计及时变扰动的PMSM无传感器滑模自抗扰控制.pdf
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1、第 期 年 月组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 .文章编号:():./.收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()国家重点研发计划课题项目()湖南省教育厅科学研究重点项目()湖南省研究生科研创新项目资助()作者简介:李祥飞()男教授研究方向为电气传动及控制通信作者:邹莉华()女讲师研究方向为电机控制().计及时变扰动的 无传感器滑模自抗扰控制李祥飞刘捃锓印 阳周 杨邹莉华(湖南工业大学电气与信息工程学院株洲)摘要:针对永磁同步电机因参数摄动等不确定因素造成控制性能下降以及速度传感器估计精度不足等问题提出了一种基于改进容积卡尔曼滤波算法()的无感永磁同步电机()超螺旋非
2、奇异快速终端滑模自抗扰控制算法 首先建立参数摄动下 数学模型其次设计基于改进型线性扩张状态观测器()的超螺旋非奇异快速终端滑模()自抗扰复合环控制器()其中 实时精准观测系统的未知扰动部分最后结合 实时精准估计电机的转速和转子位置构成整个无传感器控制系统 通过与 和传统 控制进行仿真比较验证了该算法在电机参数摄动下暂稳态性能更佳且具有良好的速度响应特性关键词:永磁同步电机自抗扰控制扩张状态观测器滑模控制容积卡尔曼中图分类号:文献标识码:():()().()().().:引言永磁同步电机()因具有高功率密度、体积小巧、构造简单等优势被广泛应用在高速列车等相关领域 目前 控制由于算法简单、技术成熟
3、广泛运用于列车牵引工程领域 然而 是非线性时变的复杂系统容易受到未知扰动等不确定因素的影响而传统线性 控制因其积分饱和等局限性无法抑制扰动的影响导致整体控制性能降低 针对调速系统中 高性能控制问题许多先进控制方法被应用于电机控制领域如滑模控制()、自抗 扰 控 制()等 其中 作为一种主动抗扰的新颖控制方法具有响应速度快、抗干扰能力强的特点引起众多学者的关注与研究 刘宇佳等提出新型非线性函数改进自抗扰控制器并结合滑模速度观测器()有效地提高系统响应速度 等根 据 传 统 滑 模 理 论 提 出 了 改 进 方法但未考虑电机其他参数变化对系统的影响 赵凯辉等针对 失磁故障下的容错控制结合有限集提
4、出改进型容错预测控制算法有效抑制了电机故障时的系统扰动 等采用超螺旋滑模控制控制磁阻电机的输出速度有效减小了抖振为提高时变扰动下永磁同步电机驱动系统的抗干扰能力和鲁棒性本文提出一种基于改进容积卡尔曼()无速度传感器的永磁同步电机超螺旋非奇异快速终端滑模自抗扰控制方法 该方法将超螺旋趋近律和非奇异快速终端滑模()结合构成超螺旋非奇异快速终端滑模自抗扰控制器同时设计新型扩张状态观测器()实时精准估计未知部分扰动并对控制器进行前馈补偿通过设计 对电机的转子位置和转速进行估计构成了无速度传感器的 调速系统有效提高了电机闭环控制系统的抗干扰能力和鲁棒性实现了 在参数摄动和未知扰动下的容错控制 最后仿真结
5、果验证所提出控制算法的有效性和优越性 数学模型忽略定子铁芯饱和、涡流和磁滞损耗在 坐标系下表贴式 定子电压方程为:()()式中:、分别为定子 轴电流分量、分别为定子 轴电压分量为定子绕组 轴电感为永磁磁链为定子电阻为电角速度表贴式 在实际运行工况中受温度、机械应力等因素的影响电机内部参数会发生摄动 考虑电磁参数摄动影响可得 数学模型为:()()式中:、为参数摄动引起的 轴电压扰动量当发生参数摄动时 电磁转矩方程为:()式中:为 输出的电磁转矩为极对数为输出电磁转矩的扰动量 机械运动方程为:()()式中:为负载转矩 为转动惯量 为阻尼系数为电机的机械角速度 自抗扰控制()模型为实现 驱动系统在参
6、数摄动和未知扰动下的高性能控制加快速度瞬态响应提高稳态控制精度本节将 与 结合建立转速电流复合环数学模型提出了 控制策略并应用于复合环控制器的设计能有效减小抖振实现快速收敛.转速电流复合环数学模型二阶非线性系统模型可表示为:()()式中:为系统的状态变量、分别为系统输出和控制输入:为未知非线性有界函数满足 有界且只取决于 为待确定的增益常数采用 控制可将式()和式()化简为:()()由式()可得复合环的状态方程为:()()令 ()()将式()代入式()可得 转速电流复合环数学模型为:()式中:为待设计参数 为电机复合环的总扰动.传统 模型设计定义 则二阶复合环的状态空间表达式可描述为:()跟踪
7、微分器()表达式设计为:.()()式中:、分别为电机给定机械角速度 的跟踪信号及其微分信号 为速度因子假设总扰动 可微在式()基础上将扩张为一个新的状态变量扩张后的电机复合环系统状态空间表达式为:()由式()构造三阶 模型:()式中:、和 分别为电机转速、转速微分及总扰动观测值、和 为误差校正增益 增益可取:()式中:为 带宽 此时满足 定理即 中的电机状态变量稳定收敛由式()可知 遵循 跟踪 的顺序在对 年 月 李祥飞等:计及时变扰动的 无传感器滑模自抗扰控制、和 控制中当 值较小时和 难以准确观测因此该跟踪顺序容易导致驱动系统调节失败 为了提高 和 的观测精度 通常只能将误差校正增益、设计
8、为大增益系数若 选取过大会降低 暂态性能 改进型非奇异快速终端滑模自抗扰控制器设计.模型设计针对这一问题本文引入 建立 的 模型即式()变形为:()由式()可将误差方程描述为:()()根据式()永磁同步电机的 模型可描述为:()().超螺旋非奇异快速终端滑模控制律设计针对传统线性误差反馈控制律存在电机速度给定值微分容易造成系统振荡的问题设计超螺旋非奇异快速终端滑模误差反馈控制律定义状态误差方程为:()选取非奇异快速终端滑模面为:()式中:、均大于 /、/、/()()()式中:当 足够大时若时变扰动项 是全局有界即 基于 的 转速电流复合环控制器框图如图 所示图 基于 的 控制器框图 基于 转速
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