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        永磁同步電機位置伺服系統(tǒng)終端滑??刂?/h1>
        2022-09-21 08:48:20岳陸游湯少東張兵
        機床與液壓 2022年17期
        關(guān)鍵詞:伺服系統(tǒng)同步電機觀測器

        岳陸游,湯少東,張兵

        (江蘇大學機械工程學院,江蘇鎮(zhèn)江 212013)

        0 前言

        永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)由于體積小、結(jié)構(gòu)簡單、工作時效率高等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)臺、機器人、半導(dǎo)體裝備、工廠自動化、醫(yī)療設(shè)備以及軍工等高性能伺服系統(tǒng)。在永磁同步電機的控制方法中,通常使用的是經(jīng)典的PID控制,但由于永磁同步電機是強耦合、非線性系統(tǒng),具有多種干擾和參數(shù)變化,導(dǎo)致傳統(tǒng)的PID控制很難滿足現(xiàn)代工業(yè)不斷增長的控制性能需求。為減少這些因素帶來的影響,研究更好的控制方法和干擾補償策略顯得尤為重要。

        為提高永磁同步電機伺服系統(tǒng)的位置跟蹤性能,國內(nèi)外學者進行了很多工作,也提出了很多解決辦法。文獻[1]提出了一種自適應(yīng)滑??刂破?,用于永磁同步電機的位置跟蹤控制,自適應(yīng)控制被用來在線估計未知參數(shù)和切換增益的界限以提高控制性能。文獻[2]為了衰減在真實應(yīng)用中不需要的抖動可能對機械系統(tǒng)造成影響,采用飽和功能替換符號功能,有效地衰減抖動。文獻[3]采用模糊PI控制方法,對永磁同步電機位置伺服系統(tǒng)進行位置跟蹤,有效減少了超調(diào),同時也抑制了振蕩。文獻[4]針對參數(shù)變化,將自適應(yīng)與模糊反演控制算法相結(jié)合,保證了位置誤差在一個比較小的范圍內(nèi)波動。文獻[5]采用模塊化的神經(jīng)動態(tài)表面控制方法,改善了永磁同步電機位置跟蹤瞬態(tài)性能。文獻[6]提出了一種自組織模糊滑??刂破鳎岣吡擞来磐诫姍C位置伺服系統(tǒng)的性能和魯棒性。文獻[7]設(shè)計了一種具有快速滑動表面和連續(xù)達到律的滑??刂破?,提高了永磁同步電機的控制性能,實現(xiàn)了位置控制的快速響應(yīng)。

        本文作者針對永磁同步電機位置伺服系統(tǒng)中存在的外部負載干擾和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)攝動,設(shè)計一種基于干擾觀測器的終端滑??刂品椒?Terminal Sliding Mode Control,TSMC)。設(shè)計終端滑模干擾觀測器,對干擾進行估計,并將估計值引入滑??刂浦羞M行補償,提高系統(tǒng)的抗干擾能力。采用終端滑??刂品椒▽N恢眠M行跟蹤,保證系統(tǒng)在有限時間內(nèi)達到穩(wěn)定狀態(tài)并且收斂,提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和位置跟蹤精度。

        1 永磁同步電機的數(shù)學模型

        考慮到永磁同步電機是一個強耦合、復(fù)雜的非線性系統(tǒng),為簡化分析,作如下假設(shè):(1)不計渦流和磁帶損耗;(2)氣息磁場呈正弦分布;(3)忽略鐵心的飽和效應(yīng)。

        以表貼式永磁同步電機為例(==),在d-q坐標系下,可得如下數(shù)學模型:

        電壓方程為

        (1)

        其中:=+;=。

        電機機械運動方程為

        (2)

        =3/2[-(-)]

        (3)

        又因為==,則PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩可以重新寫成:

        =3/2=

        (4)

        式中:=3/2,=作為控制的輸入。

        考慮到非線性摩擦,給出如下非線性摩擦模型:

        (5)

        式中:為庫侖摩擦力矩;為最大靜摩擦力矩;為黏性摩擦力矩比例系數(shù);?為一個比較小的正數(shù)。

        然后,考慮到參數(shù)不確定性,模型[式(2)]可以寫為

        (6)

        (7)

        假設(shè)1:由參數(shù)不確定性和未知的外部負載引起集成的不確定擾動是有界的,即||<,是已知的。

        2 有限時間收斂的干擾觀測器設(shè)計

        引理1:假設(shè)存在滿足以下不等式的連續(xù)正定函數(shù)():

        (8)

        那么()收斂到平衡點的有限時間為

        (9)

        其中:、>0;0<<1;為關(guān)于的初始時間。

        為設(shè)計具有有限時間收斂的滑模干擾觀察器,引入以下輔助變量:

        =-

        (10)

        為保證有限時間收斂,定義滿足以下形式:

        (11)

        式中:和為正的奇數(shù),并且<;、、為正數(shù)。

        那么終端滑動模式干擾估計為

        (12)

        引理2:考慮公式(11)和公式(7),在假設(shè)1的前提下,如果||<,那么干擾觀測器能夠確保在有限時間內(nèi)收斂。

        證明:

