CN108540030B - 一种永磁同步电机调速***滑模变结构控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种永磁同步电机调速***滑模变结构控制方法。该方法采用基于新型趋近律的滑模变结构控制器:在滑模面的设计中引入误差信号的积分项,避免控制量中对加速度信号的要求,减小***的稳态误差;同时引入变速趋近律,使***的趋近速度与***状态量|s|的变化相关联,以提高***的动态品质;此外,采用连续函数sigmoid(s)代替常规趋近律中的符号函数sgn(s),进一步减小抖振。本发明与传统的PI控制方法相比,能够更好、更快地跟踪给定速度信号,且对***外部扰动具有较强的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及一种调速***控制方法,尤其是一种永磁同步电机调速***滑模变结构控制方法。
背景技术
永磁同步电机以其体积小、效率高、电磁转矩大、容易维护、控制方便等诸多优点,已广泛应用于数控机床、航空航天、工业机器人等领域。目前,在永磁同步电机调速***中普遍采用传统的比例积分微分(PID)控制,该控制器具有控制简单、可靠性高、易于实现等优点,在一定范围内能够满足控制要求。然而,永磁同步电机是一个非线性、多变量、强耦合的***,在***内部参数发生变化或受到外部扰动时,常规PID控制难以满足高性能的控制要求。
为了解决常规PID控制带来的问题,许多现代控制理论被逐渐应用到永磁同步电机的调速***中,如模糊控制、自适应控制、滑模控制和神经网络控制等。其中,滑模控制因具有很强鲁棒性以及容易实现等优点而得到广泛的关注,并在PMSM的伺服控制中得到应用,并取得了较好的效果。
发明内容
为解决现有PID控制技术中存在的问题,本发明提供一种永磁同步电机调速***滑模变结构控制方法,该方法与传统的PID控制器相比,具有更快的响应速度和更小的超调,提高了***的鲁棒性和快速性,改善了***的动静态特性。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种永磁同步电机调速***滑模变结构控制方法,包括以下步骤:通过光电编码器检测永磁同步电机的速度和位置角度信息;速度环采用变速趋近律的滑模变结构控制器,输入为转速误差,输出为电流给定值;电流环采用PI控制器,根据输入的电流给定值,生成相应的占空比,控制永磁同步电机的转速和转矩,实现调速。
所述的滑模变结构控制器的控制律为:
所述的积分滑模面s为:
式中c>0,为积分常数。
所述的变速趋近律采用指数趋近律:
sigmoid(s)函数表达式为:
式中a>0,用于调节sigmoid(s)函数的斜率。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明采用基于新型趋近律的滑模变结构控制器:在滑模面的设计中引入误差信号的积分项,避免控制量中对加速度信号的要求,减小***的稳态误差;同时引入变速趋近律,使***的趋近速度与***状态量|s|的变化相关联,以提高***的动态品质;本发明与传统的PI控制方法相比,具有更快的响应速度和更小的超调,提高了***的鲁棒性和快速性,改善了***的动静态特性。
进一步,采用连续函数sigmoid(s)代替常规趋近律中的符号函数sgn(s),进一步减小抖振。
附图说明
图1是本发明的调速***控制框图;
图2是本发明的sgn(s)函数曲线图;
图3是本发明的sigmoid(s)函数曲线图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采用的技术方案,以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。该实施方式仅适用于说明和解释本发明,并不构成对本发明保护范围的限定。
本发明的一种永磁同步电机调速***滑模变结构控制方法的控制框图如图1所示。具体步骤为:通过光电编码器检测永磁同步电机的速度和位置角度信息;速度环采用滑模变结构控制器,输入为转速误差,输出为电流给定值;电流环采用PI控制器,根据输入的电流给定值,生成相应的占空比,控制永磁同步电机的转速和转矩,实现调速的目的。
其中,采用基于新型趋近律的滑模变结构控制器:在滑模面的设计中引入误差信号的积分项,避免控制量中对加速度信号的要求,减小***的稳态误差;同时引入变速趋近律,使***的趋近速度与***状态量|s|的变化相关联,以提高***的动态品质;此外,采用连续函数sigmoid(s)代替常规趋近律中的符号函数sgn(s),进一步减小抖振。具体方式如下:
为了简化分析,在建立永磁同步电机数学模型时,作如下处理。假设转子永磁磁场在气隙空间分布为正弦波;忽略定子铁心饱和,认为磁路为线性,电感参数不变;不计铁心涡流与磁滞损耗;转子上无阻尼绕组。采用id=0的PMSM转子磁场定向控制,建立在dq坐标系下的永磁同步电机数学模型,其电压方程为:
式中:ud、uq分别为dq轴电压;id、iq分别为dq轴电流;Ld、Lq分别为dq轴电感;R为定子电阻;ωe为电机的电角度;ψ为永磁体与定子交链的磁链。
PMSM转矩方程为:
式中:p为电机极对数;Kt为转矩常数。
PMSM运动方程为:
式中:Te为电磁转矩;TL为负载转矩;J为转动惯量;ω为电机的机械角速度;B为粘滞摩擦系数。
取PMSM***的状态变量为:
式中:ω*为给定转速;ω为实际转速。
结合式(2)、式(3),忽略粘滞摩擦系数B,并对x1、x2求导可得:
定义积分滑模面为:
式中c>0,为积分常数。
指数趋近律规定了滑模控制过程中***在趋近运动阶段的状态轨迹,改善了其动态品质。但指数趋近律的切换带为带状,当***的状态轨迹在滑模带中向原点运动时,最后不能趋近于原点,而是趋近于原点的一个抖振,这可能激发***建模中未考虑的高频成分。指数趋近律的表达式为:
式中:s为滑模面;ε、k为趋近律参数。
为克服常规指数趋近律的缺点,对其进行改进,提出一种新型指数趋近律:
sigmoid(s)函数表达式为:
式中a>0,用于调节sigmoid(s)函数的斜率。
根据式(6)、式(7)和式(9),将TL作为扰动项,可得滑模变结构控制器的控制律为:
综上所述,本发明的一种永磁同步电机调速***滑模变结构控制方法,采用基于新型趋近律的滑模变结构控制器:在滑模面的设计中引入误差信号的积分项,避免控制量中对加速度信号的要求,减小***的稳态误差;同时引入变速趋近律,使***的趋近速度与***状态量|s|的变化相关联,以提高***的动态品质;此外,采用连续函数sigmoid(s)代替常规趋近律中的符号函数sgn(s),进一步减小抖振。sgn(s)和sigmoid(s)函数曲线分别如图2和图3所示。本发明与传统的PI控制方法相比,能够更好、更快地跟踪给定速度信号,具有更快的响应速度和更小的超调,提高了***的鲁棒性和快速性,改善了***的动静态特性。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明技术实质对以上实施实例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化,均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
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