一种基于新型趋近律的无轴承异步电机滑模控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于新型趋近律的无轴承异步电机滑模控制方法，电机转速环采用基于新型趋近律的滑模速度控制器。该控制器采用具有自变速功能的新型趋近律，利用无轴承异步电机调速系统中的转速误差构造积分滑模面，并结合电磁转矩和运动方程，提取出速度环的电流信号本发明专利技术在传统指数趋近律的基础上，引入系统状态变量的一阶范数||x||1，解决了传统指数趋近率存在的抖振及收敛性能差的问题。采用该趋近律设计的无轴承异步电机滑模速度控制器对系统不确定扰动具有较强鲁棒性，有效的改善了无轴承异步电机调速系统的运行品质，而且控制策略简单，便于工程实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种基于新型趋近律的无轴承异步电机滑模变控制方法，属于电气传动控制设备

技术介绍
无轴承异步电机集电机旋转与悬浮功能为一体，具有无摩擦、磨损、无需润滑、寿命长、能实现高速、高精运行等优于普通电机优点，在高速陀螺、飞轮储能、石油化工液体输送泵、航空航天、高速硬盘等特殊领域具有无可替代的地位。然而，无轴承异步电机是一个多变量、非线性、强耦合复杂系统，当电机参数变化或受到外部较大扰动时，诸如常规的PI控制器无法满足系统稳定与高精度控制要求。国内外学者对此进行了大量研究，一些先进的控制策略也逐渐被应用在电机系统中，如神经网络控制、模糊控制、自抗扰控制。但是，基于上述控制策略的系统设计繁杂，使用条件相对苛刻，难以在工程应用中推广。然而，隶属于现代控制范畴的滑模变结构控制策略，作为一种较为特殊的非线性控制，无需系统精确数学模型，对扰动(参数、转速、负载)等不确定因素自适应性强，具有较强鲁棒性，更重要的是物理实现简单，在交流伺服系统控制领域展现出广阔应用前景。但是，滑模变结构本质上是一种不连续开关，存在时滞及惯性等特点，使得滑动模态存在抖振，则会激发出系统未建模特性，极大地降低系统控制性能。因此，对滑模变结构控制的改进及抖振的削弱成为其研究重点。目前，针对削弱滑模抖振问题主要有采用饱和函数取代控制系统中的切换函数，该方法在削弱滑模抖振的同时降低了系统鲁棒性和跟踪精度；采用动态滑模控制设计新的滑模面，该方法虽具有消除抖振特点，但控制器输出导数的值无法测量，目前难以实现应用；采用趋近律的方法如指数趋近律、等速趋近律等，以最常用的指数趋近律举例说明，该趋近律一定程度上减弱抖振现象，然而它是带状的切换带，系统最终为趋近于原点附近的一个抖振。另外，式中的系数ε和λ不具备随状态变量位置变化的自调整功能，无法达到最佳的收敛特性。
技术实现思路
本专利技术的目的有两个：1、提出一种新型趋近律－自变速指数趋近律，解决传统滑模变结构中固有的抖振及收敛性能差的问题，进一步提高了系统的鲁棒性。2、提出基于自变速趋近律的无轴承异步电机滑模控制器(Adaptive Variable-rated Sliding Mode Controller，ASMC)，解决无轴承异步电机控制系统在较大扰动(参数变化、负载突变等)下控制性能较差的问题，提高无轴承异步电机调速系统的快速性与鲁棒性。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于新型趋近律的无轴承异步电机滑模控制方法，电机转速环的滑模速度控制器采用具有自适应调速功能的新型趋近律，利用调速系统中的转速误差构造积分滑模面，结合电磁转矩和运动方程，得到转速环的电流信号所述新型趋近律是在传统指数趋近律的基础上，采用系统状态变量的一阶范数||x||1，将系统趋近速度与系统状态变量距离稳定点的远近相关联：当系统状态变量距离稳定点较远时，||x||1较大，此时系统状态变量通过指数项λs/(1+α||x||1)和等速趋近项-ε||x||1sgn(s)向滑模面靠近，同时通过减小调速系数a来加快系统趋近速度；当系统状态变量运行至稳定点时，等速趋近项-ε||x||1sgn(s)起到主导作用；||x||1不断减小并趋近于0，使得-ε||x||1sgn(s)为0，实现滑模运动稳定于原点。