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永磁同步电机反馈线性化终端滑模控制

来源:九壹网
第50卷 第3期 2017正 1.!机 MICROM0TORS V0L 50.No.3 Mar.2017 3月 永磁同步电机反馈线性化终端滑模控制 杨金波,赵志刚,赵晶 (北京航天发射技术研究所,北京100076) 摘要:永磁同步电机矢量控制并没有完全实现各变量的解耦控制,为此采用反馈线性化变换推导出完全解耦的永 磁同步电机线性化模型。为了解决传统反馈线性化控制对电机参数较为依赖,易受外部干扰和参数变化影响的缺 点,将具有快速收敛特性的终端滑模控制算法应用到永磁同步电机反馈线性化模型中,通过理论分析证明了控制系 统的稳定性,推导出了控制律。仿真结果验证了算法的有效性。 关键词:永磁同步电机;反馈线性化;终端滑模控制 中图分类号:TM351;TM341;TP273 文献标志码:A 文章编号:1001-6848(2017)03-0054・05 Terminal Sliding Mode Control With Feedback Linearization of PMSM YANG Jinbo,ZHAO Zhigang,ZHAO Jing (Beijing Institute ofSpace Launch Technology,Beijing 100076,China) Abstract:Vector control of PMSM is not a completely decoupled control strategy.A completely decoupled linear model of PMSM was proposed by feedback linearization method.Typical feedback linearization control depends on the precision of motor parameters very much.The control performance was sensitive to the pa— rameter variation and external disturbance.Terminal sliding mode control which has rapid convergence lea- ture was applied to the PMSM feedback linearization mode1.The system stability was proved and the control law was deduced through theoretic analysis.The effectiveness of the control method was confimed rby simula— tion results. Key words:PMSM;feedback linearization;terminal sliding mode control U 引 罱 永磁同步电机具有多变量、非线性、强耦合的 特点。传统的矢量控制采用的是速度环和电流环级 联的控制方式,速度环的输出作为q轴电流的给 制方法,其基本思想是将输出变量不断对时间求导 直到至少出现一个输入变量为止,在此基础上定义 新的控制变量,从而把一个非线性系统转变为线性 系统,然后再使用线性系统理论来进行系统分析与 控制器设计,从而实现对非线性系统的高性能控 制。永磁同步电机反馈线性化方法可以得到一个以 d轴电流和转速作为状态变量且完全解耦的线性模 型,模型的输入和d、g轴电压具有一一对应的关 定。这是一种间接的转速控制,是以电流(转矩) 为中间控制变量而进行的,速度环和电流环控制器 的设计是相互独立的。由于d、q轴方程相互之间 以及与转速方程之间仍存在着一定的耦合,所以传 统矢量控制只能算是一种稳态近似解耦控制,只有 在系统达到稳态后,转矩和磁链控制才可以认为是 系 。但是,反馈线性化模型本身对参数比较依 赖,采用极点配置等线性系统设计方法易受参数变 化的影响。而系统中参数的摄动是不可避免的,同 解耦的…。由于控制器设计时没有考虑各变量动 态过程的相互影响,所以最终控制性能可能无法达 到设计要求 。 输入-输出反馈线性化是一种常用的非线性控 时反馈线性化变换中有一些参数可能是无法直接测 量的,如负载转矩等,这些都会影响反馈线性化控 制的性能。为了提高反馈线性化控制的抗扰能力, 将终端滑模控制策略应用到永磁同步电机的反馈线 收稿日期:2016—05—30,修回日期:2016—07—15 作者简介:杨金波(1982),男,博士,研究方向为电机驱动与控制。 赵志刚(1989),男,硕士,研究方向为电力电子与电力传动。 赵晶(1974),男,博士,研究方向为电力电子技术。 3期 杨金波等:永磁同步电机反馈线性化终端滑模控制 ・55・ 性化模型中。滑模控制的动态过程分成两个阶段, 到达阶段和滑动模态阶段。进入滑动模态后,系统 的控制性能完全由预先设计的滑模面决定而和模型 参数以及外部扰动无关,可以避免反馈线性化模型 B T每+刮 ] 对参数敏感的问题。