黃 皓,涂群章,潘 明,蔣成明,薛金紅,李 沛
(陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院,江蘇 南京210007)
永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)以其空間布置方便、輸出功率大、控制精度較高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛運(yùn)用于智能機(jī)器人、新能源汽車和工業(yè)化無人機(jī)等領(lǐng)域。由于PMSM為非線性、多變量、強(qiáng)耦合性的復(fù)雜對(duì)象[1-3],工業(yè)中一般采用常規(guī)的PID控制算法進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,常規(guī)的PID控制策略在控制過程中一般會(huì)存在啟動(dòng)速度慢、調(diào)節(jié)能力弱、抗干擾性差等缺點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)高效率、高精密度的控制,國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同的電機(jī)控制系統(tǒng)提出了諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[4]、弱磁控制[5]、自適應(yīng)控制[6-7]、滑模變結(jié)構(gòu)控制(Sliding Mode Variable Structure Control,SMC)[8-10]等控制策略。其中SMC控制策略[11]由于具有對(duì)模型的參數(shù)變化不敏感、抗干擾性較好、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被國內(nèi)外學(xué)者予以重視。文獻(xiàn)[12]提出了基于滑動(dòng)模態(tài)的自適應(yīng)擾動(dòng)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì),解決了小慣量永磁同步電機(jī)的高精度調(diào)速控制問題。文獻(xiàn)[13]通過在變結(jié)構(gòu)控制的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了速度觀測(cè)反饋系統(tǒng),減少了速度觀測(cè)誤差。文獻(xiàn)[14]通過提出一種積分型SMC控制策略,有效地提升了電機(jī)控制系統(tǒng)的控制精度。文獻(xiàn)[15]在傳統(tǒng)SMC控制策略的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器,較大程度減少了由于負(fù)載擾動(dòng)造成的誤差。文獻(xiàn)[16]提出了一種自適應(yīng)滑??刂撇呗?,有效地提升了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)了一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)弱磁矢量控制策略,有效地提升了永磁同步電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性。
以上控制策略都有效地提高了電機(jī)控制系統(tǒng)的控制精度,但在控制過程中存在以下兩點(diǎn)不足:第一,采用的都是線性滑模面,滑模系統(tǒng)的跟蹤誤差無法在有限時(shí)間內(nèi)收斂為0;第二,傳統(tǒng)SMC控制策略會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的抖振現(xiàn)象,以上控制策略都沒有針對(duì)減弱抖振采取有效措施。針對(duì)以上兩點(diǎn)不足,本文設(shè)計(jì)了一種基于非線性Terminal系統(tǒng)的永磁同步電機(jī)Fuzzy-SMC控制算法。通過非線性Terminal滑模面代替?zhèn)鹘y(tǒng)SMC控制策略中的線性滑模面,解決跟蹤誤差收斂過慢問題。以削弱抖振現(xiàn)象為目的制定模糊規(guī)則,通過模糊控制器實(shí)時(shí)調(diào)整滑??刂圃鲆鎸?shí)現(xiàn)削弱抖振現(xiàn)象。通過MATLAB/Simulink仿真和永磁同步電機(jī)臺(tái)架測(cè)試試驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出控制策略的有效性。
在傳統(tǒng)滑模控制中,國內(nèi)外學(xué)者普遍采用線性滑模面進(jìn)行控制,當(dāng)控制系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)趨近滑模區(qū)域時(shí),使得跟蹤誤差逐漸削減到零[18],跟蹤誤差的收斂速度通過調(diào)整滑模面的控制參數(shù)來改變。線性滑模面控制式如下:
s=cx1+x2
(1)
式中,c>0,x1為跟蹤誤差,x2為跟蹤誤差對(duì)時(shí)間求導(dǎo)。
