張榮蕓，周成龍，時(shí)培成，趙林峰，鳳永樂，劉亞銘

基于自適應(yīng)積分滑模與擾動(dòng)觀測的多PMSM同步控制

張榮蕓1，周成龍1，時(shí)培成2，趙林峰3，鳳永樂1，劉亞銘1

(1.安徽工程大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.安徽工程大學(xué)汽車新技術(shù)安徽省工程技術(shù)中心，安徽 蕪湖 241000；3.合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

為了克服多電機(jī)差速失步振蕩及同步穩(wěn)定性變差等問題，提出了基于新型自適應(yīng)積分滑模和擾動(dòng)觀測的多 PMSM 同步控制方法。首先，構(gòu)建了一種改進(jìn)型偏差耦合同步控制結(jié)構(gòu)。其次，設(shè)計(jì)了基于新型自適應(yīng)積分滑模(new adaptive integral sliding mode control, NAISMC)的 PMSM 控制器。同時(shí)，利用滑模擾動(dòng)觀測器(sliding mode disturbance observer, SMDO)對電機(jī)負(fù)載擾動(dòng)進(jìn)行觀測，并與改進(jìn)的偏差耦合同步控制結(jié)構(gòu)相結(jié)合，提出了基于NAISMC與SMDO的多 PMSM 的改進(jìn)型偏差耦合同步控制方法。最后，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。其結(jié)果表明所提出的同步控制方法能有效地保證4個(gè)電機(jī)具有良好的同步性能，提高了其抗擾動(dòng)的能力，確保了多電機(jī)同步的穩(wěn)定性。

永磁同步電機(jī)；多電機(jī)同步控制；積分滑模控制；擾動(dòng)觀測器；偏差耦合控制

0 引言

多電機(jī)同步控制是電機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)控制領(lǐng)域的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械高精度加工、生產(chǎn)制造、數(shù)控工業(yè)平臺和新能源汽車等行業(yè)[1-2]。永磁同步電機(jī)(permanentmagnet synchronous motor, PMSM)的多電機(jī)同步控制是一個(gè)多參數(shù)高耦合的高階時(shí)變非線性復(fù)雜系統(tǒng)，其控制精度與控制性能在現(xiàn)代制造業(yè)與大型機(jī)器復(fù)雜傳動(dòng)系統(tǒng)中有著極其重要的作用和影響。因此，為了提高多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的控制性能，對其控制結(jié)構(gòu)和電機(jī)控制算法進(jìn)行研究十分必要。

文獻(xiàn)[3]提到當(dāng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)受到外界負(fù)載擾動(dòng)等因素的影響時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大。因此，為提高多電機(jī)同步控制精度與控制性能的穩(wěn)定性，在多電機(jī)同步系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速是否及時(shí)反饋，控制結(jié)構(gòu)是否合理，對其同步控制性能的改善十分重要。目前，比較常用的多電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu)主要有：主從控制[4-5]、虛擬主軸控制[6]、交叉耦合控制[7]、相鄰交叉耦合控制[8]和偏差耦合控制[9]等控制結(jié)構(gòu)。主從式同步控制結(jié)構(gòu)簡單，但屬于并行控制，容易受外在環(huán)境影響，控制精度不高，主要用在大型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中；虛擬主軸同步控制結(jié)構(gòu)，其同步跟蹤響應(yīng)快，但其受虛擬參考轉(zhuǎn)速和反饋轉(zhuǎn)速的影響，易引起多電機(jī)同步系統(tǒng)失步或超調(diào)等問題。文獻(xiàn)[10]提出了基于交叉耦合的雙電機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制策略，并建立了基于線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的全階速度環(huán)模型，交叉耦合控制結(jié)構(gòu)和相鄰交叉耦合控制結(jié)構(gòu)雖能提高同步控制精度和電機(jī)的抗擾動(dòng)性能，但算法復(fù)雜且不易實(shí)現(xiàn)，且該控制結(jié)構(gòu)不適用于兩個(gè)以上電機(jī)的同步控制。針對交叉耦合控制結(jié)構(gòu)難以解決超過兩個(gè)電機(jī)同步的問題，文獻(xiàn)[11]利用均值耦合結(jié)構(gòu)，提高了多電機(jī)同步控制精度，但該結(jié)構(gòu)易受負(fù)載影響。也有學(xué)者將速度同步交叉耦合與主從式控制結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以便用于3個(gè)電機(jī)的速度同步，但該控制方法結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜[12]。文獻(xiàn)[13]提出的傳統(tǒng)偏差耦合結(jié)構(gòu)是由交叉耦合結(jié)構(gòu)發(fā)展而來，其將主電機(jī)與其他電機(jī)的同步誤差乘以增益系數(shù)，再補(bǔ)償給跟蹤誤差，能夠使多電機(jī)系統(tǒng)迅速響應(yīng)，從而提高同步控制精度。文獻(xiàn)[14]針對傳統(tǒng)偏差耦合結(jié)構(gòu)啟動(dòng)過程中同步誤差較大的問題，在同步誤差控制器上設(shè)計(jì)了選擇輸出環(huán)節(jié)，提高了多電機(jī)同步性能。但單一的同步誤差補(bǔ)償形式，或其他多電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu)仍不能完全解決多電機(jī)同步系統(tǒng)轉(zhuǎn)速跟蹤過程中面臨的一系列擾動(dòng)問題。

