[发明专利]基于快速积分终端滑模及干扰估计的永磁同步电机有限时间调速控制方法

说明书

一种基于快速积分终端滑模及干扰估计的永磁同步电机有限时间调速控制方法，首先，确定受系统参数不确定性以及未知负载转矩影响下的永磁同步电机速度环数学模型。其次，基于终端滑模控制的思想设计改进型快速积分终端滑模面。然后，针对永磁同步电机系统中存在的干扰，提出基于自适应模糊系统的干扰估计方法；在此基础上设计永磁同步电机速度控制器。最后，完成整个技术方案的具体实现。本发明通过设计快速积分终端滑模面及滑模控制律，保证电机速度跟踪误差在有限时间内收敛到零，提高永磁同步电机调速系统的快速性，同时使用自适应模糊算法对系统内、外干扰进行在线估计并实时补偿，增强调速系统的鲁棒性和抗干扰能力，且有效降低滑模控制项切换增益，进而削弱抖振现象。

技术领域

本发明属于永磁同步电机调速控制技术领域，更具体地，涉及一种基于快速积分终端滑模及干扰估计的永磁同步电机有限时间调速控制技术，其能够实现电机速度的有限时间跟踪，并能有效克服包含系统参数不确定性以及未知负载转矩波动等在内的系统内、外干扰的影响。

背景技术

永磁同步电机是一类使用永磁体作为转子的电机，其通过永磁体提供励磁磁场，省去了励磁线圈，因而简化了电机结构，降低了电机质量和体积，同时有效提高了电机的效率、功率密度以及可靠性。因具备上述多种优点，永磁同步电机在电动汽车、工业生产、航空航天等众多领域得到了广泛应用。

在传统永磁同步电机调速控制技术领域，PI控制算法因具备结构简单、调节方便的优点而占据主要地位。但是，电机控制系统里无可避免地存在因参数不确定性、负载波动等多种因素所带来的干扰的影响。而PI算法不具备强鲁棒性以及出色的抗干扰能力，其在面对系统干扰时控制性能将大幅度下降，无法满足现代工业应用对具有高精度、强抗干扰能力的永磁同步电机调速控制技术的要求。

为提高永磁同步电机调速控制系统的抗干扰能力，众多学者开始致力于强鲁棒性控制算法的研究。滑模控制是其中最受青睐的控制算法之一，其主要思想是设计与系统参数及干扰无关的滑模面，并通过滑模控制器“迫使”系统状态沿设计好的滑模面进行运动，从而使控制系统具备强的抗干扰能力。需要指出的是，滑模控制存在一定缺陷，即当系统状态到达滑模面后，其难以严格地沿着滑模面向平衡点滑动，而是在滑模面两侧来回穿越地趋近平衡点，从而产生抖振，这是滑模控制在实际应用中的最主要障碍之一。同时，除强抗干扰能力之外，永磁同步电机的速度跟踪能力也是检验调速算法优劣的一个重要指标，因为更快的调节速度、更佳的跟踪精度，意味着更高的工作效率，而传统滑模控制方法只能实现渐近收敛，即当时间趋于无穷大时电机转速跟踪到目标值，而无法保证其在有限时间内收敛，例如在论文“谢涛,高桂革,王杰.基于滑模控制器的PMSM的矢量控制系统研究[J].电机与控制应用,2018.”中，作者提出了一种基于滑模控制的永磁同步电机调速控制方法，但其在理论上仅能得到渐近收敛的控制效果，无法确定电机转速跟踪到目标值所用时间，也即无法保证电机转速可以在有限时间内跟踪到目标值。

此外，在现有技术中，存在部分技术方案在进行控制器设计时为达到目标控制效果，使用电机加速度、加加速度等在实际中难以获得的信号，例如论文“童灵华.永磁同步电机快速高阶终端滑模控制[J].电机与控制应用,2016.”在控制器设计时用到了电机的加速度信号，但加速度信号很难通过传感器进行测量，这意味着此类技术方案是无法直接实际应用的，而技术方案的可实现性是工业应用的决定要素。

总结而言，包括PI控制和滑模控制在内的已有技术无法同时满足现代永磁同步电机调速控制系统在快速性、准确性以及抗干扰能力等方面的需求，故急需新的高性能控制方法的提出。

发明内容

致力于解决现有技术中永磁同步电机调速控制方法所存在的缺陷与不足，本发明提供了一种基于快速积分终端滑模及干扰估计的永磁同步电机有限时间调速控制技术。所述方法通过设计快速积分终端滑模面及滑模控制律，保证了电机速度跟踪误差在有限时间内收敛到零，提高了永磁同步电机调速系统的快速性，同时使用自适应模糊算法对系统内、外干扰进行在线估计并实时补偿，进一步增强了调速系统的鲁棒性和抗干扰能力，且有效降低了滑模控制项切换增益，进而削弱了抖振现象。