石燕燕，陳錫渠

(1. 青島科技大學(xué) 自動化學(xué)院， 山東 青島 266042；2. 河南科技學(xué)院 繼續(xù)教育學(xué)院， 河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

永磁同步電機(jī)(PMSM)因其性能的優(yōu)勢已被大量應(yīng)用于新能源汽車、航空航天、機(jī)器人等許多工程領(lǐng)域。PID調(diào)節(jié)是較為常規(guī)、傳統(tǒng)的方法，由于控制精度有限，目前迫切需要實現(xiàn)控制系統(tǒng)的升級與改進(jìn)[1-3]。非線性的控制是目前應(yīng)用較為廣泛的方法，為解決調(diào)速系統(tǒng)存在隨機(jī)擾動這一問題，有關(guān)非線性擾動觀測器的研究變得越來越受關(guān)注。文獻(xiàn)[4]主要針對多輸入輸出系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并提出了針對該系統(tǒng)干擾抑制的非線性觀測器。文獻(xiàn)[5]通過綜合分析得到了一種新的綜合控制方法，該方法主要針對不確定性干擾，通過復(fù)合決策有效抑制了隨機(jī)擾動的影響。滑?？刂?SMC)具有滑動模態(tài)狀態(tài)獨(dú)立、不受系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)和外部擾動等特點(diǎn)。文獻(xiàn)[6-7]分別將線性和非線性滑?？刂七\(yùn)用到PMSM系統(tǒng)的控制中，有效提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，獲得了良好的控制效果。目前針對永磁同步電機(jī)的非線性控制能較為有效地實現(xiàn)對永磁同步電機(jī)的控制，但是在實際應(yīng)用過程中，因電機(jī)實際工作環(huán)境復(fù)雜，單一的控制方法仍不能有效消除隨機(jī)擾動的影響，對于超調(diào)和啟動不穩(wěn)定等問題仍需進(jìn)一步研究。

本文提出了一種PMSM最優(yōu)滑模速度控制方法。該方法以非線性擾動觀測器為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了最優(yōu)控制和滑?？刂频挠行ЫY(jié)合，使電機(jī)控制過程中的超調(diào)現(xiàn)象和啟動性能得到了較大改善。與此同時，針對隨機(jī)擾動問題設(shè)計了基于觀測器(NDOB)的滑模觀測器，通過對系統(tǒng)的前饋補(bǔ)償有效降低了隨機(jī)擾動影響。

1 PMSM的數(shù)學(xué)模型

近似認(rèn)為PMSM在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的動態(tài)數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

PMSM運(yùn)動方程為

(2)

式中：ud、uq分別表示d、q軸的電壓分量；id、iq分別表示d、q軸的電流分量；Ld、Lq分別表示d、q軸電感；R為電機(jī)定子繞組的電阻；ω為電機(jī)的電角速度；φf為永磁體與定子交鏈磁鏈；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動慣量；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；p為極對數(shù)。

系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為

(3)

當(dāng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中發(fā)生參數(shù)變化及受外部擾動作用時，根據(jù)實際情況系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可整理為

(4)

取PMSM系統(tǒng)的狀態(tài)變量為：

(5)

式中ωr與ω分別表示電機(jī)給定轉(zhuǎn)速值和實際轉(zhuǎn)速值。

綜合式(4)、式(5)，對x1、x2求導(dǎo)可得

(6)

將式(6)整理成一般形式為

(7)

2 基于非線性擾動觀測器的滑?？刂破髟O(shè)計

根據(jù)式(7)研究了基于PMSM非線性擾動觀測器表述為：

(8)

擾動估計誤差為

(9)

動態(tài)誤差為

(10)

設(shè)計滑動模式面為

(11)

其中c1為滑模面參數(shù)且c1>0。

對s求導(dǎo)，得

(12)

設(shè)計新型趨近律為

(13)

式中g(shù)為常數(shù)。

結(jié)合式(12)、式(13)可得前饋控制量

(14)

為了削弱存在的抖振問題，這里引入抗抖振因子G(s)取代開關(guān)符號函數(shù)sgn(s)，其具體表達(dá)式為

(15)

式中v為抗抖振因子，且v>0。

(16)

