辨識(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量擾動(dòng)觀測(cè)器的PMSM滑?？刂?/h1>
2020-10-09 10:47:26侯利民徐越何佩宇閻馨
電機(jī)與控制學(xué)報(bào) 2020年9期 關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)
侯利民 徐越 何佩宇 閻馨
摘 要：針對(duì)表面式永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)易受參數(shù)攝動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)等不確定因素的影響，提出了一種能夠在線辨識(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的擾動(dòng)觀測(cè)器永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)滑?？刂品椒?。首先利用離散模型參考自適應(yīng)方法對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行辨識(shí)，將辨識(shí)后的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量引入到設(shè)計(jì)出的擾動(dòng)觀測(cè)器中，利用擾動(dòng)觀測(cè)器對(duì)負(fù)載進(jìn)行有效觀測(cè)，并且對(duì)各自總和擾動(dòng)項(xiàng)進(jìn)行估計(jì)并補(bǔ)償。然后將估計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和負(fù)載轉(zhuǎn)矩用于滑模速度控制中，設(shè)計(jì)了基于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí)的擾動(dòng)觀測(cè)器的PMSM滑模速度環(huán)控制器，從而提升了系統(tǒng)魯棒性。最后，通過仿真和半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文控制策咯的有效性和可行性。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī);擾動(dòng)觀測(cè)器;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí);滑?？刂?模型參考自適應(yīng);魯棒性
DOI：10.15938/j.emc.2020.09.018
中圖分類號(hào)：TM 351
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號(hào)：1007-449X（2020）09-0165-08
Sliding mode control for PMSM based on disturbance observer with moment of inertia identification
HOU Li-min， XU Yue， HE Pei-yu， YAN Xin
（Faculty of Electrical and Control Engineering， Liaoning Technical University， Huludao 125105，China）
Abstract：
In view of permanent magnet synchronous motor （PMSM） speed regulation system being influenced by some uncertainties including parameter perturbation and load disturbance， a sliding mode control based on disturbance observer with moment of inertia identification was proposed. Firstly， the discrete model reference adaptive method was used to identify the moment of inertia， and the identified moment of inertia is introduced into the designed disturbance observer. The disturbance observer is used to effectively observe the load torque， and the sum of the disturbance terms is estimated and compensated. Then the estimated moment of inertia and load torque are applied to the sliding mode velocity control， and the PMSM sliding mode velocity loop controller based on the disturbance observer was designed to improve the robustness of the system. Finally， the sliding mode control based on disturbance observer is designed and the results of simulation and semi-physical simulation show effectiveness of the proposed method.
Keywords：permanent magnet synchronous motor（PMSM）; disturbance observer; rotational inertia; sliding mode control;model reference adaptive;robustness
0 引 言