然而傳統(tǒng)線性滑模面存在兩點(diǎn)不足之處:第一,當(dāng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)在滑模面上趨近滑模區(qū)域時(shí),跟蹤誤差會(huì)不斷削減,但無法在有限的時(shí)間內(nèi)削減到0,這將影響永磁同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度的控制;第二,傳統(tǒng)線性滑模面采用的為等速趨近率,等速趨近率自身存在缺點(diǎn),即切換帶為帶狀,當(dāng)系統(tǒng)在切換帶運(yùn)動(dòng)時(shí),最后不能趨近于原點(diǎn),而是原點(diǎn)產(chǎn)生抖振帶,這種抖動(dòng)可能激勵(lì)系統(tǒng)中存在未建模高頻成分,并可能增加控制器的負(fù)擔(dān)[19-20]。
非奇異終端滑模面(Nonsingular Terminal Sliding Mode,NTSM)在終端滑模(Terminal Sliding Mode,TSM)[21-22]的基礎(chǔ)上發(fā)展而來,可以解決終端滑模面上由于控制輸入無窮大時(shí)產(chǎn)生的奇異現(xiàn)象。針對(duì)二階非線性系統(tǒng):
(2)
其中x(t)=[x2(t),x2(t)]T;d(t)≤D(t)為外部擾動(dòng),D(t)為已知函數(shù),f(x,t)為動(dòng)力學(xué)方程,x2(t)為參考點(diǎn)位置。
參照文獻(xiàn)[18],采用TSM控制策略,則設(shè)計(jì)控制器為:
(F(x,t)+D(t)+η)sgn(s))
(3)
式中:β、α為控制參數(shù)且大于0,sgn(s)為符號(hào)函數(shù),F(xiàn)(x,t)為動(dòng)力學(xué)方程f(x,t)的積分,λ為設(shè)計(jì)參數(shù)且λ>0,η為設(shè)計(jì)常數(shù)且η>0。
由等式(3)可得,控制策略中包含x1α/β-1x2,當(dāng)x2≠0,x1=0時(shí)存在奇異區(qū)域,會(huì)使得設(shè)計(jì)控制器的值u(t)趨向+∞,此時(shí)控制器的設(shè)計(jì)沒意義。
NTSM為解決奇異性問題,滑模面設(shè)計(jì)為:
(4)
根據(jù)等式(4),此時(shí)的控制器輸出為
(5)
由式(5)可以看出,當(dāng)x2≠0,x1=0,采用NTSM控制策略時(shí),控制器輸出不會(huì)趨于+∞,可以有效解決該二階系統(tǒng)采用TSM控制策略時(shí)出現(xiàn)的奇異現(xiàn)象。
為了驗(yàn)證本文提出的NTSM控制策略的有效性,通過一個(gè)典型二階離散系統(tǒng)基于MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真驗(yàn)證,該二階離散系統(tǒng)如下式:
(6)
分析圖1(a)和圖2(a)可得,在兩種滑模面的控制下本文所設(shè)計(jì)的典型二階離散系統(tǒng)都具有較平穩(wěn)的滑模運(yùn)動(dòng)相軌跡,控制過程中無明顯的抖動(dòng),體現(xiàn)了SMC控制策略在控制過程中具有較好的平穩(wěn)性。分析圖1(b)和圖2(b)可得,采用線性滑模面時(shí),控制系統(tǒng)到達(dá)平衡點(diǎn)的趨近時(shí)間約為0.61 s,而采用NTSM滑模面控制時(shí)的趨近時(shí)間約為0.16 s,趨近速度提升了70%以上,同時(shí)圖2(b)也可證明本文提出控制策略趨近過程中系統(tǒng)收斂性優(yōu)良。分析圖1(c)和圖2(c)可得,采用線性滑模面進(jìn)行控制時(shí),控制器輸出u到達(dá)平衡點(diǎn)所用時(shí)間約為1.28 s,而采用NTSM滑模面對(duì)二階離散系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)所用時(shí)間約為0.78 s,由此可見本文設(shè)計(jì)的NTSM滑模面相較傳統(tǒng)線性滑模面達(dá)到穩(wěn)態(tài)的速度更快。分析圖(d)和圖2(d),采用線性滑模面進(jìn)行控制時(shí)完成階躍響應(yīng)所用時(shí)長約為1.58 s,而采用NTSM滑模面進(jìn)行控制完成階躍響應(yīng)所用時(shí)長為1.18 s,由此可見,通過采用本文的NTSM滑模面對(duì)二階離散系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)可比傳統(tǒng)線性滑模面提升20%以上的響應(yīng)速度。
圖1 基于線性滑模面系統(tǒng)仿真曲線
圖2 基于NTSM系統(tǒng)仿真曲線
綜上,本文通過一個(gè)典型二階系統(tǒng)分別對(duì)傳統(tǒng)線性滑模面和NTSM滑模面進(jìn)行了基于MATLAB/Simulink的仿真,通過對(duì)比兩種不同滑模面的仿真結(jié)果,可以得出本文設(shè)計(jì)的NTSM滑模面相較傳統(tǒng)線性滑模面具有更快的趨近速度和響應(yīng)速度。由于PMSM也為二階離散系統(tǒng),可將此NTSM滑模面應(yīng)用于PMSM控制系統(tǒng)中,提升PMSM的控制精度和響應(yīng)速度。
