滑模控制永磁同步电动机调速系统_

滑模控制永磁同步电动机调速系统
   方斯琛周波黄佳佳李丹
   （南京航空航天大学航空电源重点实验室南京210016）
   摘要永磁同步电动机（PMSM）是一个多变量、非线性、强耦合的复杂系统，对外界扰动及内部摄动极为敏感，为提高系统鲁棒性，本文引入滑模变结构控制策略（SMC）。根据PMSM调速系统的特点，选择一阶滑模面，选用状态反馈SMC控制方式，并将控制输出经一积分器滤波，按该方案设计的SMC控制器表达式和PI控制一样简单。并在同等条件下对这两种控制器下的调速系统分别进行了仿真和实验研究，结果证明文中所设计的SMC控制器能有效地提高系统的动态性和鲁棒性。
   关键词：滑模变结构控制PI控制永磁同步电动机动态性鲁棒性
   中图分类号：TM301.2;TM352
   1引言
   永磁同步电动机（PMSM）具有结构简单、功率密度高、效率高等优点，在高精度数控机床、机器人、特种加工等工矿场所得到了广泛应用。传统PMSM控制器大多采用PI调节器，PI控制算法简单，能满足一定范围内的控制要求，但其设计依赖于精确数学模型。而PMSM是一个多变量、强耦合、非线性、变参数的复杂对象，在实际应用中，由于外界干扰及内部摄动等不确定因素的影响，传统PI控制器很难满足高性能控制的要求。现代控制理论的发展为PMSM高性能控制器的实现提供了可能[1-4]，但控制方法的复杂性限制了其广泛应用。
   SMC是20世纪50年代苏联学者提出的一种有效的非线性鲁棒控制方法[5-6]，其最大优点在于当系统处于滑动模态时，系统状态的转移不受原有参数变化和外部扰动影响，具有完全自适应性和鲁棒性。
   同时它无需对系统精确观测，控制率整定方法简单，易于数字实现，系统响应快，瞬态性能好。
   SMC理论的完善和数字控制器的发展促进了其在工程上的应用，近年来，国内外研究人员尝试将SMC应用于各类电机的位置伺服系统中。研究表明，它能有效改善摩擦非线性和负载时变性，提高系统的鲁棒性[7-10]，也已有学者开始探索PMSM调速系统中应用SMC技术。文献[11]将SMC引入PMSM无位置传感器调速系统，提高了速度观测器精度。文献[12]将SMC用于PMSM直接转矩控制并进行初步实验，证明SMC能改善直接转矩控制存在的电流、磁链和转矩脉动问题。文献[13]将速度环和电流环结合设计了一个SMC调节器，用于矢量控制的PMSM调速系统，研究表明系统鲁棒性和快速性得到较大提高，但由于系统电气时间常数和机械时间常数不一致，电流环和速度环的综合设计令调试参数选取比较困难，不容易实现。文献[14]设计了一个二阶SMC调节器控制PMSM调速系统，理论研究和仿真表明，在外界干扰严重的场合，电机仍能达到高性能控制要求，而且削弱了抖振。但二阶SMC的设计使控制器实现变得复杂，实际很难达到理想的控制效果。
   本文从实际应用角度，根据矢量控制PMSM调速系统的特点，设计了一种易于实现的SMC控制器。首先选择一阶滑模面，并选用状态反馈SMC控制方式，然后将控制输出经一积分器滤波，最终设计出的SMC控制器表达式和PI控制一样简单。
   文中将该方法应用于矢量控制PMSM调速系统，并与传统PI控制系统在同等条件下进行了比较研究。理论、仿真和实验结果均表明所设计的SMC控制器能较大地提高系统的鲁棒性和快速性，有效地改善了电机的动静态特性。
   2  永磁同步电动机数学模型
   假设磁路不饱和，在空间磁场呈正弦分布，不计磁滞和涡流损耗影响条件下，采用id=0的PMSM转子磁场定向控制，转矩的大小只与定子电流的幅值成正比，实现了PMSM的解耦控制。这时，PMSM电压方程

   4.1仿真结果
   系统采用如图1所示的控制方案。速度调节器可采用SMC控制或PI控制。图2为SMC控制和PI控制下系统相平面上的状态轨迹。可见，在SMC控制作用下，系统能达到滑模线s(x)=0，并沿滑模线到达原点，即该系统的稳定点。而PI控制下，系统是按螺旋线渐进趋向原点稳定。

图3为在0.04s时突加载的转速波形。可见，SMC控制下转速变化很小，能很快恢复到给定转速。而传统PI控制下转速有较大的波动，且稳定后有一定的转速误差，可见普通PI控制对负载变化的适应能力较差，而SMC控制对转矩变化的自调整能力优于PI控制。另外，SMC控制下系统能无超调地达到稳定，而PI控制下系统有超调。

    4.2实验结果
   实验系统由800W的PMSM，IPM（PS21546），DSP（TMS320LF2407）及调理和保护电路组成。硬件系统如图4所示。对系统进行轻载实验，控制算法均由DSP实现，IPM开关频率设置为16kHz。

   图5是1500r/min的转速波形和d轴电流波形。
   可见，SMC控制下转速能无超调地达到稳定，调节时间约为25ms，电机直轴电流控制在零，实现解耦。相比之下，PI控制转速有超调，调节时间为SMC的3倍多。

图6是250r/min稳定运行时，突加扰动，其转速与转矩电流波形。可见，SMC控制下转速几乎无影响，而PI控制下转速有微小的波动。证明SMC控制鲁棒性更强。同时也可以看出，SMC控制下，转矩电流存在波动，即存在抖振现象，而PI控制转矩电流平滑。

图7是转速从100r/min突变为1 000r/min时的波形。显然，转速变化时，SMC对参数变化不敏感，响应更快，无超调，具有更优异的动态性能。

   5  结论
   本文设计了一种简单易行的SMC控制器，应用于矢量控制的PMSM调速系统，并对其进行仿真和实验研究。同时与传统PI控制的系统进行了理论、仿真和实验比较。研究结果表明，所设计的SMC控制器能有效提高PMSM调速系统性能，其优点在于：
   （1）算法简单,易于软件实现。它并未增加PI控制算法的复杂性，但其参数整定比PI参数整定更容易。
   （2）实时性好。PI控制转速响应有明显的超调，调节时间较长。而SMC控制响应快速，转速无超调。
   （3）鲁棒性强。SMC控制对系统模型要求较低，对内部参数摄动、外部干扰、测量误差以及测量噪声等具有完全的自适应性。而PI控制对参数变化和外界干扰均较为敏感。
   综上所述，本文设计的SMC控制器是一种有效的、可靠的控制器设计方案，能很好地提高PMSM调速系统的动静态性能。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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