同時(shí)，為進(jìn)一步提高多電機(jī)同步控制精度，還有學(xué)者從電機(jī)控制算法方面進(jìn)行研究。PMSM作為一個(gè)強(qiáng)耦合非線性系統(tǒng)，對參數(shù)變化響應(yīng)迅速，易受外界干擾[15-17]。傳統(tǒng)PI控制算法，其雖具有控制結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)便于調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，但易受內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)影響，很難讓多電機(jī)同步控制達(dá)到更好的效果。而滑模控制對參數(shù)攝動(dòng)響應(yīng)不明顯，抗外界干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且滑動(dòng)模態(tài)可自行設(shè)計(jì)，滑?？刂破髦幸胱赃m應(yīng)控制算法可有效抑制系統(tǒng)參數(shù)變化和系統(tǒng)擾動(dòng)帶來的影響，相比其他算法，自適應(yīng)滑?？刂瓶捎行魅跸到y(tǒng)高頻抖振[18]。文獻(xiàn)[19]為了降低擾動(dòng)參數(shù)對系統(tǒng)的影響，設(shè)計(jì)了參數(shù)自適應(yīng)滑模控制，提高了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[20]提出了基于自適應(yīng)控制律的動(dòng)態(tài)滑模控制器，降低系統(tǒng)抖振，提高了控制精度。另外，為了解決外界負(fù)載和實(shí)時(shí)總擾動(dòng)的影響，提高電機(jī)控制效果，文獻(xiàn)[21]采用了基于負(fù)載擾動(dòng)觀測的PMSM控制策略，提高了電機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[22]將PMSM系統(tǒng)所有的未知非線性、參數(shù)不確定性和未知時(shí)變負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)在內(nèi)的外部擾動(dòng)定義為攝動(dòng)項(xiàng)，并通過設(shè)計(jì)擾動(dòng)觀測器來對其進(jìn)行估計(jì)，實(shí)現(xiàn)對非線性系統(tǒng)的自適應(yīng)反饋線性化控制。文獻(xiàn)[23]提出了一種基于改進(jìn)型擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的控制策略，提高了控制系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力與控制精度。文獻(xiàn)[24]針對滑?？刂破髦械拈_關(guān)函數(shù)易引起調(diào)速系統(tǒng)固有抖振的問題，設(shè)計(jì)了基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的滑模速度控制器，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性能。文獻(xiàn)[25]對于傳統(tǒng)PI速度環(huán)易引發(fā)系統(tǒng)因參數(shù)攝動(dòng)而導(dǎo)致控制性能不佳的問題，提出了基于擴(kuò)展滑模擾動(dòng)觀測器的超局部模型，提高了系統(tǒng)的抗擾性能。由此可見，電機(jī)控制算法與擾動(dòng)觀測器對于多電機(jī)同步控制系統(tǒng)提高控制精度和對抗外部擾動(dòng)等方面有非常重要的作用，亦應(yīng)對其進(jìn)行研究。

