[发明专利]基于滑模变结构的无轴承异步电机抗负载扰动控制系统

说明书

本发明公开一种基于滑模变结构的无轴承异步电机抗负载扰动控制系统，转矩控制部分的速度和位置检测器与第三2/3坐标变换模块输出端均连接扩展滑模观测器的输入端，扩展滑模观测器输出端连接分数阶积分滑模控制器的输入端，分数阶积分滑模控制器输出端依次经气隙磁场定向控制模型、第二2/3坐标变换模块连接第二电流反馈型脉宽调制器；第二电流反馈型脉宽调制器的输出端分别连接电机和第三2/3坐标变换模块，第三2/3坐标变换模块的输出端经扩展滑模观测器连接分数阶积分滑模控制器；采用分数阶积分滑模代替整数阶积分环节，有效减小外界扰动对系统的干扰，使转速不受负载变化的扰动，提高了系统的动静态性能和抗负载扰动的能力。

技术领域

本发明是一种无轴承异步电机的控制系统，属于电气传动中的稳定控制领域。

背景技术

和其他传统电机相比，无轴承异步电机(BIM)具有无摩擦、无磨损、无需润滑、耐腐蚀、寿命长、能实现高速、超高速运行等特点，被广泛应用在定期维修困难的生命科学领域，易受酸、碱腐蚀的化工领域以及半导体工业等领域。又因其结构简单、气隙均匀、成本低等优点，使其在机械加工、中小型发电设备、人工心脏泵以及对精度要求较高的数控机床等特种电气驱动和传动领域中应用。但因BIM控制系统是一个多变量、非线性、强耦合的复杂系统，尤其当系统内部参数发生变化或受到外界扰动等因素影响时，对性能的精准控制有更高要求。

目前，模糊控制、神经网络控制和自适应控制等一些先进的控制方法已应用到电机控制系统中，但这些控制方法的系统设计偏于复杂，且对使用条件有较严格的要求。而滑模控制以其对模型精度要求不高，对参数摄动、外部扰动具有强鲁棒性、物理实现简单等优点被广泛应用到交流伺服系统控制中。传统的滑模控制器主要有比例切换滑模控制器和积分滑模控制器，比例切换滑模控制器可以减少扰动对系统的影响，但动态滑模面中需要引入状态量的微分，对于调速系统来说就需要对速度求微分，这一过程将引入高频噪声，这将影响控制器的性能。而积分滑模面中不含有速度的微分项，增强了控制器的稳定性，但传统的积分项是一阶整数积分，在大的初始误差或执行器饱和时，会产生积分饱和效应，导致控制性能的下降甚至系统的不稳定。滑模控制本身时一种开关控制，它利用不连续项来抑制外界扰动，而不连续项的最小幅值会随着外界扰动量的增加而增大，增加了系统抖振。

发明内容

本发明的目的是为解决传统的滑模控制存在的问题，提出一种基于滑模变结构的无轴承异步电机抗负载扰动控制系统，提高电机控制的动态稳定性和抗负载扰动的能力。

本发明所述的基于滑模变结构的无轴承异步电机抗负载扰动控制系统采用的技术方案是：由转矩控制部分和悬浮控制部分组成，转矩控制部分由分数阶积分滑模控制器、扩展滑模观测器、气隙磁场定向控制模型、速度和位置检测器、第二电流反馈型脉宽调制器以及两个2/3坐标变换模块组成，速度和位置检测器与第三2/3坐标变换模块的输出端均连接扩展滑模观测器的输入端，扩展滑模观测器的输出端连接分数阶积分滑模控制器的输入端，分数阶积分滑模控制器的输出端依次经气隙磁场定向控制模型、第二2/3坐标变换模块连接第二电流反馈型脉宽调制器；第二电流反馈型脉宽调制器的输出端分别连接无轴承异步电机和第三2/3坐标变换模块，第三2/3坐标变换模块的输出端经扩展滑模观测器连接分数阶积分滑模控制器；速度和位置检测器检测并输出无轴承异步电机的实际转速ω和转子位置θ，转子位置θ输入到扩展滑模观测器，实际转速ω与给定转速ω^*相比较得到转速误差e(t)输入至分数阶积分滑模控制器，分数阶积分滑模控制器输出的是给定电磁转矩气隙磁场定向控制模块的输入是给定电磁转矩和气隙磁链给定值输出是给定电流分量和第二2/3坐标变换模块输出的是转矩绕组三相给定电流和第三2/3坐标变换模块输出q轴分量电流i_q，扩展滑模观测器输出的是滤波后的负载转矩观测值