基于扰动主动补偿的永磁同步电机伺服系统滑模控制

作     者：易小军 

作者单位：湖南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周兰;刘文斌

授予年度：2023年

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

主      题：永磁同步电机伺服系统 滑模控制 主动扰动抑制 跟踪控制 

摘      要：永磁同步电机伺服系统是一个非线性、强耦合、多变量的复杂对象,不可避免地存在参数摄动、未知非线性动态等不确定性和负载转矩影响,这些不确定性和扰动使得永磁同步电机伺服系统难以获得期望的控制性能,甚至影响系统的稳定性。因此,提出有效的永磁同步电机伺服系统滑模控制设计方法,提高系统的抗扰能力和跟踪性能,保证系统的控制精度、瞬态性能和鲁棒性,有着重要的理论意义和应用价值。 本文以永磁同步电机为研究对象,引入主动扰动抑制思想,针对不同工况条件下的转速控制、位置控制和电流控制,分别采用扩张状态观测器方法、等价输入干扰方法和扰动观测器方法,提出基于扰动补偿的永磁同步电机伺服系统滑模控制设计方法,旨在提高系统的抗扰能力和跟踪性能。本文的研究工作主要包括以下三个方面: (1)针对永磁同步电机伺服系统的负载扰动突变问题,提出一种基于扩张状态观测器的滑模控制设计方法。首先,利用系统已知模型信息设计扩张状态观测器,对负载扰动进行实时估计。然后,基于跟踪误差构造滑模面函数,构建滑模趋近律,并结合扰动估计值和趋近律设计滑模控制器。在此基础上,推导出系统的稳定性和收敛性条件。最后,通过仿真分析、以及与PI方法、其他滑模控制方法的比较,说明本文所提方法具有更好的扰动抑制和跟踪控制性能。 (2)针对负载扰动突变和齿槽转矩脉动问题,提出一种基于等价输入干扰的永磁同步电机伺服系统滑模控制设计方法。首先,根据永磁同步电机机械运动方程设计降阶状态观测器,并基于观测误差设计等价输入干扰估计器和补偿器,以消除负载扰动突变和齿槽转矩脉动对于电机位置输出的影响。然后,根据电机位置跟踪误差设计滑模控制规律,实现对参考位置信号的准确快速跟踪,并利用李雅普诺夫定理推导出系统的稳定性条件。最后,通过与PI方法、以及基于扩张状态观测器的滑模控制方法进行仿真比较,验证所提方法的有效性和优越性。 (3)针对电流谐波导致电机转矩脉动、电磁噪声和电流损耗等问题,提出一种基于扰动观测器的永磁同步电机伺服系统滑模控制方法。首先,利用系统的已知模型信息设计扰动观测器,对负载扰动和未知非线性动态及其导数进行实时估计。然后,利用电机转速跟踪误差构造滑模面函数,构建基于扰动补偿的复合滑模控制律,以消除负载扰动和未知非线性动态对系统输出的影响。在此基础上,建立系统的稳定性和收敛性条件,并通过粒子群算法对滑模控制器参数和扰动观测器参数进行同时优化。最后,通过与PI方法、准谐振控制和其他滑模控制方法的比较仿真,说明所提方法具有更好的扰动抑制和跟踪控制性能。