綜上所述，本文以滯環(huán)控制的永磁同步電機(jī)作為多電機(jī)同步控制的基礎(chǔ)，針對外部負(fù)載擾動(dòng)等因素造成的多電機(jī)同步性能較差的問題，在多電機(jī)同步的控制結(jié)構(gòu)和單電機(jī)控制算法上進(jìn)行改進(jìn)，在傳統(tǒng)偏差耦合控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了速度評測項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)同步速度補(bǔ)償，提出了一種改進(jìn)型偏差耦合控制結(jié)構(gòu)。同時(shí)建立了基于新型自適應(yīng)趨近律積分滑模控制的PMSM控制系統(tǒng)。為了減小負(fù)載轉(zhuǎn)矩對電機(jī)同步性能的影響，設(shè)計(jì)了負(fù)載擾動(dòng)觀測器，利用其對系統(tǒng)總擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償，構(gòu)建了基于新型自適應(yīng)積分滑?？刂坪蛿_動(dòng)觀測器的多PMSM改進(jìn)偏差耦合同步控制系統(tǒng)。最后，對本文提出的多電機(jī)同步控制策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該控制策略具有良好的同步性能與抗干擾能力。

1 多PMSM改進(jìn)型偏差耦合同步控制結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)偏差耦合結(jié)構(gòu)中，其同步速度補(bǔ)償器主要是被控電機(jī)與其余電機(jī)的速度差，然后乘以相應(yīng)的增益系數(shù)，再反饋到系統(tǒng)的控制器中[26]。本文基于傳統(tǒng)偏差耦合結(jié)構(gòu)，通過增加速度綜合評測項(xiàng)來對同步補(bǔ)償器進(jìn)行改進(jìn)，以描述被控電機(jī)與其他電機(jī)間的耦合關(guān)系，基于此建立了改進(jìn)型偏差耦合控制結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 改進(jìn)型偏差耦合控制結(jié)構(gòu)圖

以PMSM1同步補(bǔ)償器為例，來說明本文提出的改進(jìn)型偏差耦合結(jié)構(gòu)。

PMSM1的速度跟蹤誤差表達(dá)式為

改進(jìn)型同步誤差補(bǔ)償器能將多電機(jī)的跟蹤誤差和同步誤差更好地結(jié)合在一起，增加的速度綜合評測項(xiàng)能將4個(gè)電機(jī)間的轉(zhuǎn)速耦合在一起，有效避免了因4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速差異過大，而對補(bǔ)償效果產(chǎn)生的影響，使轉(zhuǎn)速補(bǔ)償更加精確，提高了同步控制效果。

對于多電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu)，無論是以電機(jī)轉(zhuǎn)速還是以位置作為補(bǔ)償量，并將其負(fù)反饋給轉(zhuǎn)速環(huán)控制器，都是為了補(bǔ)償軸啟動(dòng)電流，使啟動(dòng)過程中多個(gè)不同電機(jī)具有良好的同步性能。因此，還可從轉(zhuǎn)速環(huán)控制器等方面，結(jié)合先進(jìn)算法提高單電機(jī)控制精度來改善多電機(jī)同步的控制精度與穩(wěn)定性。

2 基于自適應(yīng)積分滑?？刂婆c擾動(dòng)滑模觀測器的PMSM控制系統(tǒng)

本文為了提高多電機(jī)同步控制系統(tǒng)中單個(gè)電機(jī)的精確控制性能，采用了積分滑模面，設(shè)計(jì)了基于積分滑模面的指數(shù)趨近律，實(shí)現(xiàn)了PMSM自適應(yīng)積分滑模控制器設(shè)計(jì)。為了減少負(fù)載擾動(dòng)對同步系統(tǒng)性能的影響，利用基于積分滑模面的指數(shù)趨近律滑模觀測器，來觀測負(fù)載轉(zhuǎn)矩，并將其反饋到PMSM控制中，來提高多電機(jī)同步控制系統(tǒng)中單個(gè)PMSM的控制性能，其控制原理如圖3所示。

圖3 基于NAISMC與SMDO的滯環(huán)控制原理圖

2.1 新型自適應(yīng)積分滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

本文以滯環(huán)控制的表貼式PMSM為研究對象，其在坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為

