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基于super-twisting滑模和模糊PID控制的无刷直流电机DTC研究

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基于Super-Twisting滑模和模糊PID控制的无刷直流电机DTC研究

作者：刘世钊河北科技大学

学位级别：硕士

在政府提倡的节能环保、使用清洁能源的大环境下,家用电动汽车将逐步替代传统燃油车。无刷直流电机（Brushless DC motor,简称BLDCM）因其易于控制,体积小,运行可靠性高,在汽车电机驱动的各个环节获得越来越广泛的应用。目前关于无刷直... 详细信息

在政府提倡的节能环保、使用清洁能源的大环境下,家用电动汽车将逐步替代传统燃油车。无刷直流电机（Brushless DC motor,简称BLDCM）因其易于控制,体积小,运行可靠性高,在汽车电机驱动的各个环节获得越来越广泛的应用。目前关于无刷直流电动机的主要技术研究,主要集中在优化控制策略及抑制转矩脉动方面。本文从直接转矩控制（Direct Torque Control,DTC）的原理分析开始,详细介绍了无刷直流电机直接转矩控制技术。直接转矩控制技术应用在无刷直流电机上还存在转矩脉动较大,抗干扰能力较差的问题。针对这个问题本文提出了一种二阶滑模控制算法:super-twisting滑模（super-twisting sliding mode,STSM）控制算法,将直接转矩控制中的滞环用基于该算法的滑模替代,并将SVPWM调制技术替换传统DTC中开关表,通过在MATLAB/Simulink平台下仿真测试,对比了转矩波形、转速波形及磁链波形,证明STSM-DTC控制策略有效抑制无刷直流电机转矩脉动并增强系统的鲁棒性。由于无刷直流电机调速系统具有一定的非线性、时变性,电机运行期间转速超调量过高,外部扰动和一些不确定性因素都会对控制器的参数产生影响。传统PI转速控制器的参数无法自动调节,难以适应外部变化。将STSM-DTC控制系统中的转速PI控制器用自适应模糊-PID控制器替代,提高整个控制系统的自适应性及抗干扰能力,通过MATLAB/Simulink下仿真测试,该控制策略进一步抑制了转矩脉动,大大减小了转速调节时间和超调量,提高了系统的抗干扰性。本文以TMS320F28335芯片为控制核心的硬件电路搭建了一套实验平台,利用CCS软件（Code Composer Studio,CCS）进行系统调试。采用额定功率为50W的无刷直流电机进行高速和低速、空载和负载的性能测试,进而对本文提出的控制算法进行了实验验证。

关键词：无刷直流电机直接转矩控制 super-twisting滑模控制自适应模糊-PID控制

基于super-twisting滑模的永磁同步电机直接转矩控制的研究

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基于Super-Twisting滑模的永磁同步电机直接转矩控制的研究

作者：唐翱郑州大学

学位级别：硕士

本文对永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)的结构进行了介绍,然后将面装式PMSM作为控制对象在各个坐标系下进行了数学模型分析,并在MATLAB/Simulink平台下搭建了永磁同步电机的仿真模型。介绍了直接转矩控制(direct... 详细信息

本文对永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)的结构进行了介绍,然后将面装式PMSM作为控制对象在各个坐标系下进行了数学模型分析,并在MATLAB/Simulink平台下搭建了永磁同步电机的仿真模型。介绍了直接转矩控制(direct torque control,DTC)思想的原理,并对永磁同步电机的实现进行了说明,为后文算法的结合打下理论基础。对空间矢量脉宽调制(Space vector pulse width modulation,SVPWM)技术的原理以及其实现方式进行了详细的介绍说明,然后以直接转矩控制为基础,将SVPWM结合到PMSM直接转矩控制中,形成SVPWM-DTC系统并在MATLAB/Simulink平台下搭建了永磁同步电机的SVPWM-DTC系统的仿真模型。通过仿真实验验证了SVPWM-DTC系统的正确性,同时发现了本系统鲁棒性差的缺陷。对于永磁同步电机的SVPWM-DTC系统的缺陷,提出了一种二阶滑模控制算法——super-twisting滑模(super-twisting sliding mode,STSM)控制算法,对STSM算法进行了介绍,并以此设计了电磁转矩控制器和定子磁链控制器。将这两个控制器应用到永磁同步电机的SVPWM-DTC系统中,形成STSM-DTC系统并在MATLAB/Simulink平台下搭建了永磁同步电机的STSM-DTC系统的仿真模型。通过仿真实验验证了STSM-DTC系统的正确性,同时与SVPWMDTC系统的仿真结果进行对比分析,证明了对系统改进的有效性。

