基于自抗扰的PMLSM电流解耦控制研究

作     者：吴岑 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵希梅

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：永磁直线同步电动机 电流耦合 电流偏差解耦控制 扩张滑模观测器 自抗扰控制 

摘      要：永磁直线同步电动机（PMLSM）除磁密高、体积小、散热快外,更是以其直接驱动的结构和大推力的特点,在医疗、光电等高速高精度场合获得广泛应用。然而,PMLSM的电流耦合现象使系统鲁棒性降低。为解决参数变化引起的扰动,以及电机在运行过程中参数变化导致d-q轴电流无法解耦的问题,设计了自抗扰控制器和改进扩张滑模观测器（IESMO）,与电流偏差解耦控制（CDDC）相结合的方法来实现d-q轴电流在一定程度上的解耦,降低系统对参数变化的敏感度,提高系统鲁棒性。首先,介绍PMLSM的结构、工作原理以及坐标变换理论,在旋转坐标轴下建立了考虑参数变化的PMLSM数学模型,基于矢量控制理论建立了最大推力电流比的双闭环PMLSM矢量控制系统,为CDDC、IESMO以及自抗扰控制器的设计奠定了基础。然后,针对PMLSM在参数变化时无法实现对d-q轴电流的解耦,设计了一种基于改进扩张滑模观测器的电流偏差解耦控制（IESMO-CDDC）方案。从参考电流与实际电流作差处引入d-q轴交叉耦合支路,建立含耦合项的电流控制方程,计算出耦合量并对系统进行补偿,设计CDDC,用于削弱d-q轴电流耦合量的影响。对其耦合项进行分析,得出由于d-q轴电感标称值与实际不一致,不能实现解耦。为实现电流解耦控制,选取多维滑模面设计ESMO,用于估计参数变化引起的扰动。然而,由于ESMO存在抖振问题且收敛速度较慢,设计Hurwitz指数趋近律对ESMO进行改进,在一定程度上实现电流的解耦。从理论上分析证明了IESMO-CDDC能在保证系统稳定性的基础上,提高系统对参数变化的鲁棒性。通过仿真对比,验证所设计方案的有效性。最后,针对参数变化的扰动使IESMO-CDDC无法完全解耦的问题,设计基于自抗扰的IESMO-CDDC方法。选取积分滑模面,将自抗扰控制器的状态误差反馈控制律设计为积分滑模算法,保证了系统的鲁棒性。然后,为进一步解决参数变化的扰动,设计增益连续扩张状态观测器。由于增益连续扩张状态观测器有峰值现象,导致观测误差大的问题,设计变增益连续扩张状态观测器观测参数变化的对系统的影响,进一步提高电流解耦效果。从理论上分析证明了基于自抗扰的IESMO-CDDC方法能保证系统稳定。通过系统仿真,验证了所提出的控制方法能够进一步改进解耦效果,提高系统鲁棒性。