定子磁鏈方程為

電機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為

根據(jù)式(1)定義，則有

根據(jù)式(10)、式(12)和式(13)可知

本文滑?？刂撇捎昧朔e分滑模面，它可改善滑模運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性能，使轉(zhuǎn)矩輸出平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速跟蹤不會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)。此外，積分滑模面的使用還可以避免輸入量出現(xiàn)高階導(dǎo)數(shù)，從而引發(fā)系統(tǒng)抖振和對控制律的設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。

令積分滑模面為

由于滑?？刂浦饕怯哨吔途S持運(yùn)動(dòng)兩部分組成，一方面要快速接近滑模面，另一方面在控制律作用下，要能夠在滑模面上下不發(fā)生劇烈波動(dòng)，既要滿足可達(dá)性，還要滿足平穩(wěn)性，傳統(tǒng)指數(shù)趨近律滑?？刂凭褪腔谶@兩點(diǎn)提出的[27]。

因此，本文設(shè)計(jì)了基于新型積分滑模面的自適應(yīng)趨近律，使切換模塊相較于傳統(tǒng)指數(shù)趨近律有自適應(yīng)的特性，切換過程更加平穩(wěn)。

對采用的自適應(yīng)趨近律積分滑?？刂品椒?，可用Lyapunov 函數(shù)證明其穩(wěn)定性。

(22)

2.2 擾動(dòng)觀測器設(shè)計(jì)

因電機(jī)額定負(fù)載的限制，對于PMSM電機(jī)來說，認(rèn)為負(fù)載作用變化緩慢，故有

根據(jù)式(24)—式(27)可知

采用積分滑模面，則有

新型趨近率設(shè)計(jì)為

則外在擾動(dòng)的估計(jì)值為

綜上所述，結(jié)合式(22)可知考慮外在擾動(dòng)的軸控制電流為

2.3 穩(wěn)定性分析

根據(jù)式(26)、式(28)和式(33)可知

由式(37)可知

由此可見，基于SMDO與NAISMC復(fù)合控制的轉(zhuǎn)速環(huán)控制器滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性原理，證明了系統(tǒng)控制律的穩(wěn)定性。經(jīng)分析，SMDO觀測的擾動(dòng)作為電流補(bǔ)償值反饋后，在很大程度上減小了NAISMC控制器的增益參數(shù)，同時(shí)削弱了系統(tǒng)抖振，提高了單電機(jī)控制性能，對多電機(jī)同步系統(tǒng)性能改善具有重要作用。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證NAISMC與SMDO控制器的控制效果，以及基于其控制的PMSM的多電機(jī)同步控制效果，搭建了如圖4所示的多電機(jī)協(xié)同控制實(shí)驗(yàn)臺架，主要由上位機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)箱、多PMSM協(xié)同驅(qū)動(dòng)平衡車底盤構(gòu)成。

在上位機(jī)的Matlab/Simulink環(huán)境中，建立如圖1所示的多PMSM改進(jìn)型偏差耦合同步控制模型，其中PMSM采用如圖3所示的基于NAISMC與SMDO的復(fù)合控制，并生成其可執(zhí)行代碼，通過CCS9.3.0編譯后生成可以在DSP中運(yùn)行的C代碼，連接上位機(jī)，實(shí)驗(yàn)臺仿真器XDS100V3將代碼燒錄到TMS320DSP28335 PGFA中，控制箱控制單相橋式逆變器的驅(qū)動(dòng)信號，使PMSM正常工作，上位機(jī)通過各串口接收實(shí)驗(yàn)輸出數(shù)據(jù)信號，實(shí)現(xiàn)各實(shí)驗(yàn)所需參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

主要實(shí)驗(yàn)工況為：給定參考轉(zhuǎn)速1000 r/min，實(shí)驗(yàn)時(shí)在0.1～0.2 s對各電機(jī)施加4 N·m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，在0.25 s分別給4個(gè)電機(jī)施加2 N·m、4 N·m、6 N·m、8 N·m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，其他時(shí)間空載。各永磁同步電機(jī)參數(shù)如表1所示。

