1 模糊积分滑模控制器 12233112233()()x x x x x f x gu d a x a x a x gu d =?? =??=++=???++? 其中0i i i a a a =+?，(),i i a a t t ?≤?；0g g g =+?，(),g t t β?≤?；(),d D t t ≤?。0i a 、0g 为系统的标称参数，i a ?、g ?为系统参数的不确定部分，()i a t 、()t β分别为i a ?和g ?的上界，()D t 为扰动d 的上界。 选择滑动模态为 11223110()()t d z t c x c x x k x x dt =+++?∫ 控制器为 012()()() ()l u t u t u t u t g +?+?= 0122311()()()d u t c x c x k x x =?+?? 10()()f u t F D u ?=?? 21112233()()d u t x x x x ????=?++ 11()l h f l g g k u g ?=? 1()i l h i fi l g g c u g ??=?，2,3i = （1）()sgn()fi u ββ= （2）加入边界层控制 1 ()()fi u sign else ββββ?≤?=??? （3）对()fi u β设计模糊控制器： 32 23 2 232 23 2211297310.56962370.50 633 23700.56332973 0.51696 11 fi u ββββββββββββββββββββββββββ≤???+++??<≤??++?+???<≤?++?=????<≤??+??+??<≤??+???>?
通过积分滑模控制改进数控轮廓精度 程学希，Geok-soon Hong，和Aun-Neow Poo 上海交通大学机械工程学院机械系统与振动系统国家重点实验室 东川路800号，中国邮编：上海200240 新加坡国立大学机械工程学院工程驱动器实验室 新加坡邮编：新加坡117576 文章历史: 收到：2008.5.16 接受：2010.3.30 可在线至：2010.5.10 关键词：计算机数字控制轮廓加工精度轮廓误差跟踪误差积分滑模控制 摘要： 在本文中，一种以输入输出模型为基础的积分滑模控制器被提了出来，以作为对双自由度独立跟踪与监测控制器的完善。因此，极位控制知识可被应用在ISMC中，它的稳健性通过扰动控制而提高，进而获得等效控制。为了消除抖动问题，我们采取了两项措施，一是适当滑动面的选择，一是完整的控制动作。结果发现，选择相较于开环系统具有更小的本盏率的滑动表面机械可以缓解抖动的问题。K（积分控制系数）的选择是基于双自由度控制器的。根轨迹是用来帮助选择合适的ｋ值，以确保闭环的稳定。计划的ISMC被实施和实验于一台小型的数控机床上。通过ISMC设备，该卫星数控机床的轮廓加工精度得到了极大地提高。此外，没有观察到震颤，这有利于机械的致动器。 1. 简介 为了改善多轴数控机床轮廓加工精度，最好的办法是提高各个轴的跟踪精度。因此，整体轮廓精度可以得到保证。由T omizuka[1]提出的零相位误差跟踪控制器（ZPETC），正是基于这种想法。ZPETC基本上是前馈控制器，对于最小相位系统，前馈控制器可设计为性能指标的的逆。因而参考输入到输出的传递函数就得到了统一。拥有一个完美的模型，跟踪误差可以是零，因而导致了零位轮廓错误。对于非最小相位系统，ZPETC 的设计是一个系统的近似逆。从参考输入到输出的传递函数是在低频率时近似一致。当模型是完美的时，输出应密切跟踪参考输入，这导致了非常小的跟踪误差与间接的导致非常小的轮廓误差。但是，反向或ZPETC控制器的性能，很大程度上依赖于模型的质量。在不完善的模式中，反向或ZPETC控制器提高到轮廓精度可以忽略不计[2]。 为了克服模型不确定性和在实践中是不可避免的外部干扰，减少跟踪误差的一个有希望的方法就是滑模控制（SMC）。滑模控制因为其对模型不确定性和外部扰动的稳定性而众所周知[3]，并已应用在各个领域内[4][5]和[6]。在连续时间系统，其稳定性可以通过采用无穷频率开关来保证。这种开关控制可以驱动系统运行于滑动表面，并使系统在之
肖金凤 1971年1月 生,1994年毕业于湖南大学电气与信息工程学院电机专业,学士学位,2004年毕业于湖南大学电气与信息工程学院控制工程专业,硕士学位,讲师。主要研究方向为电机智能控制、工业过程控制及综合自动化。 异步电动机无速度传感 器矢量控制系统设计 * 肖金凤1 , 黄守道2 , 李劲松 1 (1.南华大学,湖南 衡阳 421001;2.湖南大学,湖南 长沙 410082) 摘要 文章提出一种基于模糊神经网络的模型参考自适应电机转速辨识方法,将其与SVP WM 调制技术控制的变频器系统结合起来,组成了一种基于DSP 的异步电机无速度传感器矢量控制系统。具体介绍了其结构及软硬件的设计。仿真结果表明此系统动态性能好,能准确跟踪电机转速的变化。 