永磁同步電機(jī)（permanent magnet synchronous motor，PMSM）具有高效率、體積小、損耗小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、較高的功率轉(zhuǎn)矩密度等優(yōu)點(diǎn)，在混合動(dòng)力汽車、數(shù)控機(jī)床、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。隨著對(duì)控制精確的要求越來越高，當(dāng)系統(tǒng)受到外界擾動(dòng)和參數(shù)變化時(shí)，永磁同步電機(jī)傳統(tǒng)的矢量PI控制方法已經(jīng)不能夠滿足更高的控制精度要求。
如今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出許多控制方法，滑?？刂?、無源控制、魯棒控制、模糊控制[1-3]等算法廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制領(lǐng)域中。實(shí)際電機(jī)運(yùn)行過程中負(fù)載突變、摩擦力、噪聲等外部干擾往往是不可避免的，這些擾動(dòng)會(huì)造成電機(jī)運(yùn)行的波動(dòng)，影響電機(jī)性能。文獻(xiàn)[4]提出了一種新型擾動(dòng)觀測(cè)器，利用該觀測(cè)器可以快速平穩(wěn)補(bǔ)償系統(tǒng)擾動(dòng)量。文獻(xiàn)[5]針對(duì)永磁直線同步電機(jī)伺服系統(tǒng)存在的周期性擾動(dòng)問題，提出了一種具有周期學(xué)習(xí)能力的新型擾動(dòng)觀測(cè)器來減弱這些擾動(dòng)。文獻(xiàn)[6]通過分?jǐn)?shù)階的復(fù)合積分滑模控制系統(tǒng)改善了負(fù)載擾動(dòng)對(duì)電機(jī)性能的影響。但上述這些方法都把電機(jī)參數(shù)默認(rèn)為固定量來設(shè)計(jì)的擾動(dòng)觀測(cè)器，而沒有考慮到電機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)變化情況。文獻(xiàn)[7]為了保證在不同工況下電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，利用改進(jìn)的遞推最小二乘法進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)以提高電機(jī)性能。但這些方法計(jì)算量大，只是單純地進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，而沒有將辨識(shí)的參數(shù)實(shí)時(shí)引入到控制器設(shè)計(jì)中。文獻(xiàn)[8]針對(duì)直線電機(jī)的跟蹤控制，提出了一種實(shí)用的自適應(yīng)分段階終端滑?？刂撇呗裕摲椒ň哂蠪O積分滑模面和自適應(yīng)切換輸入，即使運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)存在系統(tǒng)不確定性，也能夠獲得較高的收斂精確度。文獻(xiàn)[9]提出了一種新的離散時(shí)間分?jǐn)?shù)階滑?？刂品桨?，保證了線性電機(jī)控制系統(tǒng)的期望跟蹤性能。
本文針對(duì)PMSM在運(yùn)行過程中存在的參數(shù)攝動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)的影響，提出了一種能夠在線辨識(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的擾動(dòng)觀測(cè)器（JDOB）的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)滑?？刂品椒?。通過JDOB能對(duì)外部擾動(dòng)進(jìn)行精確估計(jì)，并將估計(jì)出的擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)交？刂浦?，提高了系統(tǒng)的抗外部擾動(dòng)的性能。實(shí)驗(yàn)采用半實(shí)物仿真平臺(tái)和仿真的形式來進(jìn)行驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)表明該控制方法能夠有效地提高系統(tǒng)的魯棒性。
1 PMSM的數(shù)學(xué)模型
PMSM狀態(tài)方程如下：
2 基于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在線辨識(shí)的擾動(dòng)觀測(cè)器設(shè)計(jì)
2.1 擾動(dòng)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)
電機(jī)運(yùn)行過程中易受到外部擾動(dòng)的影響，而造成電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)。因此可以對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，進(jìn)而利用觀測(cè)值對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償可減小外部擾動(dòng)對(duì)電機(jī)的影響。
本文利用系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩作為輸入量，構(gòu)成了擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器。
將式（4）改寫為
則可得狀態(tài)方程
根據(jù)上式可以建立其觀測(cè)方程和誤差關(guān)系式為：
由上式可得其可控判別rankBAB=2為滿秩矩陣，令m2=KM，使得被控式（11）實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)穩(wěn)定，則由式（9）、式（10）得控制量為
其中k1，k2為待優(yōu)化的參數(shù)。同時(shí)在控制系統(tǒng)的一個(gè)采樣周期內(nèi)，d值視為不變，即有d·=0，所以由式（12）和式（7）則可以得到
由式（11）的閉環(huán)系統(tǒng)矩陣A-BK，可得系統(tǒng)的特征方程式及特征根關(guān)系式為
根據(jù)欠阻尼情況下二階系統(tǒng)閉環(huán)特征根s1，2=-ζωn±jωn1-ζ2以及對(duì)阻尼比ζ和自然頻率ωm的配置來實(shí)現(xiàn)參數(shù)k1，k2的優(yōu)化，從而可得到IMC觀測(cè)器的控制規(guī)律。