圖4 多電機(jī)協(xié)同控制實(shí)驗(yàn)臺架

表1 多電機(jī)同步系統(tǒng)參數(shù)

自適應(yīng)積分滑模控制器中，1、2的取值要保證積分滑模面函數(shù)快速穩(wěn)定地趨向于0，將1、2的取值按照倍數(shù)分別作出滑模面函數(shù)，且在0.1 s給電機(jī)施加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，如圖5所示，可得當(dāng)參數(shù)1= 0.2，2= 0.1時(shí)，自變量誤差能平穩(wěn)迅速無超調(diào)地到達(dá)滑模面，且當(dāng)電機(jī)受到負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用后，抖振較小。因此，在后面的實(shí)驗(yàn)分析中，自適應(yīng)滑?？刂破鞯?、2取值分別為0.2和0.1。NASMC和SMDO控制器參數(shù)如表2所示。

1) 為了驗(yàn)證本文提出的改進(jìn)型偏差耦合同步控制結(jié)構(gòu)的有效性，對單PMSM采用傳統(tǒng)滑模控制，將傳統(tǒng)的多PMSM偏差耦合同步控制和改進(jìn)的多PMSM偏差耦合同步控制進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)偏差耦合同步結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示，改進(jìn)型的偏差耦合同步控制結(jié)構(gòu)如圖8、圖9所示，其PMSM1與其他電機(jī)的轉(zhuǎn)速同步誤差如圖10—圖12所示。

圖5 滑模面函數(shù)s

表2 控制器參數(shù)

圖6 未改進(jìn)偏差耦合控制的4電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)曲線

圖7 未改進(jìn)偏差耦合控制的4電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤誤差實(shí)驗(yàn)曲線

由圖6—圖12的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)單PMSM利用SMC控制時(shí)，采用未改進(jìn)的偏差耦合同步控制結(jié)構(gòu)時(shí)，PMSM1分別與PMSM2、PMSM3和PMSM4的轉(zhuǎn)速同步誤差均要比本文提出的改進(jìn)偏差耦合同步控制結(jié)構(gòu)的要大。因此，由實(shí)驗(yàn)分析可知，通過引入速度綜合評測項(xiàng)對同步補(bǔ)償器進(jìn)行改進(jìn)，能對被控電機(jī)與其他電機(jī)間的耦合關(guān)系進(jìn)行更加貼合實(shí)際的描述，說明本文提出的基于改進(jìn)偏差耦合同步控制結(jié)構(gòu)的多PMSM同步性能較傳統(tǒng)偏差耦合同步控制結(jié)構(gòu)優(yōu)良。

圖8 改進(jìn)偏差耦合控制的4電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)曲線

圖9 改進(jìn)偏差耦合控制的4電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤誤差曲線

圖10 PMSM1與PMSM2轉(zhuǎn)速同步誤差曲線

圖11 PMSM1與PMSM3轉(zhuǎn)速同步誤差曲線

圖12 PMSM1與PMSM4轉(zhuǎn)速同步誤差曲線

2) 為了驗(yàn)證單PMSM采用NAISMC控制對多PMSM同步控制性能的改善，基于改進(jìn)的多PMSM偏差耦合控制結(jié)構(gòu)，單PMSM采用NAISMC控制，來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并與單PMSM采用傳統(tǒng)SMC控制的同步控制效果進(jìn)行對比。4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、跟蹤誤差以及電機(jī)1與其余3個(gè)電機(jī)的同步誤差估計(jì)曲線如圖13—圖15所示。

相比于基于改進(jìn)偏差耦合的SMC控制的多PMSM同步控制(其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8和圖9所示)，基于改進(jìn)偏差耦合的NAISMC控制的多電機(jī)同步控制，受外在負(fù)載轉(zhuǎn)矩影響較小，各電機(jī)均能迅速跟蹤上目標(biāo)轉(zhuǎn)速，超調(diào)量亦有所下降。如圖13和圖14所示，在0.25 s各電機(jī)受到不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用后，各電機(jī)同步運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速有較大波動(dòng)，但由圖15和圖10—圖12中結(jié)果對比可知，基于改進(jìn)偏差耦合的NAISMC控制的多PMSM同步控制的轉(zhuǎn)速同步誤差有較大減小，說明基于改進(jìn)偏差耦合的NAISMC控制的多PMSM同步控制系統(tǒng)的抗外在擾動(dòng)能力有了一定提高，使多電機(jī)同步控制精度得到了改善。

