基于滑模变结构永磁同步电机控制系统抖振问题的研究

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PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor,永磁同步电机)因为自身的结构特点具有高效工作方式、高的功率因数、高精度的控制性能及优良转矩稳定性等特点在现实工业生产与生活中得到普遍的采用。然而又因为PMSM是一种非常有代表性的多输入输出非线性系统,在实际应用中容易受到外界负载扰动、内部参数摄动、温度突变等外界恶劣环境的负面影响。而滑模控制因为自身的独有控制方式,对于负载干扰、参数温漂及响应迅速等优点在增强电机鲁棒性控制研究中得到普遍的应用。而也正是由于滑模自身结构特点在提供了优良的抗干扰控制性能的同时,也给系统带来抖振问题,从而使其在实际生产中广泛使用中遇到了极大的阻力。本文主要对于基于滑模结构的永磁同步电机控制系统产生的抖振问题,进行了分析探究,主要有以下内容:(1)首先,搭建了基于滑模结构的永磁同步电机控制系统模型,并对滑模结构中指数趋近律进行了研究。得出滑模抖振与趋近律的趋近速率与方式有着密不可分的联系,于是在此基础上设计出了一种基于滑模变结构变指数预设负载转矩上、下界的新型趋近律,该趋近律将状态变量的改变与速度误差紧密联系在一起,并依据状态变量距滑模面的远近,在线实时改良滑模控制率,以加快趋近速率,同时还能有效的抑制滑模固有抖振。最后给出了基于改进型趋近律的滑模调速器的设计方案,并搭建基于以上新型趋近律的永磁同步电机滑模调速系统。(2)对于扰动对系统控制性能的负面作用进行深入探究,提出了一种扩展滑模扰动观测器,该观测器将扰动量当作状态输入,以达到控制作用。且此扰动观测器不仅能对外部负载干扰及内部参数扰动进行准确估计,同时还有一阶滤波作用可极大的减弱滑模抖振。而为了解决系统变量扰动、外部干扰等问题,给出了一种抗扰动复合控制方法,该方案将给出的扰动观测器与滑模调速器器相融合,将估算出来的扰动量当作滑模速度调节器的输入,以增强永磁同步电机速度控制系统的抗干扰水平。(3)研究了一种超螺旋控制算法,此算法采用串联高阶滑模确保控制输出的连续性,解决滑模控制中高频切换带来的抖振问题,超螺旋算法的重要特点是仅需要知道滑模量的信息,而不需要其一阶导数的信息,超螺旋算法可减弱相关维度为1的滑模结构产生的抖振,同时兼具了普通滑模的响应速度和容错性。(4)对于超螺旋控制算法,因其过度依赖边界函数的上界,而这在实际中很难获得。模糊控制由于不全是依靠于数学模型,而是依靠于模糊规则的结构特点,鲁棒性强,大大削弱了外界参数干扰和内部参数摄动,特别适应于非线性系统的控制,在此引入模糊规则对边界函数的上界对其进行估计。据此设计出了模糊超螺旋滑模观测器。(5)最后,重新建立永磁同步电机控制系统模型,在此模型中加入改进后的复合滑模速度控制器,扩展滑模扰动观测器及模糊超螺旋滑模观测器,在Matlab中搭建仿真模型,将改进后滑模变结构永磁同步电机控制系统各变量输出仿真结果与传统的滑模结构永磁同步电机控制系统的仿真结果对比,证明所提出的控制策略合理性与有效性。
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