关键词：永磁同步电机直接转矩控制空间矢量脉宽调制 super-twisting滑模控制

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挖掘机动臂势能回收系统的压力滑模控制

浙江大学学报（工学版） 2016年第2期50卷 201-208,233页

作者：王飞管成肖扬李威浙江大学机械设计研究所浙江杭州310027 宁波大红鹰学院机械与电气工程学院浙江宁波315175

为了实现混合动力液压挖掘机动臂势能回收,保证动臂下降过程的平稳性,提出基于super-twisting滑模控制的以稳定动臂液压缸上腔压力为目标的能量回收控制方法.在建立关键元件的数学模型讨论能量回收时挖掘机动臂下降的平稳条件的基础上,... 详细信息

为了实现混合动力液压挖掘机动臂势能回收,保证动臂下降过程的平稳性,提出基于super-twisting滑模控制的以稳定动臂液压缸上腔压力为目标的能量回收控制方法.在建立关键元件的数学模型讨论能量回收时挖掘机动臂下降的平稳条件的基础上,针对上腔压力控制和下腔压力控制2种情况,对比分析外力扰动对下降速度的影响;设计super-twisting滑模能量回收控制器实现压力的稳定控制,证明压力稳定滑模控制器的稳定性.通过AMESIM进行系统仿真,结果表明:以下腔压力为控制目标和以上腔压力为控制目标的液压挖掘机动臂势能回收控制方法能够满足动臂势能回收时平稳下降,其中,以上腔压力为控制目标有较好的抗外力扰动能力,且更容易确定控制目标.

关键词：势能回收压力控制 super-twisting滑模控制液压挖掘机

基于高阶滑模速度控制器的异步电机模型预测转矩控制

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控制与决策 2021年第4期36卷 953-958页

作者：宁博文周凤星卢少武武汉科技大学冶金自动化与检测技术教育部工程研究中心武汉430081

针对三相异步电机驱动系统,提出一种基于高阶滑模速度控制器的模型预测转矩控制策略.为了降低负载扰动对系统运行性能的影响,设计一种基于二阶super-twisting滑模技术的速度环控制器,以代替传统PI速度控制器,并应用Lyapunov稳定性理论... 详细信息

针对三相异步电机驱动系统,提出一种基于高阶滑模速度控制器的模型预测转矩控制策略.为了降低负载扰动对系统运行性能的影响,设计一种基于二阶super-twisting滑模技术的速度环控制器,以代替传统PI速度控制器,并应用Lyapunov稳定性理论对其稳定性和鲁棒性进行分析,得到使速度控制系统收敛的参数范围.为了提升转矩控制精度,基于异步电机的数学模型,采用模型预测转矩控制理论,以转矩和定子磁链为控制目标设计评价函数,得到最优输出电压矢量驱动电机运行.仿真结果表明,所提出的控制方法能有效提升系统对负载扰动的鲁棒性,并有效降低转矩波动,使电机具有良好的动态和静态运行性能.

关键词：异步电机 super-twisting滑模控制速度控制模型预测转矩控制

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永磁同步电机无传感器直接转矩滑模控制研究

永磁同步电机无传感器直接转矩滑模控制研究

作者：郑大伟河北工程大学

学位级别：硕士

作为一种高性能控制策略,永磁同步电机直接转矩控制(Direct Torque Control,DTC)由于控制结构简单、转矩响应快速而被广泛应用。传统永磁同步电机直接转矩控制通常采用滞环控制结构,以PI控制实现。针对逆变器开关频率不恒定、参数超调... 详细信息