圖13 NAISMC控制的4電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)曲線

圖14 NAISMC控制的4電機(jī)跟蹤誤差實(shí)驗(yàn)曲線

圖15 NAISMC控制的4電機(jī)同步誤差實(shí)驗(yàn)曲線

3) 為了驗(yàn)證擾動(dòng)觀測器對多PMSM同步控制性能的改善效果，采用改進(jìn)的多PMSM偏差耦合同步控制結(jié)構(gòu)，對單PMSM分別采用基于NAISMC與SMDO控制和基于NAISMC與傳統(tǒng)觀測器控制來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比分析。4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、跟蹤誤差、負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測以及電機(jī)1與其余3個(gè)電機(jī)的同步誤差估計(jì)曲線，如圖16—圖23所示。

圖16 NAISMC與傳統(tǒng)觀測器的4電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

圖17 NAISMC與傳統(tǒng)觀測器的4電機(jī)跟蹤誤差估計(jì)曲線

圖18 NAISMC與傳統(tǒng)觀測器的4電機(jī)擾動(dòng)觀測曲線

圖18是各電機(jī)擾動(dòng)觀測曲線，其觀測值在加載值附近且較為平穩(wěn)；圖19是多電機(jī)同步誤差實(shí)驗(yàn)曲線，在0.1～0.2 s內(nèi)施加4 N·m的脈沖負(fù)載后，多電機(jī)同步誤差在0～2 r/min。從圖16、圖17可以看出各電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有出現(xiàn)明顯的降低，大約在0～9 r/min以內(nèi)。當(dāng)在0.25 s后，對各電機(jī)施加不同的持續(xù)負(fù)載作用時(shí)，各電機(jī)轉(zhuǎn)速降低約為0～25 r/min，多電機(jī)同步誤差為0～13 r/min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，基于NAISMC與傳統(tǒng)觀測器復(fù)合控制的多電機(jī)同步控制，相比于未有擾動(dòng)觀測的基于改進(jìn)偏差耦合的SMC控制和NAISMC控制的多PMSM同步控制，其具有非常好的同步性能，且具有很強(qiáng)的抗擾能力，提高了PMSM多電機(jī)同步控制的穩(wěn)定性。

圖19 NAISMC與傳統(tǒng)觀測器的4電機(jī)轉(zhuǎn)速同步誤差曲線

圖20 NAISMC與SMDO的4電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

圖21 NAISMC與SMDO的4電機(jī)跟蹤誤差估計(jì)曲線

圖22 NAISMC與SMDO的4電機(jī)擾動(dòng)觀測曲線

圖23 NAISMC與SMDO的4電機(jī)轉(zhuǎn)速同步誤差曲線

圖22是各電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測實(shí)驗(yàn)曲線，相較于NAISMC與傳統(tǒng)觀測器復(fù)合控制(如圖18所示)，其觀測值平穩(wěn)并且更加精確。圖23是多電機(jī)同步誤差實(shí)驗(yàn)曲線，在0.1～0.2 s內(nèi)施加4 N·m的脈沖負(fù)載后，多電機(jī)同步誤差在0～1.2 r/min，從圖20、圖21可以看出電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有出現(xiàn)明顯的降低，大約在0～8 r/min以內(nèi)。當(dāng)在0.25 s后，對各電機(jī)施加不同的持續(xù)負(fù)載作用時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低約為0～20 r/min，從圖23可以看出多電機(jī)同步誤差在0～10 r/min。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的電機(jī)同步誤差顯示，轉(zhuǎn)速和跟蹤誤差在加載和卸載時(shí)，其值都要比傳統(tǒng)SMC、NAISMC與傳統(tǒng)觀測器綜合控制的要小，能夠在極短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，且受負(fù)載作用后各電機(jī)轉(zhuǎn)速降低較小，各電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小，穩(wěn)定性強(qiáng)，控制效果良好，多電機(jī)同步性能參數(shù)與工作穩(wěn)定性有了明顯的提高。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，相比基于NAISMC與傳統(tǒng)觀測器綜合控制的多PMSM同步控制，基于NAISMC與SMDO復(fù)合控制的多PMSM同步控制具有非常好的同步性能，且具有很強(qiáng)的抗擾能力，提高了PMSM多電機(jī)同步控制的穩(wěn)定性和精度。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于新型積分滑模面的自適應(yīng)趨近律PMSM控制器(NAISMC)，同時(shí)為了抵抗負(fù)載擾動(dòng)，設(shè)計(jì)了基于新型趨近律的滑模擾動(dòng)觀測器(SMDO)，實(shí)時(shí)觀測系統(tǒng)擾動(dòng)，并設(shè)計(jì)了基于NAISMC與SMDO復(fù)合控制的多PMSM改進(jìn)型偏差耦合結(jié)構(gòu)的同步控制策略。

