[发明专利]一种基于扰动观测器的永磁同步电机二阶滑模控制方法

说明书

本发明公开了一种基于新型扰动观测器的永磁同步电机二阶滑模控制方法，首先在d‑q轴坐标系下建立永磁同步电机的数学模型，再将其转换成系统的状态方程，接着用二阶滑模思想设计了转速环控制器；本发明提出的二阶滑模控制器是假设电机参数及外界扰动的总不确定性由电机状态变量组成的函数限定，而不是通常的常数限定；将不连续的控制作用在滑模的二阶导数上，使得实际控制信号为不连续反馈控制的积分，大大削弱了系统切换时的抖振；通过设计一个新型的一阶负载扰动观测器并将观测的负载转矩进行前馈补偿，最终得到的复合控制器具有更好的控制精度和鲁棒性。

技术领域

本发明涉及电机调速控制领域，特别涉及一种基于新型扰动观测器的永磁同步电机二阶滑模控制方法。

背景技术

永磁同步电机具有体积小、结构简单、效率高等优点，已成为伺服系统的主流之选，广泛应用于航空航天、数控机床、工业机器人等领域。永磁同步电机的速度控制器采用传统的PI控制，能满足一定范围内的控制要求，但永磁同步电机是一个非线性、多变量、强耦合的复杂系统，传统PI控制器性能易受系统参数变化、外部扰动等影响，会降低系统运行的可靠性。因此，通常采用滑模变结构的控制方法来满足更高的控制要求。

在实际应用中，开关器件的切换频率不能达到无限快，在滑模面切换过程中会产生抖振，如何消除抖振成为滑模控制理论在实际电机控制系统中的研究重点。因此，如何改善抖振现象及其所带来的问题，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提出了一种基于新型扰动观测器的永磁同步电机二阶滑模控制方法，以改善传统一阶滑模控制方法中存在抖振现象的情况。基于永磁同步电机在d-q轴坐标系下的数学模型，选择控制输出为速度偏差量，为转速环设计二阶滑模控制器。另设计一种新型的一阶负载扰动观测器，并进行前馈补偿，进一步提高系统的抗扰能力。包括以下步骤：

步骤一、建立永磁同步电机的数学模型；

步骤二、定义永磁同步电机的状态变量，建立系统的状态方程；

步骤三、选择控制输出为速度偏差量，为转速环设计二阶滑模控制器；

步骤四、为估计外界负载，设计一种新型的一阶负载扰动观测器，并将观测的负载转矩进行前馈补偿，以增强系统的抗扰能力。

进一步，步骤一中所述永磁同步电机模型为

其中，i_d、i_q分别为永磁同步电机定子绕组的d轴电流、q轴电流，u_d、u_q分别为d轴电压、q轴电压，R为定子电阻，T_L为负载转矩，J为电机转动惯量，ω为电机机械角速度，B为摩擦系数，L为电机定子电感，为电机的磁链，P为电机极对数。且为电机转矩常数。对整个系统采用i_d＝0的矢量控制。

进一步，所述步骤二中，取系统的状态变量为x₁＝ω-ω^*，式中ω^*为转子期望角速度。那么有

考虑方程的不确定性，将式(2)表示为

其中，Δa,Δb,Δc表示相应的不确定项，假设d(t)为系统总的不确定项，则有

且d(t)≥L,L为一个有界的正常数。

将式(3)、式(4)带入式(2)，得系统状态方程如下

进一步，所述步骤三中，考虑到控制目标是使转子角速度的实际值趋近其期望值，选择控制输出为速度偏差量s＝x₁，假设滑动变量相对阶为2，则滑动变量s满足