本文采用id=0的表貼式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制,建立d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型,電壓方程為:
(7)
式中:ud、uq分別為d、q軸的電壓;id、iq分別為d、q兩軸的電流;Ld、Lq分別為d、q軸的電感;R為定子電阻;ω為電角速度。
PMSM的運(yùn)動(dòng)方程為:
(8)
式中:Te為PMSM的轉(zhuǎn)矩;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為:
(9)
式中:Te為永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩;p為電機(jī)極對(duì)數(shù);ψ為永磁體和定子的交磁磁鏈。
針對(duì)本文設(shè)計(jì)的PMSM為目前應(yīng)用最為廣泛的表貼式PMSM,該電機(jī)d軸磁感Ld與q軸磁感Lq大小相等,故有:
(10)
根據(jù)SMC控制策略,令PMSM狀態(tài)變量為:
(11)
結(jié)合式(9)和式(11),分別對(duì)x1和x2微分可得:
(12)
采用本文所設(shè)計(jì)的NTSM滑模面,可得滑模面s為:
(13)
對(duì)s微分可得:
(14)
本文參考文獻(xiàn)[20]的最優(yōu)參數(shù)選取,取NTSM設(shè)計(jì)參數(shù)α=3,β=5,λ=1。
為了提高速度趨近運(yùn)動(dòng)階段的動(dòng)態(tài)品質(zhì),采用運(yùn)用較為廣泛的等速趨近率,表達(dá)式為:
(15)
等速趨近率在實(shí)際控制過程中,趨近速度受到符號(hào)函數(shù)sgn(s)影響較大,可能會(huì)激發(fā)控制系統(tǒng)中未建模的高頻成分,產(chǎn)生較嚴(yán)重的抖振現(xiàn)象[21-22]。為了解決指數(shù)趨近率中的存在的問題,本文采用飽和函數(shù)sat(s,θ)代替等速趨近率中的符號(hào)函數(shù)sgn(s),則趨近率為:
(16)
其中sat(s,θ)表達(dá)式為:
(17)
結(jié)合式(12)、式(14)、式(16)可得控制系統(tǒng)中的電流表達(dá)式為:
(18)
由于滑模變結(jié)構(gòu)控制過程中控制系統(tǒng)的控制力是有限的,導(dǎo)致只能施予滑模上運(yùn)動(dòng)點(diǎn)有限的加速度,而滑模上的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)受系統(tǒng)慣性的影響,在控制開關(guān)切換前后會(huì)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象,從而造成抖振[23]。抖振現(xiàn)象在滑模運(yùn)動(dòng)中是必定存在的,它會(huì)在原本光滑的滑模面上疊加一個(gè)鋸齒形軌跡,如圖3所示,會(huì)較大程度上影響到系統(tǒng)的控制精度。針對(duì)抖振現(xiàn)象,以降低抖振為目標(biāo)設(shè)計(jì)模糊規(guī)則,通過設(shè)計(jì)模糊控制器,實(shí)現(xiàn)降低抖振目的。
圖3 抖振現(xiàn)象示意圖
由上述模糊規(guī)則,可定義模糊控制器中的輸入模糊集和輸出模糊集:
(19)
Δε={NBNMZOPMPB}
(20)
式中,NB為負(fù)大,NM為負(fù)中,ZO為零,PM為正中,PB為正大。
可得模糊控制器的隸屬函數(shù)如圖4所示。
圖4 模糊控制器隸屬函數(shù)
輸入與輸出對(duì)應(yīng)的模糊規(guī)則為:
(21)
將其帶入式(21)中,可得電流方程為:
(22)
其中加入模糊控制器的NTSM控制框如圖5所示。
圖5 模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制框圖
為了驗(yàn)證本文提出的基于NTSM模糊滑??刂撇呗缘挠行裕贛ATLAB/Simulink搭建了電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型,并基于芯片TMS320F28335搭建了電機(jī)性能測(cè)試平臺(tái),其中圖6為電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型控制框圖,圖7為電機(jī)性能測(cè)試臺(tái)架。
圖6 電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型控制框圖
電機(jī)控制系統(tǒng)在PID控制策略、普通SMC控制策略、基于NTSM模糊滑??刂撇呗匀N控制策略下的啟動(dòng)響應(yīng)如圖8所示,啟動(dòng)過程中仿真系統(tǒng)收到的轉(zhuǎn)速指令為800 r/min,圖9為仿真系統(tǒng)于0.3 s收到15 N·m的突增負(fù)載指令時(shí)的轉(zhuǎn)速響應(yīng),圖10為仿真系統(tǒng)于0.5 s時(shí)收到-15 N·m的突卸指令時(shí)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)。圖11(a)、(b)分別為PID控制策略、基于NTSM模糊滑??刂撇呗苑抡嫦到y(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩追蹤曲線。