2.2 基于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在線辨識(shí)的擾動(dòng)觀測(cè)器
上述擾動(dòng)觀測(cè)器設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J被默認(rèn)為一個(gè)固定值，然而在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量隨著時(shí)間是會(huì)發(fā)生變化的。若能在線辨識(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并能實(shí)時(shí)更新到擾動(dòng)觀測(cè)器中，就能夠使系統(tǒng)具有良好的魯棒性。
本文采用模型參考自適應(yīng)（MRAS）辨識(shí)的方法在線辨識(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。該方法主要通過設(shè)計(jì)自適應(yīng)律調(diào)節(jié)可調(diào)模型，使可調(diào)模型無限接近參考模型達(dá)到辨識(shí)的目的。
將式（4）離散和簡(jiǎn)化可得
式中T為系統(tǒng)的采樣周期。
一般認(rèn)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩在很短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生變化，則有
其中b=T/J;ΔTe（k-1）為電磁轉(zhuǎn)矩的差值。
將式（17）作為參考模型，則可得出可調(diào)模型的方程：
式中：ωg為估計(jì)得速度信號(hào); ωm為速度信號(hào)。
由MRAS辨識(shí)方法，則可得：
式中：β為自適應(yīng)增益系數(shù); Δωm（k）為速度信號(hào)與估計(jì)得速度信號(hào)的差值。
根據(jù)上述的公式和推導(dǎo)過程，可以得到J辨識(shí)的原理圖如圖1所示。
3 PMSM滑模速度控制
取PMSM控制系統(tǒng)的狀態(tài)變量：
式中ω*m為給定的電機(jī)參考機(jī)械角速度。
結(jié)合J的辨識(shí)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的估計(jì)可以得到系統(tǒng)的狀態(tài)方程為
式中：c可選定為一個(gè)正常數(shù);x0為x1的初始狀態(tài);Q0為積分初始值。
為了有效抑制抖振，增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，本文設(shè)計(jì)了指數(shù)趨近律和飽和函數(shù)相結(jié)合的方法。
式中：ε，λ均為正常數(shù);Δ為邊界厚度。通過調(diào)整ε，λ可以加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)，減弱抖振。
聯(lián)立式（22），式（23），式（24）得到滑?？刂破鞯谋磉_(dá)式為
iq=2J^3ρψfcx1+BJω+T^LJ+εsat（s）+λs。（25）
為了驗(yàn)證穩(wěn)定性。Lyapunov函數(shù)選為
V=12s2，s≠0。（26）
由式（24）、式（26）可以得到
因此可以得到ss·<0，即設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的。
4 仿真與實(shí)驗(yàn)研究
為了驗(yàn)證本文所提方法的可行性，通過搭建的仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)本文方法進(jìn)行行驗(yàn)證。
4.1 仿真研究
1）加減載仿真
當(dāng)初始給定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，0.5 s時(shí)加65 N·m，1 s時(shí)變?yōu)? N·m。轉(zhuǎn)速的加減載仿真曲線如圖3所示。
由圖3可以看出，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，圖3中PI的速度曲線波動(dòng)較大，而本文設(shè)計(jì)方法曲線波動(dòng)較小，且很快恢復(fù)到給定轉(zhuǎn)速值。
2）升降速仿真
升降速仿真曲線如圖4所示初始參考轉(zhuǎn)速值為50 r/min，0.3 s時(shí)刻參考值變?yōu)?00 r/min，0.7 s時(shí)刻又回到50 r/min。
從圖4可以看出PI在升降速瞬間波動(dòng)較大，而本文設(shè)計(jì)的速度曲線相對(duì)平滑，體現(xiàn)了本文控制策略的優(yōu)良動(dòng)態(tài)品質(zhì)。
3）正反轉(zhuǎn)仿真
正反轉(zhuǎn)仿真曲線如圖5所示;初始參考轉(zhuǎn)速值為50 r/min，0.5 s時(shí)刻參考值變?yōu)?50 r/min。
通過正反轉(zhuǎn)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比，采用本文設(shè)計(jì)方法在發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，能夠使系統(tǒng)及時(shí)跟蹤給定轉(zhuǎn)速，體現(xiàn)了本文設(shè)計(jì)的控制方法具有較好的抗擾動(dòng)能力。
4）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí)仿真
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的辨識(shí)波形如圖6所示，給定初始值為0.14 kg·m2，經(jīng)過0.4 s后波形開始穩(wěn)定，穩(wěn)定在0.14附近。
5）負(fù)載擾動(dòng)觀測(cè)器的仿真
負(fù)載觀測(cè)器圖如圖7所示，開始給定0，經(jīng)過05 s后突加負(fù)載到65 N·m，經(jīng)過0.5 s后突卸負(fù)載到0。