作为一种高性能控制策略,永磁同步电机直接转矩控制(Direct Torque Control,DTC)由于控制结构简单、转矩响应快速而被广泛应用。传统永磁同步电机直接转矩控制通常采用滞环控制结构,以PI控制实现。针对逆变器开关频率不恒定、参数超调量大、抗扰动性差等突出问题,本文从控制策略和无传感器运行两个角度,研究了永磁同步电机直接转矩控制系统的高性能控制方案,具体内容如下:本文首先合理选取坐标系,建立了基于PI控制和滞环控制的永磁同步电机直接转矩控制模型,验证其有效性。之后,改进控制策略,建立了基于空间电压矢量调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)的永磁同步电机直接转矩控制模型,取代滞环控制器,以减小逆变器开关频率,优化参考电压矢量,抑制转矩和磁链脉动。其次,为继续提高永磁同步电机直接转矩控制系统的动态特性与鲁棒性,在控制器改进方面,将二阶终端滑模控制应用于传统永磁同步电机直接转矩控制系统的转速环节;将基于新型趋近律的转速控制器应用至基于SVPWM的永磁同步电机直接转矩控制模型,并引入模糊自适应算法,实现趋近律参数的自适应调节,解决了特定PI控制器参数由于电机参数、负载等变化而造成的驱动系统动态特性下降等问题;在前者基础上,设计super-twisting滑模控制器并应用于转矩角差环节,二者组成混合滑模控制器。最后,在无传感器运行方面,设计基于反正切函数的滑模观测器,合理设置相位补偿。控制器仿真实验表明,新型趋近律滑模速度控制器能将负载下转速相对误差降低至0.16%,混合滑模控制器能将空载下转速误差降低至0.06%。与PI控制、普通指数趋近律相比,在电机空载起动、外加负载及转速扰动等情况下,改进后的控制算法使系统静态性能、动态性能和鲁棒性提升显著。观测器仿真实验表明,在空载起动、转速及转矩值突增的情况下,与文献[37]中的模型参考自适应观测器相比,基于反正切函数的滑模观测器减少了相位延迟,提高了转子位置估计的准确性。

关键词：永磁同步电机直接转矩控制滑模观测器新型趋近律 super-twisting滑模控制

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一类底盘集成式直流微电网稳定控制研究

一类底盘集成式直流微电网稳定控制研究

作者：刘文康石家庄铁道大学

学位级别：硕士

为满足自行装备上装武器系统（雷达、导弹、火炮、防护等）大功率、冲击性负载用电需求,高功率/能量密度底盘集成式直流微电网成为国内外关注的前沿技术之一。底盘集成式直流微电网可工作于增强混合动力、静默供电和充电维护等不同模态... 详细信息

为满足自行装备上装武器系统（雷达、导弹、火炮、防护等）大功率、冲击性负载用电需求,高功率/能量密度底盘集成式直流微电网成为国内外关注的前沿技术之一。底盘集成式直流微电网可工作于增强混合动力、静默供电和充电维护等不同模态,具有供电可靠、灵活和电能质量优异等优势。论文重点围绕负载功率边界分析、多模态稳定控制算法展开研究,对于提高底盘集成式直流微电网带载能力和动态稳定能力具有十分重要的意义。论文分析、建立了底盘集成式直流微电网各组成单元的数学模型,针对增强混合动力、静默供电和充电维护等工作模态,采用混合势函数、Lyapunov特征值两种方法,深入分析了底盘集成式直流微电网负载功率边界与电网络参数之间的内在关系,并给出了具体的功率边界数学表达。为探索底盘集成式直流微电网负载功率边界拓展方法,围绕基于虚拟阻抗控制的附加控制展开了深入研究,并基于Lyapunov特征值的系统稳定性分析理论,采用仿真验证的方法,验证了该方法的有效性。为适应上装武器系统负载的非线性、强冲击工作特性,提高底盘集成式直流微电网大范围稳定运行能力,论文开展了非线性鲁棒稳定控制算法研究。对于笼型异步电机自激取力发电子系统,深入分析了电压-磁链外环super-twisting滑模控制与电流内环K类函数直接反馈线性化相结合的控制策略。对于混合储能子系统,深入分析了基于精确反馈线性化的反演自适应变结构控制策略。仿真验证结果表明,所采用的控制方法都有效适应了各子系统自身非线性、不确定性的模型特征,具有很好的鲁棒控制效果。在上述功率边界和子系统非线性稳定控制算法研究基础上,论文开展了底盘集成式直流微电网多模态整体联合仿真研究。依据各发电单元输出功率、负载功率、磷酸铁锂电池和超级电容荷电量等瞬时状态,建立了底盘集成式直流微电网9种工作子模态,并对不同工作子模态切换策略进行了分析。在增强混合动力、静默供电和充电维护等特定工作模态下,在负载大扰动的情况下,分别采用新提出的非线性稳定控制算法和传统PI控制算法,对底盘集成式直流微电网开展了整体联合仿真对比。仿真结果验证了新提非线性稳定控制算法对提升底盘集成式直流微电网稳定性的有效性。

关键词：直流微电网底盘集成式微电网稳定控制负载功率边界混合势函数 super-twisting滑模控制反馈线性化反演自适应变结构控制工作模态

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多源互补笼型异步发电系统鲁棒控制研究

多源互补笼型异步发电系统鲁棒控制研究

作者：单锁兰石家庄铁道大学

学位级别：硕士

随着高性能仪器设备、电驱动、电防护等负载形式快速涌现,在飞机、坦克、车辆、舰船等独立电源系统领域,电能需求正在向高质量、大功率方向发展。多源互补笼型异步发电系统包括自励磁感应发电系统(self-excitation induction generation... 详细信息

