滞后比变结构控制器大3倍以上.
除此之外,本文中所采用的防抖措施效果也是非常明显的.当J=3 kg•m²时,不采用防抖措施,位置波动约为3.2×10-6;采用防抖措施后,位置波动约为1×10-6,降低了3倍以上.
5 结 论
本文从大惯量负载对于PMSM控制性能的影响出发,比较了传统的PI控制方法和滑模变结构控制方法的优劣.结果表明,采用变结构控制方法对于转动惯量变化的适用范围更大,其控制性能要明显优于PI控制方法.对于滑模变结构控制所存在的固有的“抖动”,所采用的防抖措施也是富有成效的.从控制方法上比较好地解决了PMSM拖动大惯量负载的问题.
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