圖7為負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的觀測(cè)曲線圖，對(duì)比實(shí)際值和觀測(cè)值，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的觀測(cè)器的有效性，能夠穩(wěn)定且誤差較小的跟蹤實(shí)際負(fù)載擾動(dòng)，有效的提升了系統(tǒng)的抗擾能力。
4.2 半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)研究
電機(jī)調(diào)速與加載綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖如圖5所示。
1）加減載實(shí)驗(yàn)
如圖9所示為電機(jī)運(yùn)行時(shí)，PI控制和本文控制的速度變化曲線，給定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，實(shí)驗(yàn)在60 s后對(duì)電機(jī)加65 N·m，經(jīng)過40 s后再將負(fù)載65 N·m卸載。
從圖9中可以看出使用傳統(tǒng)的PI控制方法后會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生較大波動(dòng)且波動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)采用本文的控制方法后，電機(jī)沒有轉(zhuǎn)速超調(diào)，經(jīng)過較快時(shí)間趨于穩(wěn)定。在相同的外部擾動(dòng)的情況下，傳統(tǒng)的PI控制方法產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)速跌落，恢復(fù)到穩(wěn)定1 500 r/min時(shí)間較長(zhǎng)。而本文采用的方法，轉(zhuǎn)速波動(dòng)比較小，恢復(fù)到穩(wěn)定1 500 r/min時(shí)間較短，對(duì)負(fù)載擾動(dòng)具有較好的魯棒性。
2）升降速實(shí)驗(yàn)
如圖10所示為PI控制與本文方法在轉(zhuǎn)速升降時(shí)的響應(yīng)曲線。實(shí)驗(yàn)中在經(jīng)過20 s后，突然將轉(zhuǎn)速升至100 r/min，并持續(xù)20 s后再將轉(zhuǎn)速下調(diào)至50 r/min。
從圖10中可以看出，PI方法在轉(zhuǎn)速突變后的調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)明顯超調(diào)且穩(wěn)定至給定轉(zhuǎn)速消耗時(shí)間較長(zhǎng)，而本文方法能夠快速地穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速且整個(gè)過程無超調(diào)，優(yōu)于PI控制。
3）正反轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)
如圖11所示，初始參考轉(zhuǎn)速值為50 r/min，0.5 s時(shí)刻參考值變?yōu)?50 r/min。
如圖11所示，在電機(jī)正反轉(zhuǎn)的時(shí)候，傳統(tǒng)PI有超調(diào)，而且恢復(fù)時(shí)間比較慢，而本文設(shè)計(jì)方法沒有超調(diào)，能夠快速跟蹤上給定的轉(zhuǎn)速，相比于PI控制大大縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間。
4）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí)實(shí)驗(yàn)
如圖12所示，設(shè)定初始值為0.14 kg·m2。
從圖12所示，實(shí)驗(yàn)中本文所提出的辨識(shí)算法能夠較好的實(shí)時(shí)辨識(shí)出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
5）負(fù)載擾動(dòng)觀測(cè)器實(shí)驗(yàn)
如圖13所示，初始轉(zhuǎn)矩開始給定0 N·m，經(jīng)過60 s后突加負(fù)載到65 N·m，經(jīng)過40 s后突卸負(fù)載到65 N·m。
如圖13所示，在電機(jī)加減載時(shí)觀測(cè)器的觀測(cè)結(jié)果都能迅速準(zhǔn)確跟蹤實(shí)際擾動(dòng)變化。
5 結(jié) 論
本文在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種將參數(shù)辨識(shí)與擾動(dòng)觀測(cè)器和滑模速度控制相結(jié)合的控制方法。利用設(shè)計(jì)的擾動(dòng)觀測(cè)器（JDOB）對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，將觀測(cè)出的擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)交？刂浦?。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文方法比傳統(tǒng)的PI控制具有更好的抑制負(fù)載擾動(dòng)性能，而且本文方法提高了系統(tǒng)的魯棒性。
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（編輯：劉素菊）
收稿日期： 2018-11-21
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61601212）;遼寧省自然科學(xué)基金計(jì)劃項(xiàng)目（201602350）;遼寧省教育廳一般項(xiàng)目（LJ2019JL011）
作者簡(jiǎn)介：侯利民（1976—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)、電機(jī)控制;
徐 越（1993—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制;
何佩宇（1996—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制;
