摘 要：本文研究永磁同步電機(jī)在控制過(guò)程中存在的擾動(dòng)、超調(diào)和轉(zhuǎn)矩輸出變化較大等問(wèn)題，分析了滑?？刂频奶攸c(diǎn)和性能，針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制設(shè)計(jì)了滑模速度控制器，提高了電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度，提出了電機(jī)控制電流前饋補(bǔ)償控制策略。在這個(gè)基礎(chǔ)上，本文結(jié)合電機(jī)轉(zhuǎn)速滑?？刂圃O(shè)計(jì)了擾動(dòng)觀測(cè)器，構(gòu)成了前饋-反饋控制系統(tǒng)，并采用內(nèi)膜控制算法進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，與其他的控制方法相比，這種改進(jìn)后的控制策略具有響應(yīng)速度快、抖振小和穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)化了系統(tǒng)的控制性能。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；滑?？刂疲磺梆佈a(bǔ)償；內(nèi)膜控制

中圖分類號(hào)：TM 341" " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

針對(duì)傳統(tǒng)PID在高精度伺服控制系統(tǒng)方面存在的問(wèn)題，有學(xué)者將滑模變結(jié)構(gòu)（Sliding Mode Control，SMC）應(yīng)用在永磁同步電機(jī)（Permanent Magnetic Synchronous Machine，PMSM）速度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，并取得了一定的成果。文獻(xiàn)[1]在飽和（Sat）函數(shù)的邊界層內(nèi)采用線性反饋，有效減輕了滑模變結(jié)構(gòu)切換引起的抖動(dòng)現(xiàn)象。文獻(xiàn)[2]通過(guò)整合位置環(huán)與速度環(huán)，成功解決了速度限幅問(wèn)題。文獻(xiàn)[3]為了提高汽車的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，采用了指數(shù)趨近律作為積分滑模面的趨近律，以控制滑模運(yùn)動(dòng)。本文將內(nèi)膜控制（Internal Model Control，IMC）以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償應(yīng)用在滑模變結(jié)構(gòu)控制中，得到一種改進(jìn)補(bǔ)償SMC-IMC的控制方法。本文引入改進(jìn)的新型趨近率，結(jié)合轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償與前饋控制，降低系統(tǒng)抖振，提高系統(tǒng)性能。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的補(bǔ)償SMC-IMC控制策略在響應(yīng)速度、振動(dòng)幅度和穩(wěn)態(tài)精度方面均表現(xiàn)出色，在系統(tǒng)控制方面取得了明顯效果。

1 PMSM模型的建立

2 控制器設(shè)計(jì)

2.1 滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

2.2 擾動(dòng)觀測(cè)器設(shè)計(jì)

3 電流環(huán)內(nèi)膜解耦控制

隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程也變得十分復(fù)雜。因此，人們對(duì)控制生產(chǎn)過(guò)程的系統(tǒng)的要求不斷提高。為了解決在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的不確定性、非線性等復(fù)雜問(wèn)題，學(xué)者提出了各種先進(jìn)控制算法，其中就包括內(nèi)模控制。

內(nèi)膜控制（Internal Model Control，IMC）[9]是一種先進(jìn)的控制策略，能夠處理具有不確定性和干擾的工業(yè)過(guò)程控制問(wèn)題。其在控制器內(nèi)部構(gòu)建一個(gè)被控過(guò)程的精確模型，利用該模型來(lái)預(yù)測(cè)和補(bǔ)償系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和外部干擾。內(nèi)膜控制算法將控制系統(tǒng)分解成若干個(gè)子系統(tǒng)，以便進(jìn)行控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并根據(jù)每個(gè)子模塊對(duì)系統(tǒng)控制的不同作用，采用相應(yīng)的控制結(jié)構(gòu)，獲得滿意的結(jié)果。內(nèi)?？刂频脑O(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，其能夠綜合考慮多種性能指標(biāo)，隨時(shí)根據(jù)參數(shù)調(diào)整系統(tǒng)的速度和魯棒性，因此控制性能更高。

4 試驗(yàn)和結(jié)果分析

4.1 仿真模型

為了對(duì)本文提出的改進(jìn)補(bǔ)償PMSM滑膜-內(nèi)膜控制系統(tǒng)的可行性與實(shí)用性進(jìn)行驗(yàn)證，筆者在Simulink中搭建PMSM的控制系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行仿真和分析。PMSM參數(shù)見表1，基于改進(jìn)補(bǔ)償?shù)腟MC-IMC永磁同步電機(jī)控制框如圖3所示。