传统的滑模控制通常采用的是 线性滑模面,在线性滑模面上系统的状态是渐进收 敛的,从理论上说,其收敛时间为无穷大。而终端 滑模控制使用的是非线性滑模面,具有有限时问收 敛的特点,可以加快系统的响应速度l6 J。仿真结 果表明,把终端滑模控制和反馈线性化相结合的控 制策略是有效的。 1永磁同步电机反馈线性化模型 以d轴电流、q轴电流和转速为状态变量,表 贴式永磁同步电机在d—q旋转坐标系下的数学模型 可以写成 . 尺. . 1 d 一 d+pn∞m q+ d g 一 pnPntOnt’  一 一 + 1一d— g一— 一+ ug (1)(1  ・ 1.5p .TI B∞ m —了一 一了一了 式中, 为直轴电流,i 为交轴电流, 为机械角 频率,R为定子电阻,L为d、q轴电感,P 为极对 数, 为永磁体在定子绕组中产生的磁链幅值,I, 为转动惯量, 为负载转矩,B为粘滞摩擦系数, u 为直轴电压, 。为交轴电压。 从式(1)中可以看出,这是一个三阶非线性系 统,三个微分方程之间存在着耦合项。矢量控制分 别针对i i 、(E’ 设计控制器,并没有考虑它们之 间的耦合关系。实际的控制性能可能达不到设计的 要求。 为了得到一个解耦的模型,把反馈线性化方法 引入到式(1)中。选择d轴电流和转速作为系统的输 出变量,分别对其求导,直至出现输入变量为止, 可以得到 式中, U r l Ud j ]T A =[A1 A2]T 一 +pn 一争 一iq- )+ ㈩ 从式中可以看出,i 和 完全解耦,可以用极 点配置方法对i 和 分别设计控制器,显然, 和 只是间接控制量,还需根据式(3)将其转化为 d、q轴电压才能够真正完成对电机的控制。输入变 换中所用到的变量有些是可以事先测得的参数,如 电阻、转子磁链等;有些是可以通过传感器时时检 测的状态,如电流和转速;但是像负载转矩这样的 变量一般是很难直接检测到的,而且除了检测到的 电流和转速可以认为是准确的值之外,其余的参数 都不可能保证是完全准确的。而反馈线性化的结果 恰恰非常依赖于参数的准确性,如果参数的值不准 确,就不可能得到如式(4)所示的简单结构,此时 再按极点配置方法设计的控制器也往往不可能达到 预期的性能。从实际情况考虑的话,反馈线性化的 结果应该是在式(4)的基础上再加入一定的扰动量, 因此设计的控制器应具有较强的抗扰能力。 2 PMSM反馈线性化终端滑模控制 首先,将负载转矩视为扰动量,在输入变换中 不再加入负载转矩,式(3)重新写成 U: 二 ( —Al』)) (5) 式中, AI』1=[A10 A 2(】] A10:一了--一t/ .d+p OP iq 一 伽)+ 安 ・56・ ▲'I! e2+ 50卷 (15) 各变量下标中带0的代表标称值,不带0的为 实际值。用上面两个矩阵代人输入变换,最后可以 得出反馈线性化后的结果为 式中, >0,P2和q2都是奇数且1<p2/q2<2。与 积分终端滑模控制不同的是,二阶非奇异终端滑模 t d] + f2J1 fl=( Lo ̄b uJo=。-㈤ 控制的到达过程是必然存在的,无法通过加入初值 的方法将到达过程消去,因此误差状态会在有限时 间内进入滑模面,然后再经过有限时间到达平衡点 e:=e:=0并一直保持下去。如果到达时间为t止,也 就是s (t)=0(t≥ )。则系统到达平衡点的总时间 可以写成 +(,一 L0 \啪儿1) to八m{B-,2_S 。 *∞,Lo  /笋 一 (号一 )】 (7) …., ., 【【_ i ~ q+-4-pnf.Omid(_\ ・_一 一一IJ J_ 一 一 (击 选取李雅普诺夫函数 并求导,可得 le2( 2 2 (16) [ c 对直轴电流设计终端滑模控制器。定义误差变 =0.5s; (17) 量e。= :一i ,得到直轴电流误差方程 el=一t,1一 +i 这是一个一阶系统,设计积分终端滑模面为 V2=82 去e ̄P2/q2-1)¥2( 叩 ) 一 ) (18) sl=e1+卢1 l eq (8) 选取控制输入 式中, >0,Pl和q 都是奇数且Pl>q。。这种 积分终端滑模面求导后不会产生奇异问题,而且通 : gn( :)+ 2>I I p2/ +二 (19) 过在滑模面中加入误差初值能够使系统在任意状态 下直接进入滑模面,即 代人式(18),可得 sl=e1+ 1 l e ’一e1(0) (9) =彘 ( ssn(s:)一 )(20) 显然,当t=0时,s =0。误差变量的初值e。 由于1<p2/q2<2,所以2-p2/q2和P2/q2—1都 (0)很容易计算出,这样就省去了到达阶段,使系 统从始至终都具有鲁棒性。选取李雅普诺夫函数 V1=0.5s (1O) 是大于零的分数,e 越小,ei 叩 就越小,在e :0时控制量不会出现奇异值。又因为P:和q:都是 奇数,所以P /q:一1的分子是偶数,也就是说 e 2/q 是一个不小于零的数,由此可以得出 然后对时间求导 V1=sl s1=s1(一 l一 +卢le: ) 入为 (11) =s:由于直轴电流给定通常为零,所以设计控制输 t,1=E1sgn(s1)+ 1e 则 ;z=彘 : :(一gn(sz)一 )≤0 + (21) 当且仅当e:=0时',2=0。