閻 馨（1978—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程。
通信作者：徐 越
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侯利民 徐越 何佩宇 閻馨
摘 要：針對(duì)表面式永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)易受參數(shù)攝動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)等不確定因素的影響，提出了一種能夠在線辨識(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的擾動(dòng)觀測(cè)器永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)滑?？刂品椒?。首先利用離散模型參考自適應(yīng)方法對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行辨識(shí)，將辨識(shí)后的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量引入到設(shè)計(jì)出的擾動(dòng)觀測(cè)器中，利用擾動(dòng)觀測(cè)器對(duì)負(fù)載進(jìn)行有效觀測(cè)，并且對(duì)各自總和擾動(dòng)項(xiàng)進(jìn)行估計(jì)并補(bǔ)償。然后將估計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和負(fù)載轉(zhuǎn)矩用于滑模速度控制中，設(shè)計(jì)了基于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí)的擾動(dòng)觀測(cè)器的PMSM滑模速度環(huán)控制器，從而提升了系統(tǒng)魯棒性。最后，通過仿真和半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文控制策咯的有效性和可行性。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī);擾動(dòng)觀測(cè)器;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí);滑?？刂?模型參考自適應(yīng);魯棒性
DOI：10.15938/j.emc.2020.09.018
中圖分類號(hào)：TM 351
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號(hào)：1007-449X（2020）09-0165-08
Sliding mode control for PMSM based on disturbance observer with moment of inertia identification
HOU Li-min， XU Yue， HE Pei-yu， YAN Xin
（Faculty of Electrical and Control Engineering， Liaoning Technical University， Huludao 125105，China）
Abstract：
In view of permanent magnet synchronous motor （PMSM） speed regulation system being influenced by some uncertainties including parameter perturbation and load disturbance， a sliding mode control based on disturbance observer with moment of inertia identification was proposed. Firstly， the discrete model reference adaptive method was used to identify the moment of inertia， and the identified moment of inertia is introduced into the designed disturbance observer. The disturbance observer is used to effectively observe the load torque， and the sum of the disturbance terms is estimated and compensated. Then the estimated moment of inertia and load torque are applied to the sliding mode velocity control， and the PMSM sliding mode velocity loop controller based on the disturbance observer was designed to improve the robustness of the system. Finally， the sliding mode control based on disturbance observer is designed and the results of simulation and semi-physical simulation show effectiveness of the proposed method.
Keywords：permanent magnet synchronous motor（PMSM）; disturbance observer; rotational inertia; sliding mode control;model reference adaptive;robustness
0 引 言
永磁同步電機(jī)（permanent magnet synchronous motor，PMSM）具有高效率、體積小、損耗小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、較高的功率轉(zhuǎn)矩密度等優(yōu)點(diǎn)，在混合動(dòng)力汽車、數(shù)控機(jī)床、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。隨著對(duì)控制精確的要求越來越高，當(dāng)系統(tǒng)受到外界擾動(dòng)和參數(shù)變化時(shí)，永磁同步電機(jī)傳統(tǒng)的矢量PI控制方法已經(jīng)不能夠滿足更高的控制精度要求。