圖7 電機(jī)性能測(cè)試臺(tái)架
圖8 起動(dòng)過程轉(zhuǎn)速仿真曲線
圖9 突增負(fù)載轉(zhuǎn)速仿真曲線
圖10 突增負(fù)載轉(zhuǎn)速仿真曲線
圖11 負(fù)載轉(zhuǎn)矩追蹤仿真曲線
分析和對(duì)比上述仿真結(jié)果可知,當(dāng)電機(jī)控制仿真系統(tǒng)收到800 r/min的啟動(dòng)指令時(shí),如圖8所示,PID控制策略啟動(dòng)過程中達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的響應(yīng)時(shí)間約為46 ms,且存在明顯的超調(diào)現(xiàn)象,轉(zhuǎn)速最大波動(dòng)達(dá)到300 r/min,啟動(dòng)過程十分不穩(wěn)定;傳統(tǒng)SMC控制策略啟動(dòng)過程中達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的響應(yīng)時(shí)間約為31 ms,且啟動(dòng)過程中無超調(diào)現(xiàn)象,啟動(dòng)性能優(yōu)于PID控制策略;本文提出的基于NTSM模糊滑模控制策略啟動(dòng)過程中達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的響應(yīng)時(shí)間約為17 ms,與PID控制策略和傳統(tǒng)SMC控制策略相比,啟動(dòng)響應(yīng)速度分別提升了63%和45%。
當(dāng)電機(jī)控制仿真系統(tǒng)于0.3 s收到15 N·m的突增負(fù)載指令時(shí),如圖9所示,PID控制策略達(dá)到穩(wěn)態(tài)所用時(shí)間約為40 ms,最大轉(zhuǎn)速波動(dòng)約為140 r/min,且在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中具有超調(diào)現(xiàn)象;傳統(tǒng)SMC控制策略達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)所用時(shí)間約為28 ms,最大轉(zhuǎn)速波動(dòng)約為88 r/min,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中無超調(diào)現(xiàn)象;本文提出的控制策略達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)所用時(shí)間約為24 ms,相較PID控制策略和傳統(tǒng)SMC控制策略,調(diào)節(jié)速度分別提升了40%和25%。最大轉(zhuǎn)速波動(dòng)約為28 r/min,相較PID控制策略和傳統(tǒng)SMC控制策略,最大轉(zhuǎn)速波動(dòng)分別削減了81%和56%。
電機(jī)控制仿真系統(tǒng)于0.5 s收到-15 N·m指令時(shí),如圖10所示,PID控制策略突卸負(fù)載時(shí)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)時(shí)間約為48 ms,最大轉(zhuǎn)速波動(dòng)大約為135 r/min;傳統(tǒng)SMC控制策略達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)時(shí)間約為25 ms,最大轉(zhuǎn)速波動(dòng)約為91 r/min;本文控制策略達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的調(diào)節(jié)時(shí)間為22 ms,最大轉(zhuǎn)速波動(dòng)約為25 r/min。對(duì)比圖9、圖10可得,電機(jī)控制仿真系統(tǒng)突卸負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線與突增負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線結(jié)果相似,進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出控制策略具有較好的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性。