1) 采用了改進(jìn)型偏差耦合多PMSM同步結(jié)構(gòu)，對于同步補(bǔ)償器部分，增加了速度評測項(xiàng)，能夠?qū)⒏麟姍C(jī)速度更好地結(jié)合在一起，避免了因各電機(jī)轉(zhuǎn)速差異過大，而對多電機(jī)同步補(bǔ)償產(chǎn)生的不利影響，有利于維持多電機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定。

2) 由于外部負(fù)載擾動(dòng)變化，會(huì)影響各電機(jī)的控制，設(shè)計(jì)了SMDO，實(shí)時(shí)觀測負(fù)載擾動(dòng)變化，并將其反饋至多電機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)控制器，提高多電機(jī)同步控制穩(wěn)定性能和同步控制精度。

3) 通過多電機(jī)同步系統(tǒng)在不同的負(fù)載工況下，將傳統(tǒng)SMC、NIASMC，NAISMC與傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測器以及NAISMC與SMDO復(fù)合控制作對比分析，結(jié)果表明復(fù)合控制能有效地保證4個(gè)電機(jī)具有良好的跟蹤性能與抗擾性能，確保了多電機(jī)同步的穩(wěn)定性。為了驗(yàn)證本文控制方法的有效性，對多電機(jī)同步控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明本文的控制方法有效地保證了4個(gè)電機(jī)具有良好的同步性能。

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Multi-PMSM synchronous control based on adaptive integral sliding mode and disturbance observation

ZHANG Rongyun1, ZHOU Chenglong1, SHI Peicheng2, ZHAO Linfeng3, FENG Yongle1, LIU Yaming1

(1. School of Mechanical Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China; 2. Anhui Engineering and Technology Research Center for Automotive New Technology, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China;3. School of Automobile and Transportation Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

To overcome the problems of multi motor differential out-of-step oscillation and poor synchronization stability, a multi-PMSM synchronous control method based on a new adaptive integral sliding mode and disturbance observation is proposed.First, an improved bias-coupled synchronous control structure is constructed.Then, a PMSM controller based on a new adaptive integral sliding mode control (NAISMC) is designed.Thesliding mode disturbance observer (SMDO) is used to observe the motor load disturbance, and is combined with an improved deviation coupling synchronous control structure. An improved multi-PMSM deviation coupling synchronous control method based on NAISMC and SMDO is proposed.Finally, experimental analysis is done. The results show that the synchronous control method proposed in this paper can effectively ensure that the four motors have good synchronization performance, improves their anti-disturbance ability, and ensures the stability of multi-motor synchronization.

permanent magnet synchronous motor (PMSM); multi motor synchronous control; integral sliding mode control; disturbance observer; deviation coupling control

10.19783/j.cnki.pspc.211615

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51605003, 51575001)；安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目資助(KJ2020A 0358)；安徽工程大學(xué)中青年拔尖人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目資助

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51605003 and No. 51575001).

2021-11-29；

2022-01-24

張榮蕓(1985—)，男，通信作者，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槠囅到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)及控制、新能源汽車電機(jī)控制；E-mail: hanfengzhiwei@163.com

周成龍(1995—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉雌囯姍C(jī)控制。E-mail：zclxhzl@163.com

(編輯 魏小麗)