如今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出許多控制方法，滑?？刂?、無源控制、魯棒控制、模糊控制[1-3]等算法廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制領(lǐng)域中。實(shí)際電機(jī)運(yùn)行過程中負(fù)載突變、摩擦力、噪聲等外部干擾往往是不可避免的，這些擾動(dòng)會(huì)造成電機(jī)運(yùn)行的波動(dòng)，影響電機(jī)性能。文獻(xiàn)[4]提出了一種新型擾動(dòng)觀測(cè)器，利用該觀測(cè)器可以快速平穩(wěn)補(bǔ)償系統(tǒng)擾動(dòng)量。文獻(xiàn)[5]針對(duì)永磁直線同步電機(jī)伺服系統(tǒng)存在的周期性擾動(dòng)問題，提出了一種具有周期學(xué)習(xí)能力的新型擾動(dòng)觀測(cè)器來減弱這些擾動(dòng)。文獻(xiàn)[6]通過分?jǐn)?shù)階的復(fù)合積分滑模控制系統(tǒng)改善了負(fù)載擾動(dòng)對(duì)電機(jī)性能的影響。但上述這些方法都把電機(jī)參數(shù)默認(rèn)為固定量來設(shè)計(jì)的擾動(dòng)觀測(cè)器，而沒有考慮到電機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)變化情況。文獻(xiàn)[7]為了保證在不同工況下電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，利用改進(jìn)的遞推最小二乘法進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)以提高電機(jī)性能。但這些方法計(jì)算量大，只是單純地進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，而沒有將辨識(shí)的參數(shù)實(shí)時(shí)引入到控制器設(shè)計(jì)中。文獻(xiàn)[8]針對(duì)直線電機(jī)的跟蹤控制，提出了一種實(shí)用的自適應(yīng)分段階終端滑?？刂撇呗裕摲椒ň哂蠪O積分滑模面和自適應(yīng)切換輸入，即使運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)存在系統(tǒng)不確定性，也能夠獲得較高的收斂精確度。文獻(xiàn)[9]提出了一種新的離散時(shí)間分?jǐn)?shù)階滑?？刂品桨?，保證了線性電機(jī)控制系統(tǒng)的期望跟蹤性能。
本文針對(duì)PMSM在運(yùn)行過程中存在的參數(shù)攝動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)的影響，提出了一種能夠在線辨識(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的擾動(dòng)觀測(cè)器（JDOB）的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)滑?？刂品椒?。通過JDOB能對(duì)外部擾動(dòng)進(jìn)行精確估計(jì)，并將估計(jì)出的擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)交？刂浦?，提高了系統(tǒng)的抗外部擾動(dòng)的性能。實(shí)驗(yàn)采用半實(shí)物仿真平臺(tái)和仿真的形式來進(jìn)行驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)表明該控制方法能夠有效地提高系統(tǒng)的魯棒性。
1 PMSM的數(shù)學(xué)模型
PMSM狀態(tài)方程如下：
2 基于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在線辨識(shí)的擾動(dòng)觀測(cè)器設(shè)計(jì)
2.1 擾動(dòng)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)
電機(jī)運(yùn)行過程中易受到外部擾動(dòng)的影響，而造成電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)。因此可以對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，進(jìn)而利用觀測(cè)值對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償可減小外部擾動(dòng)對(duì)電機(jī)的影響。
本文利用系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩作為輸入量，構(gòu)成了擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器。
將式（4）改寫為
則可得狀態(tài)方程
根據(jù)上式可以建立其觀測(cè)方程和誤差關(guān)系式為：
由上式可得其可控判別rankBAB=2為滿秩矩陣，令m2=KM，使得被控式（11）實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)穩(wěn)定，則由式（9）、式（10）得控制量為
其中k1，k2為待優(yōu)化的參數(shù)。同時(shí)在控制系統(tǒng)的一個(gè)采樣周期內(nèi)，d值視為不變，即有d·=0，所以由式（12）和式（7）則可以得到
由式（11）的閉環(huán)系統(tǒng)矩陣A-BK，可得系統(tǒng)的特征方程式及特征根關(guān)系式為
根據(jù)欠阻尼情況下二階系統(tǒng)閉環(huán)特征根s1，2=-ζωn±jωn1-ζ2以及對(duì)阻尼比ζ和自然頻率ωm的配置來實(shí)現(xiàn)參數(shù)k1，k2的優(yōu)化，從而可得到IMC觀測(cè)器的控制規(guī)律。