電機(jī)控制系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩追蹤仿真曲線如圖11所示,當(dāng)系統(tǒng)在0.3 s受到20 N·m的突增負(fù)載指令時(shí)和-20 N·m突卸負(fù)載指令時(shí),PID控制的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)約為5 N·m,轉(zhuǎn)矩達(dá)到穩(wěn)定的調(diào)節(jié)時(shí)間約為35 ms;相較PID控制策略,ISMC控制策略達(dá)到轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)的過程中幾乎無超調(diào),且轉(zhuǎn)矩能瞬時(shí)到達(dá)給定轉(zhuǎn)矩指令值,轉(zhuǎn)矩達(dá)到穩(wěn)定時(shí)較PID控制策略波動(dòng)較小,具有較好的穩(wěn)態(tài)性能。
電機(jī)測(cè)試臺(tái)架在起動(dòng)過程時(shí)PID控制策略和本文控制策略的試驗(yàn)波形如圖12所示,突增負(fù)載時(shí)的試驗(yàn)波形如圖13所示,突卸負(fù)載時(shí)的試驗(yàn)波形如圖14所示,三相電流波形如圖15所示。
圖12 起動(dòng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)試驗(yàn)波形
圖13 突增負(fù)載轉(zhuǎn)速響應(yīng)試驗(yàn)波形
圖14 突卸負(fù)載轉(zhuǎn)速響應(yīng)試驗(yàn)波形
圖15 三相電流響應(yīng)試驗(yàn)波形
由上述仿真試驗(yàn)結(jié)果可以得出:
(1)啟動(dòng)過程中,如圖8和圖12所示,PID控制策略啟動(dòng)速度較慢,且在調(diào)節(jié)過程中存在超調(diào)現(xiàn)象,普通SMC控制無超調(diào)現(xiàn)象,啟動(dòng)速度相較PID控制策略有明顯提升。本文提出的基于NTSM滑模面的模糊滑??刂撇呗赃_(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)與前兩種控制策略相比,響應(yīng)速度分別提升了63%和45%,具有較好的啟動(dòng)響應(yīng)性能。
(2)突增和突卸負(fù)載時(shí),如圖9、圖10、圖13、圖14所示,PID控制策略達(dá)到穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)速度較慢,且調(diào)節(jié)過程存在較明顯的超調(diào)現(xiàn)象。傳統(tǒng)SMC控制策略在調(diào)節(jié)過程中無超調(diào)現(xiàn)象,但受到SMC控制中抖振現(xiàn)象的影響,轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大。本文控制策略通過設(shè)計(jì)模糊控制器,使得轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小,這也是本文控制策略中有效抑制抖振現(xiàn)象的體現(xiàn),且通過NTSM代替?zhèn)鹘y(tǒng)滑模面,使得調(diào)節(jié)速度較SMC控制策略有明顯提升,展現(xiàn)出了較好的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性。
(3)控制過程中的三相電流響應(yīng),如圖15(a)(b)所示。本文控制策略的三相電流響應(yīng)較PID控制更加平穩(wěn),達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)電流波動(dòng)較小,說明本文設(shè)計(jì)的基于NTSM模糊滑??刂破骶哂休^好的抗干擾性和穩(wěn)態(tài)性能。
綜上分析,本文設(shè)計(jì)的NTSM模糊滑??刂撇呗裕ㄟ^采用NTSM代替?zhèn)鹘y(tǒng)SMC控制策略中的線性滑模面,有效地提升了電機(jī)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)速度。通過以降低抖振為目的設(shè)定模糊規(guī)則,通過模糊控制器不斷調(diào)整控制增益使得電機(jī)控制系統(tǒng)受到外界負(fù)載干擾時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)明顯減少,體現(xiàn)出了較好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。
本文針對(duì)PMSM現(xiàn)有控制策略收斂時(shí)間長的問題,在傳統(tǒng)SMC控制策略的基礎(chǔ)上,提出采用NTSM代替線性滑模面進(jìn)行控制,以加快系統(tǒng)收斂速度;針對(duì)SMC控制上普遍存在的抖振現(xiàn)象,設(shè)計(jì)模糊控制器進(jìn)行有效削減。通過MATLAB/Simulink仿真和電機(jī)性能測(cè)試臺(tái)架試驗(yàn),結(jié)果表明:本文提出的NTSM模糊控制策略能有效加快系統(tǒng)收斂速度,提高響應(yīng)性能;能有效抑制抖振現(xiàn)象,提高動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。本文提出的策略為實(shí)現(xiàn)PMSM高精度、高效率的控制提供一種有效的新方法。