4.2 仿真結(jié)果分析

設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，直流側(cè)電壓UDC為311 V，初始負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1 N·m，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行0.2 s時(shí)增加10 N·m負(fù)載轉(zhuǎn)矩，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行0.3 s時(shí)減少6 N·m負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

速度響應(yīng)曲線的局部放大如圖4所示，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)的速度響應(yīng)曲線如圖5所示。由圖4可知，本文提出的改進(jìn)補(bǔ)償SMC-IMC方法提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾能力，且使系統(tǒng)的超調(diào)量減少為0。

由圖5可知，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變的情況下，所有方法都需要約0.02 s跟蹤取得負(fù)載轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值，本文方法削弱抖振的效果更好。

負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)觀測(cè)的局部放大如圖6所示，負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)觀測(cè)如圖7所示。由圖6、圖7可知，SMC、SMC-IMC和基于負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)腟MC-IMC方法的三相電流對(duì)比情況。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行0.2 s時(shí)增加10 N·m負(fù)載轉(zhuǎn)矩，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行0.3 s時(shí)減少6 N·m負(fù)載轉(zhuǎn)矩，3種方法需要的三相電流幅值相似。與傳統(tǒng)PI、常規(guī)SMC以及改進(jìn)補(bǔ)償SMC方法相比，本文方法啟動(dòng)電流變小，電機(jī)穩(wěn)定性提高。

三相電流對(duì)比如圖8所示，綜合對(duì)比3種方法，本文方法在三相電流控制中性能最高。其不僅加快了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，還有效減少了電流波動(dòng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，本文方法是三相電流控制中更好的選擇。

5 結(jié)論

本文結(jié)合改進(jìn)補(bǔ)償?shù)幕？刂婆c內(nèi)膜控制，提升了PMSM控制系統(tǒng)的性能，并對(duì)控制策略進(jìn)行分析和仿真驗(yàn)證，得到以下3個(gè)成果。1）在傳統(tǒng)滑模控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，引用改進(jìn)的新型趨近率，有效降低了滑?？刂破鞯母哳l抖動(dòng)。2）設(shè)計(jì)了一種負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)觀測(cè)器，解決了系統(tǒng)的抖振問(wèn)題。3）引入了IMC內(nèi)膜控制，提高了該系統(tǒng)整體的魯棒性和動(dòng)態(tài)性，縮短了轉(zhuǎn)速進(jìn)行超調(diào)量和調(diào)節(jié)所需的時(shí)間。

參考文獻(xiàn)

[1]ZHANG DO，PANDA S K.Chattering-free and fast response"sliding mode controller[J].IEEE Pro-ControTheory，1999，146（2）：171-177.

[2]方斯琛，周波.滑?？刂频挠来磐诫姍C(jī)伺服系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（3）：96-101.

[3]鄧濤，李軍營(yíng)，羅俊林，等.基于空間矢量與滑模變結(jié)構(gòu)的PMSM電動(dòng)汽車動(dòng)力性仿真分析[J].機(jī)械傳動(dòng)，2017，41（1）：63-68.

[4]韓維敏，李世軍.基于滑模變結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)（PMSM）直接轉(zhuǎn)矩控制[J].電氣傳動(dòng)，2017，47（3）：8-11.

[5]袁雷，胡冰新，魏克銀，等.現(xiàn)代永磁同步電機(jī)控制原理及MATLAB仿真[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2016.

[6]高芮.基于負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)挠来磐诫姍C(jī)矢量控制研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)化工大學(xué)，2022.

[7]陸夢(mèng)羽，于挺，張旭秀，等.基于負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)挠来磐诫姍C(jī)滑模控制[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，39（5）：103-106.

[8]譚光興，蘇榮鍵，岑滿偉.基于擾動(dòng)觀測(cè)器的PMSM滑?？刂芠J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2022（4）：11-14，19.

[9]張旭峰.多軸伺服電機(jī)同步控制策略和控制方法的研究[D].鞍山：遼寧科技大學(xué)，2023.

通信作者：鄧鑫（1980—），男，漢族，遼寧瓦房店人，博士研究生，教授，研究方向?yàn)橐苯鹱詣?dòng)化。

電子郵箱：dengxin@ustl.edu.cn。