基于趋近律和扰动补偿的永磁同步直线电机滑模控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于趋近律和扰动补偿的永磁同步直线电机滑模控制方法。其包括：在永磁同步直线电机的速度控制环，配置用于进行速度控制的滑模速度控制器以及用于观测速度控制时扰动的滑模扰动观测器，滑模扰动观测器将所观测的扰动观测值前馈补偿至所述滑模速度控制器内，滑模速度控制器基于动子速度给定值v

【技术实现步骤摘要】
基于趋近律和扰动补偿的永磁同步直线电机滑模控制方法


[0001]本专利技术涉及一种滑模控制方法，尤其是一种基于趋近律和扰动补偿的永磁同步直线电机滑模控制方法。

技术介绍

[0002]永磁同步直线电机具有结构简单、推力密度大、机械损耗小、精度高、效率高和动态响应快的特点，因此，在高档数控机床、光刻机、物流传输等高精密工业生产领域，对以永磁同步直线电机为代表的直驱系统，具有广阔的应用前景。
[0003]永磁同步直线电机是一个复杂的非线性、强耦合、多变量系统，其物理结构存在齿槽效应、边端效应以及饱和效应，并且在运行过程中，会出现温升参数变化和外部不确定扰动的影响，因此，需要设计合理的控制策略来实现永磁同步直线电机的高性能控制。
[0004]传统的PI(比例积分)控制算法简单，能消除稳态误差，被广泛应用于电机控制系统中，但当电机内部参数失配或外部扰动过大时，一组固定的PI参数不能很好地适应工况的变化，很难在整个工作范围内取得令人满意的控制要求。
[0005]为实现永磁同步直线电机的高性能控制，近年来，滑模控制、预测控制、智能控制等先进的控制策略被提出，并运用到永磁同步直线电机的控制系统中。
[0006]滑模控制响应快、对参数变化和扰动不灵敏、物理实现简单，已被证明是改善电机控制系统抗干扰和鲁棒性的有效方法。然而，传统的滑模控制需设计较大的切换增益来保证鲁棒性，会伴随抖振问题，抖振过大会引发一系列连锁反应导致控制性能变坏。
[0007]目前，研究学者提出边界层法、趋近律改进、与智能控制方法结合、高阶滑模控制、扰动补偿等方法来抑制抖振问题，其中，趋近律改进和扰动补偿的复合方法对降低系统抖振和提高控制性能具有重要的研究意义，但在控制时，如何有效提高永磁同步直线电机的响应速度、削弱抖振以及降低扰动的影响等一直以来都是急需解决的技术难题。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于趋近律和扰动补偿的永磁同步直线电机滑模控制方法，其基于趋近律和扰动补偿的滑模控制，有效提高响应速度，削弱抖振，降低扰动的影响，使得永磁同步直线电机具有较好的静态与动态性能。
[0009]按照本专利技术提供的技术方案，一种基于趋近律和扰动补偿的永磁同步直线电机滑模控制方法，所述永磁同步直线电机的滑模控制方法包括：
[0010]在永磁同步直线电机的速度控制环，配置用于进行速度控制的滑模速度控制器以及用于观测速度控制时扰动的滑模扰动观测器，滑模扰动观测器将所观测的扰动观测值前馈补偿至所述滑模速度控制器内，滑模速度控制器基于动子速度给定值v
*
、动子速度实际值v以及滑模扰动观测器前馈的扰动观测值生成永磁同步直线电机q轴的给定电流其中，
[0011]进行速度控制时，在滑模速度控制器内配置速度滑模面的趋近律，所配置速度滑
模面的趋近律为：
[0012][0013]式中，s为滑模速度控制器内的速度滑模面，为速度滑模面的趋近律，x为速度误差，k为指数项系数，ε为切换增益项系数，α、β、γ均为趋近律参数，t为永磁同步直线电机的工作时间，sgn()为符号函数。
[0014]利用基于趋近律的滑模速度控制器进行速度控制时，所述滑模速度控制器输出的永磁同步直线电机q轴给定电流为：
[0015][0016]其中，τ为永磁同步直线电机的极距，为速度给定值v
*
的导数，ψ
f
为永磁同步直线电机的永磁体磁链，p
n
为永磁同步直线电机的极对数，为滑模扰动观测器所观测的扰动观测值，B为粘滞摩擦因数，m为永磁同步直线电机的动子质量，c为滑模面系数且c>0。
[0017]在滑模扰动观测器内，选取滑模面s1为观测器速度误差e1，并对所述滑模面s1配置扰动观察滑模趋近律其中，
[0018][0019]式中，为对永磁同步直线电机的动子速度观测值，k1为指数项系数，ε1为切换增益项系数，α1、β1、γ1均为趋近律参数。
[0020]对具有扰动观察滑模趋近律的滑模扰动观测器，所述滑模扰动观测器的设计方法包括：
[0021]步骤100、建立永磁同步直线电机的机械方程，具体为：
[0022][0023]其中，F
L
为永磁同步直线电机的总不确定扰动，ξ(t)为永磁同步直线电机总不确定扰动的变化量，i
q
为永磁同步直线电机q轴的电流；