        考慮以下Lyapunov函數(shù):

        =12

        (13)

        對式(13)求導(dǎo)可得:

        sign()-(+)-≤--||-(+)+

        ||||≤--(+)≤--()(+)(2)

        (14)

        根據(jù)引理1,輔助變量能夠在有限時間內(nèi)收斂到平衡點。另外,可得觀測誤差為

        (15)

        3 終端滑??刂破髟O(shè)計

        定義1:對于考慮任意高階的單輸入單輸出非線性系統(tǒng):

        (16)

        其中:=[…,]為系統(tǒng)可測量的狀態(tài);()和()為域內(nèi)的光滑函數(shù);∈為系統(tǒng)的輸入;為系統(tǒng)干擾。

        那么可以得到一種具有遞歸結(jié)構(gòu)的終端滑動模態(tài)為

        (17)

        式中:(=1,2,…,)為次終端滑模面;>0、>0;為正奇數(shù)(=1,2,…,-1)。

        考慮系統(tǒng)的位置控制,定義位置誤差為

        =-

        (18)

        則的二階導(dǎo)數(shù)為

        (19)

        為實現(xiàn)PMSM的有限時間位置跟蹤,滑動模式表面設(shè)計如下:

        (20)

        其中:==-。

        由式(20)可得的導(dǎo)數(shù)為

        (21)

        考慮式(7)(19),可得:

        那么,基于干擾觀測器的終端滑動模式跟蹤控制可設(shè)計為

        (22)

        其中:、>0。

        考慮到非線性系統(tǒng)[式(7)]和終端滑動模式干擾觀察器[式(10)—(12)],在終端滑動模式跟蹤控制[式(22)]下,閉環(huán)系統(tǒng)的所有信號都在有限時間內(nèi)收斂。

        證明:

        把式(22)代入式(21),可得:

        (23)

        又根據(jù)式(15)可得:

        (24)

        考慮Lyapunov函數(shù):

        (25)

        由式(14)(24)可得:

        (26)

        根據(jù)定理1,可以知道滑動模態(tài)變量是有限時間收斂的;從公式(20)可得是和的函數(shù);根據(jù)引理2,可以得到是有限時間收斂的,所以可以得到是有限時間收斂的,因此閉環(huán)系統(tǒng)的所有信號都會在有限時間收斂到平衡點。

        綜上所述,永磁同步電機終端滑模控制方案的框圖如圖1所示。

        圖1 永磁同步電機終端滑??刂瓶驁D

        4 仿真和討論

        基于MATLAB/Simulink平臺對該控制算法進行仿真驗證,仿真時所使用的永磁同步電機的部分參數(shù)如表1所示。

        表1 PMSM的參數(shù)

        干擾觀測器參數(shù):=2 500,=30,=01,=5,=9。摩擦參數(shù):=1 N·m;=0.8 N·m;?=2,=0.000 3 N·m·s/rad??刂破鲄?shù):=30,=60,=5,=7,=30,=50,=5,=7。為進行比較,證明終端滑動模式控制的有效性,PID控制、傳統(tǒng)的反演法控制(Traditional Backstepping Control,TBC)也被應(yīng)用于PMSM。

        (1)PID控制

        其中:=1 500,=0.5,=0.05。

        (2)傳統(tǒng)的反演法控制(TBC)

        其中:為的參考值;=60;=60。

        2種位置參考給定為

        2種不確定干擾給定為

        =2sin(2π)=3+sin(π)

        由圖2—圖5可知:在2種不同位置參考下,3種控制器都可以保證位置跟蹤。由圖3可知:當給定外部干擾為、位置參考為時,TBC穩(wěn)態(tài)時產(chǎn)生了1.4%的最大跟蹤誤差,PID更是達到了1.6%,而TSMC的跟蹤誤差幾乎為0。由圖5可知:當給定外部干擾為、位置參考為時,TBC穩(wěn)態(tài)時最大跟蹤誤差為1.5%,PID跟蹤效果最差,誤差達到2.3%,而TSMC穩(wěn)態(tài)時的跟蹤誤差幾乎為0。通過對比2種不同位置參考下3種控制器的跟蹤結(jié)果,可以得到TSMC無論是控制精度還是響應(yīng)速度都優(yōu)于TBC和PID,驗證了終端滑動模式控制的有效性。

        圖2 施加干擾dL1,位置參考為y1時,3種控制器的位置跟蹤曲線

        圖3 施加干擾dL1,位置參考為y1時,3種控制器的跟蹤誤差

        圖4 施加干擾dL2,位置參考為y2時,3種控制器的位置跟蹤

        圖5 施加干擾dL2,位置參考為y2時,3種控制器的跟蹤誤差

        5 結(jié)論

        本文作者基于PMSM位置控制回路的嚴格反饋非線性模型,提出終端滑??刂撇呗浴τ诓淮_定擾動,設(shè)計一種新的干擾觀測器對干擾進行估計并補償。結(jié)果表明:所提出的控制策略具有更快的響應(yīng)速度和更好的跟蹤性能。

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