进一步，所述新型趋近律的具体表达式为： s · = - ϵ | | x | | 1 sgn ( s ) - λ 1 1 + α | | x | | 1 s lim t → ∞ | | x | | 1 = 0 ]]>其中：为滑模面s的导数；sgn(s)为符号函数；为系统状态变量的一阶范数；λ>0，ε>0，α>0，n>0，均为系统参数。进一步，所述滑模速度控制器的具体设计步骤包括：S1，建立系统状态变量表达式： x 1 = ω * - ω x 2 = ∫ - ∞ t x 1 d t ]]>其中：ω*为系统的给定转速，ω为系统的实际转速；S2，建立电机电磁转矩方程和运动方程： T e = p 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于新型趋近律的无轴承异步电机滑模控制方法，其特征在于，电机转速环的滑模速度控制器采用具有自适应调速功能的新型趋近律，利用调速系统中的转速误差构造积分滑模面，结合电磁转矩和运动方程，得到转速环的电流信号所述新型趋近律是在传统指数趋近律的基础上，采用系统状态变量的一阶范数||x||1，将系统趋近速度与系统状态变量距离稳定点的远近相关联：当系统状态变量距离稳定点较远时，||x||1较大，此时系统状态变量通过指数项λs/(1+α||x||1)和等速趋近项‑ε||x||1sgn(s)向滑模面靠近，同时通过减小调速系数α来加快系统趋近速度；当系统状态变量运行至稳定点时，等速趋近项‑ε||x||1sgn(s)起到主导作用；||x||1不断减小并趋近于0，使得‑ε||x||1sgn(s)为0，实现滑模运动稳定于原点。

【技术特征摘要】
1.一种基于新型趋近律的无轴承异步电机滑模控制方法，其特征在于，电机转速环的滑模速度控制器采用具有自适应调速功能的新型趋近律，利用调速系统中的转速误差构造积分滑模面，结合电磁转矩和运动方程，得到转速环的电流信号所述新型趋近律是在传统指数趋近律的基础上，采用系统状态变量的一阶范数||x||1，将系统趋近速度与系统状态变量距离稳定点的远近相关联：当系统状态变量距离稳定点较远时，||x||1较大，此时系统状态变量通过指数项λs/(1+α||x||1)和等速趋近项-ε||x||1sgn(s)向滑模面靠近，同时通过减小调速系数α来加快系统趋近速度；当系统状态变量运行至稳定点时，等速趋近项-ε||x||1sgn(s)起到主导作用；||x||1不断减小并趋近于0，使得-ε||x||1sgn(s)为0，实现滑模运动稳定于原点。2.根据权利要求1所述的一种基于新型趋近律的无轴承异步电机滑模控制方法，其特征在于，所述新型趋近律的具体表达式为： s · = - ϵ | | x | | 1 sgn ( s ) - λ 1 1 + α | | x | | 1 s lim t → ∞ | | x | | 1 = 0 ]]>其中：为滑模面s的导数；sgn(s)为符号函数；为系统状态变量的一阶范数；λ>0，ε>0，α>0，n>0，均为系统参数。3.根据权利要求2所述的一种基于新型趋近律的无轴承异步电机滑模控制方法，其特征在于，所述滑模速度控制器的具体设计步骤包括：S1，建立系统状态变量表达式： x 1 = ω * - ω x 2 = ∫ - ∞ t x 1 d t ]]>其中：ω*为系统的给定转速，ω为系统的实际转速；S2，建立电机电磁转矩方程和运动方程： T e = p 1 ψ 1 i 1 q T e - T l = J p 1 d ω d t ]]>其中：Te为电磁转矩；Tl为负载转矩；J为电机转动惯量；p1为电机转矩绕组极对数；ψ1为气隙磁链；i1q为转矩绕组中定子相电流q轴分量；S3，对x1求导，并结合电磁转矩方程和运动方程得到： x 1 ′ = - ω ′ = - p 1 2 ψ 1 J i 1 q + p 1 J T l ]]>S4，增加干扰项，得到x′1的表达式为： x 1 ′ = ( - ...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨泽斌，万玲，赵若妤，孙晓东，陈林，孙卫明，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32