[0024]步骤110、基于永磁同步直线电机的机械方程，建立永磁同步直线电机的滑模扰动观测器，所建立的滑模扰动观测器为：
[0025][0026]其中，g为观测器系数；u
smo
为待设计扰动观测器的控制律；
[0027]步骤120、定义滑模扰动观测器的观测速度误差e1以及观测扰动误差e2，具体为：
[0028][0029]步骤130、基于上述的机械方程、所建立的滑模扰动观测器，生成观测器误差方程：
[0030][0031]步骤140、选取滑模面s1为观测器速度误差e1，并配置扰动观察滑模趋近律则有：
[0032][0033]步骤150、令以作为所述滑模扰动观测器的控制律，并且观测器参数满足g>0、k1>0时，以实现观测速度误差e1＝0、观测扰动误差e2＝0以及观测扰动值为
[0034]基于趋近律的滑模速度控制器进行速度控制时，速度误差x能进入速度滑模面s，且速度滑模面s能收敛至平衡点s＝0，速度滑模面s收敛至平衡点的时间小于[T1+T2]，其中，
[0035][0036]其中，s0为滑模面s的初始值，x0为初始速度误差。
[0037]对永磁同步直线电机进行滑模控制时，还包括位于速度控制环内的电流控制环，其中，
[0038]所述电流控制环包括q轴电流调节器、d轴电流调节器、Park变换、反Park变换、Clark变换以及SVPWM控制，
[0039]对与永磁同步直线电机适配连接的三相逆变器，依次经Clark变换以及Park变换得到旋转坐标系下的q轴电流i
q
以及d轴电流i
d
；
[0040]q轴电流i
q
加载至滑模扰动观测器，并与q轴的给定电流共同作为输入加载至q轴电流调节器的输入，d轴电流i
d
与d轴的给定电流作为输入加载至d轴电流调节器；
[0041]q轴电流调节器、d轴电流调节器依次经反Park变换、SVPWM控制与三相逆变器适配连接。
[0042]对永磁同步直线电机，基于光栅尺得到所述永磁同步直线电机的动子速度实际值v以及角度θ，其中，
[0043]所得到的角度θ同时加载至Park变换与反Park变换。
[0044]d轴的给定电流保持为0。
[0045]本专利技术的优点：将速度误差的变量函数e
‑
β|x|
引入趋近律中，使趋近速度跟随速度误差自本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于趋近律和扰动补偿的永磁同步直线电机滑模控制方法，其特征是，所述永磁同步直线电机的滑模控制方法包括：在永磁同步直线电机的速度控制环，配置用于进行速度控制的滑模速度控制器以及用于观测速度控制时扰动的滑模扰动观测器，滑模扰动观测器将所观测的扰动观测值前馈补偿至所述滑模速度控制器内，滑模速度控制器基于动子速度给定值v
*
、动子速度实际值v以及滑模扰动观测器前馈的扰动观测值生成永磁同步直线电机q轴的给定电流其中，进行速度控制时，在滑模速度控制器内配置速度滑模面的趋近律，所配置速度滑模面的趋近律为：式中，s为滑模速度控制器内的速度滑模面，为速度滑模面的趋近律，x为速度误差，k为指数项系数，ε为切换增益项系数，α、β、γ均为趋近律参数，t为永磁同步直线电机的工作时间，sgn()为符号函数。2.根据权利要求1所述基于趋近律和扰动补偿的永磁同步直线电机滑模控制方法，其特征是，利用基于趋近律的滑模速度控制器进行速度控制时，所述滑模速度控制器输出的永磁同步直线电机q轴给定电流为：其中，τ为永磁同步直线电机的极距，为速度给定值v
*
的导数，ψ
f
为永磁同步直线电机的永磁体磁链，p
n
为永磁同步直线电机的极对数，为滑模扰动观测器所观测的扰动观测值，B为粘滞摩擦因数，m为永磁同步直线电机的动子质量，c为滑模面系数且c>0。3.根据权利要求2所述基于趋近律和扰动补偿的永磁同步直线电机滑模控制方法，其特征是，在滑模扰动观测器内，选取滑模面s1为观测器速度误差e1，并对所述滑模面s1配置扰动观察滑模趋近律其中，式中，为对永磁同步直线电机的动子速度观测值，k1为指数项系数，ε1为切换增益项系数，α1、β1、γ1均为趋近律参数。4.根据权利要求3所述基于趋近律和扰动补偿的永磁同步直线电机滑模控制方法，其特征是，对具有扰动观察滑模趋近律的滑模扰动观测器，所述滑模扰动观测器的设计方法包括：
步骤100、建立永磁同步直线电机的机械方程，具体为：其中，F
L
为永磁同步直线电机的总不确定扰动，ξ(t)为永磁同步直线电机总不确定扰动的变化量，i
q
为永磁同步直线电机q轴的电流；步骤110、基于永磁同步直线电机的机械方程...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈艳霞，罗昌茜，赵芝璞，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：