[发明专利]一种无轴承同步磁阻电机二阶滑模控制方法

说明书

技术领域

本发明是一种无轴承同步磁阻电机二阶滑模控制方法，适用于无轴承同步磁阻电机的高性能非线性控制，属于电气传动控制技术领域。

背景技术

无轴承同步磁阻电机将磁轴承技术和传统同步磁阻电机相结合，具有磁轴承高速、高精度、无润滑、无摩擦、免维护等高性能驱动的特点。同时，由于转子无永磁体和励磁绕组，具有结构简单，成本低，损耗小，效率高，温升低等优点，在航空航天、高速驱动、超纯净医药化工、恶劣环境、高温等特殊场合有着广阔的应用前景。

无轴承同步磁阻电机是一个多变量、强耦合的非线性系统。电机在悬浮运行时，电磁转矩和径向悬浮力之间以及径向悬浮力自身在二自由度存在相互耦合，必须采用有效的控制策略实现无轴承同步磁阻电机的非线性解耦控制。

国内外众多学者对此进行了深入研究，一些先进的控制策略也被应用于无轴承同步磁阻电机系统中，如前馈补偿器控制、逆系统、神经网络逆控制、支持向量机控制等。然而，基于上述控制策略的系统设计复杂，难以在工程应用中得到推广。滑模控制作为一种非线性控制策略，对数学模型的精确度要求不高，对模型参数变化、负载扰动和未建模动态等不确定因素自适应强，具有较强的鲁棒性，物理实现简单。因此这种方法得到了很多学者的关注。

专利申请号201610722763.6，名称为：一种基于新型趋近律的无轴承异步电机滑模控制方法，对速度进行了滑模控制，针对的是无轴承异步电机。而本发明针对的是无轴承同步磁阻电机，利用传统滑模控制和二阶滑模控制相结合的方法，对转速和位移进行直接控制，有效地改善了无轴承同步磁阻电机的运行品质，增加了系统抗干扰性，减少抖振，控制策略简单，便于工程实现。

发明内容

本发明的目的是提出一种无轴承同步磁阻电机二阶滑模控制方法，解决无轴承同步磁阻电机控制系统在较大扰动下控制性能较差的问题，提高无轴承同步磁阻电机系统的响应速度，减小超调，增强鲁棒性，使整个控制系统具有良好的控制性能。本发明的技术方案如下：

(1)建立无轴承同步磁阻电机的状态方程，

(2)选取滑动变量，

(3)基于步骤(1)和步骤(2)，设计出滑模控制律u₁、u₂和u₃，分别为

式中，β₂₁＞0，β₂₂＞0，β₁＞0，β₂＞0 均为待选取的控制器增益，sign(·)为符号函数。

(4)利用加幂积分技术和有限时间Lyapunov稳定理论，证明控制律u₁、u₂和u₃在有限时间内使三个滑动变量都稳定到零。

(5)将控制律u₁用于转速控制，二阶滑模控制律u₂用于x轴径向位移控制，二阶滑模控制律u₃用于y轴径向位移控制。三个控制律相结合，组成滑模控制器，实现对无轴承同步磁阻电机的非线性控制。

本发明的优点在于：

(1)本发明设计了一种无轴承同步磁阻电机的二阶滑模控制方法。对具有5个状态变量的非线性、强耦合的3输入3输出的无轴承同步磁阻电机系统进行解耦控制比较困难，而根据二阶滑模控制理论对转速和位移进行独立控制，有效解决了无轴承同步磁阻电机内部的耦合问题，并能获得高性能的转速、径向位移控制以及稳定的悬浮和运转性能。

(2)采用此二阶滑模控制方法实现了无轴承同步磁阻电机的非线性直接控制，克服了逆系统、神经网络逆、支持向量机等控制算法的系统复杂和实现困难等缺陷。采用二阶滑模控制方法的无轴承同步磁阻电机控制系统结构较为简单，响应速度快，超调小，有效削弱了系统抖振，且实现方便，具有重要的实际应用价值。

附图说明

图1是无轴承同步磁阻电机二阶滑模控制器结构图。

图2是无轴承同步磁阻电机复合被控对象及其等效图。

图3是无轴承同步磁阻电机二阶滑模控制系统框图。

图4是以DSP为控制器的实现本发明的系统软件流程图，图4(a)是主程序流程图，图4(b) 是中断服务子程序流程图。

图5是无轴承同步磁阻电机二阶滑模控制设计流程图。