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探测与控制学报 2023年第2期45卷 122-128页

作者：刘逸坚王树波青岛大学自动化学院山东青岛266071 山东省工业控制技术重点实验室山东青岛266071

针对永磁同步电机(PMSM)受到未知扰动影响电机正常运行的问题,提出一种基于非线性扰动估计器的变幂指数趋近率抗干扰滑模控制方法。通过采用滤波操作构造不变流形来设计非线性扰动估计器,对PMSM系统存在的未知动态进行估计;引入一种改... 详细信息

针对永磁同步电机(PMSM)受到未知扰动影响电机正常运行的问题,提出一种基于非线性扰动估计器的变幂指数趋近率抗干扰滑模控制方法。通过采用滤波操作构造不变流形来设计非线性扰动估计器,对PMSM系统存在的未知动态进行估计;引入一种改进的变幂指数滑模趋近率以消除传统滑模控制的抖振问题,在此基础上将非线性扰动估计器嵌入到滑模控制器的设计中,消除未知动态对系统的影响。永磁同步电机实验平台验证结果表明,该控制方法具有更快的响应速度和更强的抗干扰能力,能够有效地改善PMSM系统的控制性能。

关键词：永磁同步电机非线性扰动估计器变幂指数滑模趋近率抗干扰滑模控制器

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永磁同步电机伺服系统扰动补偿控制研究

永磁同步电机伺服系统扰动补偿控制研究

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作者：刘逸坚青岛大学

学位级别：硕士

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)凭借其优异的性能在工业和生产生活中得到广泛的应用。但是,PMSM是一个内部变量多且每个变量之间具有强耦合性的非线性系统,因此PMSM的参数易受到外部扰动,参数不确定性等未知动... 详细信息

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)凭借其优异的性能在工业和生产生活中得到广泛的应用。但是,PMSM是一个内部变量多且每个变量之间具有强耦合性的非线性系统,因此PMSM的参数易受到外部扰动,参数不确定性等未知动态干扰发生变化,从而降低系统控制性能,此外,基于比例积分(Proportional Integral,PI)控制策略难以满足PMSM在一些高精度场合的控制需求。因此,如何克服机未知干扰对PMSM系统的影响,提升PMSM系统的控制精度,对工业生产制造具有十分重要的研究意义和价值。本文针对受未知动态干扰影响的PMSM系统,讨论如何进行扰动观测及补偿来提高PMSM控制性能问题。研究了基于非线性扰动估计器(Nonlinear Disturbance Estimator,NDE)的抗干扰滑模控制(Anti-interference Sliding Mode Control,AISMC)、基于扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)的固定时间积分滑模控制(Fixed Time Integral Sliding Mode Control,FTISMC)、具有预设性能的无近似控制(Approximation-Free Control,AFC)等多方面的问题。论文的主要研究内容如下:(1)针对永磁同步电机受到未知扰动影响电机正常运行的问题,提出一种NDE+AISMC方法。通过采用滤波操作构造不变流形来设计NDE对PMSM系统存在的未知动态进行估计,同时引入一种改进的变幂指数滑模趋近律用来消除传统滑模控制的抖振问题,在此基础上将NDE的估计值嵌入到滑模控制器的设计中,消除未知动态对系统的影响。最后基于仿真和实验与基于非线性扰动估计器的积分滑模控制(Integral Sliding Mode Control,ISMC)方法和PI控制方法进行对比,结果表明,相较于PI控制方法和NDO+ISMC方法,NDE+AISMC具有良好响应速度和更强的抗干扰能力,能够有效的改善PMSM系统的控制性能。(2)针对如何提高PMSM系统控制性能和响应速度的问题,提出了一种ESO+FTISMC方法。首先通过ESO观测系统的总扰动,并对PMSM模型进行简化处理,然后将观测的总扰动作为前馈补偿项加入到所设计的控制器中对未知扰动进行补偿;其次,设计一种改进的固定时间积分滑模面,并以此设计固定时间积分滑模控制器使PMSM系统状态能够固定时间内收敛于一个足够小的区域,根据李雅普诺夫定理证明PMSM控制系统的稳定性,最后与传统PI控制和基于ESO的线性滑模控制器(Linear Sliding Mode Control,LSMC)作比较,仿真和实验结果表明,所提出的ESO+FTISMC方法比PI方法和ESO+LSMC具有更强的跟踪性能,能够有效提高PMSM系统的响应速度和抗扰动能力。(3)针对在扰动补偿的前提下,过多的控制增益参数会导致计算负担大的问题,引入预设性能控制,提出一种基于预定性能的AFC方法,通过采用预定的性能函数和相关的误差转换机制来保证永磁同步电机系统的瞬态和稳态误差。此外,通过非线性扰动观测器来估计系统的集总扰动,将观测值引入无近似控制设计来补偿建模不确定性和未知动态,进一步改善跟踪性能并降低控制器复杂度。根据李雅普诺夫定理对闭环控制系统进行稳定性分析。最后,基于MATLAB进行仿真模拟,在PMSM半实物仿真平台LINKS-RT进行实验来验证方法的有效性。

关键词：永磁同步电机系统非线性扰动估计器滑模控制固定时间控制预设性能控制

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