2.2 基于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在線辨識(shí)的擾動(dòng)觀測(cè)器
上述擾動(dòng)觀測(cè)器設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J被默認(rèn)為一個(gè)固定值，然而在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量隨著時(shí)間是會(huì)發(fā)生變化的。若能在線辨識(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并能實(shí)時(shí)更新到擾動(dòng)觀測(cè)器中，就能夠使系統(tǒng)具有良好的魯棒性。
本文采用模型參考自適應(yīng)（MRAS）辨識(shí)的方法在線辨識(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。該方法主要通過設(shè)計(jì)自適應(yīng)律調(diào)節(jié)可調(diào)模型，使可調(diào)模型無限接近參考模型達(dá)到辨識(shí)的目的。
將式（4）離散和簡(jiǎn)化可得
式中T為系統(tǒng)的采樣周期。
一般認(rèn)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩在很短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生變化，則有
其中b=T/J;ΔTe（k-1）為電磁轉(zhuǎn)矩的差值。
將式（17）作為參考模型，則可得出可調(diào)模型的方程：
式中：ωg為估計(jì)得速度信號(hào); ωm為速度信號(hào)。
由MRAS辨識(shí)方法，則可得：
式中：β為自適應(yīng)增益系數(shù); Δωm（k）為速度信號(hào)與估計(jì)得速度信號(hào)的差值。
根據(jù)上述的公式和推導(dǎo)過程，可以得到J辨識(shí)的原理圖如圖1所示。
3 PMSM滑模速度控制
取PMSM控制系統(tǒng)的狀態(tài)變量：
式中ω*m為給定的電機(jī)參考機(jī)械角速度。
結(jié)合J的辨識(shí)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的估計(jì)可以得到系統(tǒng)的狀態(tài)方程為
式中：c可選定為一個(gè)正常數(shù);x0為x1的初始狀態(tài);Q0為積分初始值。
為了有效抑制抖振，增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，本文設(shè)計(jì)了指數(shù)趨近律和飽和函數(shù)相結(jié)合的方法。
式中：ε，λ均為正常數(shù);Δ為邊界厚度。通過調(diào)整ε，λ可以加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)，減弱抖振。
聯(lián)立式（22），式（23），式（24）得到滑?？刂破鞯谋磉_(dá)式為
iq=2J^3ρψfcx1+BJω+T^LJ+εsat（s）+λs。（25）
為了驗(yàn)證穩(wěn)定性。Lyapunov函數(shù)選為
V=12s2，s≠0。（26）
由式（24）、式（26）可以得到
因此可以得到ss·<0，即設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的。
4 仿真與實(shí)驗(yàn)研究
為了驗(yàn)證本文所提方法的可行性，通過搭建的仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)本文方法進(jìn)行行驗(yàn)證。
4.1 仿真研究
1）加減載仿真
當(dāng)初始給定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，0.5 s時(shí)加65 N·m，1 s時(shí)變?yōu)? N·m。轉(zhuǎn)速的加減載仿真曲線如圖3所示。
由圖3可以看出，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，圖3中PI的速度曲線波動(dòng)較大，而本文設(shè)計(jì)方法曲線波動(dòng)較小，且很快恢復(fù)到給定轉(zhuǎn)速值。
2）升降速仿真
升降速仿真曲線如圖4所示初始參考轉(zhuǎn)速值為50 r/min，0.3 s時(shí)刻參考值變?yōu)?00 r/min，0.7 s時(shí)刻又回到50 r/min。
從圖4可以看出PI在升降速瞬間波動(dòng)較大，而本文設(shè)計(jì)的速度曲線相對(duì)平滑，體現(xiàn)了本文控制策略的優(yōu)良動(dòng)態(tài)品質(zhì)。
3）正反轉(zhuǎn)仿真
正反轉(zhuǎn)仿真曲線如圖5所示;初始參考轉(zhuǎn)速值為50 r/min，0.5 s時(shí)刻參考值變?yōu)?50 r/min。
通過正反轉(zhuǎn)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比，采用本文設(shè)計(jì)方法在發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，能夠使系統(tǒng)及時(shí)跟蹤給定轉(zhuǎn)速，體現(xiàn)了本文設(shè)計(jì)的控制方法具有較好的抗擾動(dòng)能力。
4）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí)仿真
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的辨識(shí)波形如圖6所示，給定初始值為0.14 kg·m2，經(jīng)過0.4 s后波形開始穩(wěn)定，穩(wěn)定在0.14附近。
5）負(fù)載擾動(dòng)觀測(cè)器的仿真
負(fù)載觀測(cè)器圖如圖7所示，開始給定0，經(jīng)過05 s后突加負(fù)載到65 N·m，經(jīng)過0.5 s后突卸負(fù)載到0。
圖7為負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的觀測(cè)曲線圖，對(duì)比實(shí)際值和觀測(cè)值，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的觀測(cè)器的有效性，能夠穩(wěn)定且誤差較小的跟蹤實(shí)際負(fù)載擾動(dòng)，有效的提升了系統(tǒng)的抗擾能力。