随着高性能仪器设备、电驱动、电防护等负载形式快速涌现,在飞机、坦克、车辆、舰船等独立电源系统领域,电能需求正在向高质量、大功率方向发展。多源互补笼型异步发电系统包括自励磁感应发电系统(self-excitation induction generation system,SEIGs)、混合储能系统(Hybrid Energy Storage System,HESS)、以及电能的变换设备,是提高独立电源系统能量密度的有效手段之一。首先针对自励磁感应发电系统(SEIGs),许多研究者认为SEIGs是构建高功率密度综合电源系统(Integrated power source system,IPSS)的一种重要方式。由于原动机转速和负载功率的变化范围较大,大多数研究人员认为改善SEIGs供电性能是非常重要的内容。本论文研究并提出一种新的super-twisting直接转矩最优L增益(super twisting direct torque optimal L-gain control,ST-OP-L-DTC)控制方法。为了提高转矩响应速度,在电压-磁链外环子系统中采用了super-twisting直接转矩外环控制方法,与正弦调制相比,可提高13.5%的电压利用率,提高直流整流电压。在电流内环子系统中采用最优L增益控制方法,通过求解线性矩阵不等式(Linear matrix inequality,LMI)得到最优控制律来最小化干扰的影响。软件的仿真和仿真的实验的结果表明,在负载功率突变以及转速突变的两种不同的情况下,和传统的电压外环-电流内环(voltage outer loop-current inner loop,VOL-CIL)控制方法做对比,ST-OP-L-DTC方法能够提高直流输出电压的暂态稳定性,实现滑模面导数收敛,缩短电磁转矩的稳定时间。然后为提高负载冲击条件下混合储能系统(Hybrid energy storage system,HESS)的稳定能力,考虑模型不确定及上界未知等现实约束,基于自适应高阶滑模控制理论,提出一种分散自适应强扭曲虚拟阻抗控制新方法(decentralized adaptive super-twisting virtual impedance control,DA-ST),并进行了稳定性分析及理论仿真验证。仿真结果表明,在物理参数摄动和连续负载冲击条件下,与传统虚拟阻抗比例控制方式相对比,采用新提控制策略,储能变换器输出电压纹波的波动降低30%,输出电压稳定时间缩短0.3 s,输出电压超调降低,输出电流稳定时间缩短,超级电容动态功率补偿速度加快。DA-ST对于提高HESS抗负载冲击能力具有明显效果,可有效提高HESS稳定运行能力。最后为验证多源互补笼型异步发电系统抗击冲击负载能力,以及分析不同功率源(异步发电功率源、盘式电机功率源)和储能源(铅酸蓄电池组、超级电容组)动态特性,对典型多源互补笼型异步发电系统进行了控制算法仿真分析和验证。对典型的多源互补笼型异步发电系统的进行综合的仿真研究,更加证明了提出的方法的有效性。

关键词：多源互补笼型异步发电系统混合储能系统分散自适应控制直接转矩控制 super-twisting滑模控制 L2增益干扰抑制

基于super-twisting算法的内燃机车永磁同步发电系统策略研究

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电机与控制应用 2021年第3期48卷 99-103,109页

作者：汤成胡继胜大连交通大学机车车辆工程学院辽宁大连116028

为了使内燃机车永磁同步发电系统在内燃机全速范围内和突变性负载条件下均能稳定控制中间直流环节电压且减小电压的脉振,采用super-twisting高阶滑模算法对电压外环进行控制得到给定转矩,与传统PI外环控制相比,中间直流环节电压开始的... 详细信息

为了使内燃机车永磁同步发电系统在内燃机全速范围内和突变性负载条件下均能稳定控制中间直流环节电压且减小电压的脉振,采用super-twisting高阶滑模算法对电压外环进行控制得到给定转矩,与传统PI外环控制相比,中间直流环节电压开始的超调减小,且电压跟随性、稳定性得到提升。同时,为了提高发电系统变流器容量利用率,在矢量控制的基础上,提出改进的功率因数控制策略对电机进行控制。仿真试验表明,所提发电系统在内燃机宽转速范围、突变性负载条件下,可以得到平稳且能够快速恢复的中间直流电压。同时,发电系统在切换转矩内无功功率基本能稳定在零附近,超过切换转矩后无功功率依旧保持较低水平,提高了变流器容量利用率。

关键词：永磁同步发电机内燃机车改进功率因数控制 super-twisting滑模控制