[发明专利]一种基于GPI观测器的永磁同步电机分数阶滑模控制方法

说明书

本发明公开了一种GPI观测器与分数阶滑模控制相结合的永磁同步电机复合控制新方法，属于永磁同步电机控制领域。主要步骤：1、在滑模控制算法中引入分数阶微积分构成分数阶滑模控制器(FSMC)，将其应用到永磁同步电机调速控制系统上；2、再引入广义比例积分观测器(GPIO)，对永磁同步电机调速系统的扰动进行观测并前馈补偿，实现对电机调速控制。本发明的优点在于：其一、提出的分数阶滑模控制器利用分数阶微积分的特性，能有效削弱抖震并提高抗扰能力；其二、引入GPIO对系统集总扰动进行估计并进行前馈补偿，让系统有更好的抗扰性。

技术领域

本发明设计电机调速控制技术领域，主要涉及一种基于GPI观测器的永磁同步电机分数阶滑模控制方法。

背景技术

永磁同步电机具有可靠性高、机械强度高、结构简单且重量轻等优点，因而广泛应用于工业、航天、军事等领域，但同时也对电机控制性能提出了更高的要求。作为一个多变量、强耦合的非线性系统，永磁同步电机的控制性能很容易受到系统本身参数变化和外部扰动影响。为提高永磁同步电机性能，各国学者在永磁同步电机控制策略上进行了广泛研究。

针对上述问题，各种算法被提出用以永磁同步电机的控制系统中，如滑模变结构控制、模糊控制、自适应控制等，大大提高了永磁同步电机的性能。其中，滑模变结构控制因其良好的鲁棒性和控制性能，被广泛应用于带有扰动的非线性系统中。但是由于其具有的抖震现象的缺点，以及实际工程应用中存在的参数摄动、负载扰动的不确定性，大大影响了滑模在实际应用中的表现。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种基于GPI观测器的永磁同步电机分数阶滑模控制方法，该方法通过对永磁同步电机双闭环控制系统进行设计，在速度环引入分数阶滑模控制器，在其基础上结合GPI观测器对系统集总扰动进行观测并前馈补偿，可以有效增强系统的抗扰性能。

本发明采取的技术方案如下：一种基于GPI观测器的永磁同步电机分数阶滑模控制方法，包括以下步骤：

步骤1：根据i_d＝0控制策略下表贴式永磁同步电机的动态数学模型及其运动学方程，构造滑模面，选取适当的趋近律，给出分数阶滑模控制器的结构模型；

步骤2：采用分数阶切换流形，根据滑模控制逼近条件和滑模存在条件，设计控制器的增益限定范围；

步骤3：根据相角裕度准则、穿越频率准则、增益变化鲁棒性准则，对控制器参数k_p、k_d、α进行理想状态下的整定；

步骤4：利用三阶GPI观测器对扰动转矩进行估计，根据设计的控制律，将观测值作为前馈补偿送入闭环，构成新的双闭环控制系统。

进一步，步骤1中，根据i_d＝0控制策略下永磁同步电机数学模型以及运动学方程：

式中，R为定子电阻，T_L为负载转矩，J为转动惯量，ω为电机机械角速度，B为摩擦系数，L_S为定子电感，为电机的磁链，P_n为电机的极对数，U_q为电机在q轴上的电压分量，i_q为电机定子电流在q轴上的电流分量；

定义如下分数阶滑模面：

S＝k_pe(t)+k_d0D_t^-αe(t)

式中，k_p、k_d为滑模面增益，₀D_t^-α为分数阶微积分算子，0和t分别表示微积分的下限和上限，α表示分数阶微积分的阶次；e(t)＝ω_r-ω为速度误差，ω_r为期望转速；