4.2 半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)研究
電機(jī)調(diào)速與加載綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖如圖5所示。
1）加減載實(shí)驗(yàn)
如圖9所示為電機(jī)運(yùn)行時(shí)，PI控制和本文控制的速度變化曲線，給定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，實(shí)驗(yàn)在60 s后對(duì)電機(jī)加65 N·m，經(jīng)過40 s后再將負(fù)載65 N·m卸載。
從圖9中可以看出使用傳統(tǒng)的PI控制方法后會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生較大波動(dòng)且波動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)采用本文的控制方法后，電機(jī)沒有轉(zhuǎn)速超調(diào)，經(jīng)過較快時(shí)間趨于穩(wěn)定。在相同的外部擾動(dòng)的情況下，傳統(tǒng)的PI控制方法產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)速跌落，恢復(fù)到穩(wěn)定1 500 r/min時(shí)間較長(zhǎng)。而本文采用的方法，轉(zhuǎn)速波動(dòng)比較小，恢復(fù)到穩(wěn)定1 500 r/min時(shí)間較短，對(duì)負(fù)載擾動(dòng)具有較好的魯棒性。
2）升降速實(shí)驗(yàn)
如圖10所示為PI控制與本文方法在轉(zhuǎn)速升降時(shí)的響應(yīng)曲線。實(shí)驗(yàn)中在經(jīng)過20 s后，突然將轉(zhuǎn)速升至100 r/min，并持續(xù)20 s后再將轉(zhuǎn)速下調(diào)至50 r/min。
從圖10中可以看出，PI方法在轉(zhuǎn)速突變后的調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)明顯超調(diào)且穩(wěn)定至給定轉(zhuǎn)速消耗時(shí)間較長(zhǎng)，而本文方法能夠快速地穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速且整個(gè)過程無超調(diào)，優(yōu)于PI控制。
3）正反轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)
如圖11所示，初始參考轉(zhuǎn)速值為50 r/min，0.5 s時(shí)刻參考值變?yōu)?50 r/min。
如圖11所示，在電機(jī)正反轉(zhuǎn)的時(shí)候，傳統(tǒng)PI有超調(diào)，而且恢復(fù)時(shí)間比較慢，而本文設(shè)計(jì)方法沒有超調(diào)，能夠快速跟蹤上給定的轉(zhuǎn)速，相比于PI控制大大縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間。
4）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí)實(shí)驗(yàn)
如圖12所示，設(shè)定初始值為0.14 kg·m2。
從圖12所示，實(shí)驗(yàn)中本文所提出的辨識(shí)算法能夠較好的實(shí)時(shí)辨識(shí)出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
5）負(fù)載擾動(dòng)觀測(cè)器實(shí)驗(yàn)
如圖13所示，初始轉(zhuǎn)矩開始給定0 N·m，經(jīng)過60 s后突加負(fù)載到65 N·m，經(jīng)過40 s后突卸負(fù)載到65 N·m。
如圖13所示，在電機(jī)加減載時(shí)觀測(cè)器的觀測(cè)結(jié)果都能迅速準(zhǔn)確跟蹤實(shí)際擾動(dòng)變化。
5 結(jié) 論
本文在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種將參數(shù)辨識(shí)與擾動(dòng)觀測(cè)器和滑模速度控制相結(jié)合的控制方法。利用設(shè)計(jì)的擾動(dòng)觀測(cè)器（JDOB）對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，將觀測(cè)出的擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)交？刂浦?。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文方法比傳統(tǒng)的PI控制具有更好的抑制負(fù)載擾動(dòng)性能，而且本文方法提高了系統(tǒng)的魯棒性。
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（編輯：劉素菊）
收稿日期： 2018-11-21
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61601212）;遼寧省自然科學(xué)基金計(jì)劃項(xiàng)目（201602350）;遼寧省教育廳一般項(xiàng)目（LJ2019JL011）
作者簡(jiǎn)介：侯利民（1976—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)、電機(jī)控制;
徐 越（1993—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制;
何佩宇（1996—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制;
閻 馨（1978—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程。
通信作者：徐 越
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