此时把式(19)代入 l>I I (12) 式(14)中得到 gn( :)一 : 1=一sl( lsgn(s1)+ )<0 (13) 滑模面存在和到达条件满足,在滑模面上,e 在有限时间内收敛到0。 当e2=0时, e2=一82sgn(s2)+ (22) 定义误差变量e:=tOm 一∞ ,得到转速误差方程 e2=一t,2一 +∞: (14) 这是一个二阶系统,为了避免控制量在平衡点 附近无限增大,采用二阶非奇异终端滑模控制 驯。 设计滑模面 当s2>0时,e2<0;当s2<0时,e2>0。所以 在滑模面之外,e:不可能一直保持为零;而在滑 模面上也只有原点位置能使e 一直为零,这说明 e ≠0,e:=0不是系统的稳定状态。文献[9]进一 3期 杨金波等:永磁同步电机反馈线性化终端滑模控制 ・57・ 步证明了系统从任意位置出发都会在有限时间内进 入滑模面,所以e 也将在有限时间内收敛。 通常使用饱和函数sat(S)代替符号函数sgn(S) 来降低高频切换引起的抖振。 f s >△i sat(s )={si/A E I s I≤△f (23) 【一1 <一△ 式中,△ 是一个较小的正数。 永磁同步电机反馈线性化终端滑模控制系统结 构如图1所示。控制器输出的控制变量和经输入变 换后得到d、q轴下的电压Ⅱ 和 。,然后经旋转坐 标变换和SVPWM模块后得到逆变器驱动信号,控 制电机运行。 永磁 I一= 一 )A l l l l .卜= 变 弼步 H。H 兰 电机 坐标 变换 图1 永磁同步电机反馈线性化终端滑模控制系统 3仿真分析 根据以上推导出的控制率搭建了永磁同步电机 反馈线性化终端滑模控制仿真模型。仿真中用到的 电机参数为R=1.4 Q,L=0.021 H, :0.2 Wb,B=0.02 Nm・s,J=0.001 kg・In ,P =4。 选定控制器参数为卢。=500,P =5,9。=3,s = 200,A1=0.1; 2=500,P2=7,g2=5, 2= 1000000,△2=0.1。 图2给出了参数完全匹配时的电机空载起动 转速阶跃响应曲线。从图2(b)可以看出,转速误 差的相轨迹先经过了初始的到达阶段后进人滑模 面,然后沿着非奇异终端滑模面逐步收敛到平衡 点。由于转速误差的动态响应过程完全由滑模面 决定,所以转速曲线平滑过渡到给定转速而不会 产生超调量。图3为转动惯量增加至原先的2倍, 而控制器参数不做任何调整时的转速曲线。从图 3中可以看出,转速响应和相轨迹与参数变化之 前基本一致,证明了控制算法具有较强的抗参数 摄动的能力。 图4在0.3 S的时候突加的一个2 Nm的负载 转矩。从图4(b)中看出,转速误差相轨迹此刻有 一个突变,然后迅速回到平衡点。图4(a)的转速 曲线则出现了一个很小的跌落,转速变化不超过 2%,然后在不到40 ms的时间内迅速回到稳定 状态而没有产生振荡和超调。控制算法具有较强 的抗外部扰动能力。 图2转速阶跃响应曲线 傲电机 5O绉 参考文献 i 刘 必.1、I 甜 , fj义.等.基j’ 确线性化解 的水磁同 步J pfL+-;-+:liIJ矢鲢阋制系统 J】・…Kil也机I 程学报,20(17,27 (30):55—59  J2 J Baik I( ,Kini K H,Y c) ln M J.Robust fmlinear Speed ct}nfnJj 0f PM Sylu’}II'OIIOLIS Motor I Jsing IIoundal Y l dym lntegtal Sliding Mode Conhol chnique[J j.IEEE Transa(・tions on C(Jlllr()1 Svst m l'e【 h_ 、/iIad/s1 noh>g ̄,,2000,8(1):47—54. l )申¨轨迹 3] 刘书6 良.水磁 步IU机 服系统 线, 杭州:浙汀1人学,2005:29.34. 删策略的 f究[D] 图4 突加负载转矩时的转速响应 4 张涛,特忡坪.张Iq宏.交流水磁¨步电机 服系统的线性化 4 结 语 把反馈线 化 法 』II钊水磁 iU机l1l,町 6 控制[J .r…蚓电机l 氍学报,2001,2l(6):40—43. f 5: 张 190J,郭庆舳.坫¨ z馈线性 furj交流 线永磁川少们服I乜 动机述度跟踪控制f J .f f:技术学报,2003,18(3):5-9. IJ YII X.Man l/. h1l‘milml Sliding Moth、Control lh sign 以 到d轴EU流 和转速完 个解 的数 、 摸J 然 分圳 f‘l× j 1t lI lU 流卡¨转速 没计控制器就lIj‘以实现水 磁 步电机的斛 耦控制。 将jI钉快速收敛特件的终 7 L_ll¨-rIain 1)'+nmnic Systt nt+j.SystlJems and Control Lettt-rH,1998. 34(5):28I-288. 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