3 最優(yōu)滑模控制器的設(shè)計

為了提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，結(jié)合最優(yōu)控制與滑?？刂聘髯缘膬?yōu)勢，設(shè)計最優(yōu)滑模速度控制器。由式(2)、式(3)、式(5)可得

(17)

(18)

取線性滑模面為

s=cx1+x2

(19)

式中c為常數(shù)且c>0。其c值大小將影響滑動模態(tài)的動態(tài)品質(zhì)及其漸進(jìn)穩(wěn)定性。因此選取最優(yōu)的c尤為重要。

當(dāng)系統(tǒng)在切換面上運(yùn)動時，

cx1+x2=0

(20)

因此滑動模態(tài)方程表示為

(21)

設(shè)定系統(tǒng)的優(yōu)化性能指標(biāo)函數(shù)為

(22)

式中Q為給定的正定矩陣，取

因為在滑動模態(tài)運(yùn)動過程中，滑模運(yùn)動與控制量無關(guān)，故式(22)的末項可忽略不計。于是

(23)

利用二次性能指標(biāo)最優(yōu)控制求解法，根據(jù)李卡提方程

(24)

可求解出P，因此推出切換函數(shù)c的值為

(25)

為了提高系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)，這里選取指數(shù)趨近律，其表達(dá)式為

(26)

通過以上分析可以得到非線性擾動觀測器的輸出已經(jīng)確定，將控制輸出前饋至電流調(diào)節(jié)器的輸入，最終得到電流給定值為

4 仿真及實驗驗證

4.1 仿真分析

通過Simulink系統(tǒng)對仿真模型進(jìn)行仿真分析，選用PMSM的參數(shù)如表1所示，系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

表1 永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的主要參數(shù)

圖1 PMSM調(diào)速系統(tǒng)的控制框圖

圖2為本文算法與傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器對比的轉(zhuǎn)速空載響應(yīng)曲線。系統(tǒng)初始給定轉(zhuǎn)速為100 rad/s。從圖中曲線可看出基于NDOB的PMSM最優(yōu)滑模控制的控制方法啟動平穩(wěn)無超調(diào)，啟動性能較好。

圖2 空載響應(yīng)曲線

圖3為存在負(fù)載擾動時兩種控制方法對比曲線。系統(tǒng)在0.15s時，加載2N·m。從圖中曲線可明顯看出本文控制方法在加載時魯棒性更強(qiáng)。

圖3 綜合擾動時轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

圖4所示為負(fù)載擾動時電流響應(yīng)曲線?？梢钥闯霰疚姆椒ㄔ谙到y(tǒng)受到擾動時，電流波動不明顯，電流動態(tài)性能較好。

圖4 負(fù)載擾動時電流響應(yīng)曲線

從圖5中對比可以看出，本文控制方法在系統(tǒng)階躍給定時的轉(zhuǎn)速響應(yīng)快速且無抖動，實現(xiàn)了較高的控制精度。

圖5 階躍給定時速度對比曲線

4.2 實驗分析

通過基于TMS320F2812實時控制系統(tǒng)對該方法的有效性進(jìn)行驗證分析，實驗結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果。

圖6為電機(jī)空載啟動時穩(wěn)定狀態(tài)對應(yīng)A相電流波形。從圖中可看出在電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時，定子電流穩(wěn)定且正弦度較好。

圖6 PMSM空載穩(wěn)定運(yùn)行時A相電流

圖7為PMSM穩(wěn)定運(yùn)行時加減載速度波形。從圖中可以得出，電機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行后的27s加載和35s卸載過程中，轉(zhuǎn)速能夠迅速地恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，具有較強(qiáng)的魯棒性。

圖7 PMSM穩(wěn)定運(yùn)行時加減載速度波形

5 結(jié)語

本文針對永磁同步電機(jī)控制中存在的隨機(jī)擾動、控制增益大等問題，提出了一種PMSM最優(yōu)滑模速度控制方法，該方法以非線性擾動觀測器為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了最優(yōu)控制和滑模控制的有效結(jié)合，使電機(jī)控制過程中的超調(diào)現(xiàn)象和啟動性能得到了較大改善。同時針對隨機(jī)擾動問題設(shè)計了基于NDOB的滑模觀測器，通過對系統(tǒng)的前饋補(bǔ)償，有效降低了隨機(jī)擾動影響。