关键词 异步电动机 无速度传感器 SVP WM 矢量控制 数字信号处理器 Fiel d Oriented Control Syste m of Speed Sensorless Based on DSP X iao Jinfeng ,Huang Shoudao ,L i Jingsong (1.N anhua Un iversity ;2.H unan Un i v ersity ) Abstract :This paper presents a ne w m et h od of i n ducti o n m otor speed identifica -ti o n .It is the co m binati o n o f f u zzy neural net w ork (FNN )w ith m odel reference adap -ti v e syste m (MRAS).W e co m bi n e this m ethod w it h the i n verter contro lled by space vector pulse w idth m odu lati o n (SVP WM )to for m a field oriented con tro l syste m o f speed senso rless based on DSP . Its struct u re and soft w are and hardw are are ana -l y zed .The S i m u lation results sho w that the contro l syste m has better dyna m ic per -f o r m ance and can accurately track the variati o n of the m otor speed . K ey w ords :I nducti o n m oto r Speed sensorless SVP WM F ield oriented con -tro l (FOC) DSP *湖南省自然科学基金资助项目(编号:02JJ Y 2089) 1 引言 异步电动机的数学模型由电压方程、磁链方 程、转矩方程和运动方程组成,是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。采用传统的控制策略对其进行控制时,动态控制效果较差。目前异步电动机控制研究工作正围绕几个方面展开:采用新型电力电子器件和脉宽调制控制技术;应用矢量控制技术及现代控制理论、智能控制技术;广泛应用数字控制系统及计算机技术;无速度传感器控制技术。本文以电机控制专用芯片 T M S320F240为核心,采用磁通、转速闭环的矢量控制策略,利用SVP WM 脉宽调制技术、无速度传感器及智能控制技术,设计了一电机控制系统。仿真结果表明该控制系统抗干扰能力强,动态性能好。 2 速度估计策略 模型参考自适应方法(MRAS)是应用较广的速度估计方法。本文设计的模型参考自适应速度估计系统为减少定子电阻的影响选择瞬时无功功率模型,同时为有效解决瞬时无功功率模型参考 40 异步电动机无速度传感器矢量控制系统设计《中小型电机》2005,32(2)
三阶积分终端滑模控制方法 1.1三阶积分终端滑模 1.1.1压电驱动纳米定位平台运动控制问题描述 1.1.1.1纳米定位系统动态建模 考虑磁滞非线性时，压电驱动纳米定位系统的完整动态模型为 (0-1) 其中为时间变量。分别为质量、阻尼系数、刚度和纳米定位平台压电系数，分别为输入电压、纳米定位平台的输出位移、系统的辞职效应、模型不确定性和扰动项。以上动态方程可进一步简化描述如下 (0-2) 其中。本文不直接对磁滞效应进行建模，而是将磁滞非线性影响和其它不确定性统一视为集中扰动，以下省略变量。1.1.1.2扰动估计 基于动态模型(0-2)，扰动项可描述如下： (0-3) 但是以上扰动估计方法由于algebraic loop不可实现。以下根据文献[]提出的摄动估计技术进行扰动估计，即 (0-4) 其中为采样时间间隔。那么，式(0-2)所示的动态模型变为 (0-5) 表示扰动估计误差。为助于控制器设计，给出以下合理假设： 假设1：。 1.1.1.3状态估计 由式(0-4)可知，扰动估计器的实现需要计算位置的高阶微分项。但 是，在实际应用中只有位置可测。因此，为实现扰动估计必须设计位置的高阶微分项的估计器或观测器，如Luenberger观测器、高增益观测器和滑模观测器等。然而传统的观测器只能实现状态估计的渐进收敛，而Levant提出的鲁棒精确差分技术（Robust Exact Differentiator, RED）可实现状态估计的有限时间收敛。 特别地，k阶RED可实现k次实时的鲁棒差分，其中2阶RED可设计如下：
(0-6) 其中，且。差分器的输出分别为 : (0-7) 定义状态估计误差为 (0-8) 那么，式(0-6)可描述为 (0-9) 其中可在有限时间内实现。 式(0-9)所示的误差动态推导错误，已由文献[]指出，正确推导过程如下：由式(0-6)-(0-8)可知， (0-10) ，因此式(0-9)的正确表达为 (0-11) 利用以上微分器，估计的扰动变为 (0-12) 其中 (0-13) (0-14) 由式(0-11)。此时，如果利用式(0-13)进行扰动估计， 。结合假设1可知，扰动估计误差的变化率有界， 。
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基于滑模观测器的PMSM模糊滑模控制 作者：王巍， 汪玉凤， 郭凤仪， WANG Wei， WANG Yu-feng， GUO Feng-yi 作者单位：辽宁工程技术大学,辽宁葫芦岛,125105 刊名： 微特电机 英文刊名：SMALL & SPECIAL ELECTRICAL MACHINES 年，卷(期)：2010，38(8) 被引用次数：0次 参考文献(11条) 1.Elmas https://www.doczj.com/doc/fc8813638.html,tun O A hybrid controller for the speed control of a permanent magnet synchronous motor drive 2008(1) 2.沈艳霞.纪志成基于无源性永磁同步电机模糊滑模控制系统研究 2007(17) 3.Ilioudis V C.Margaris N I PMSM Sensorless Speed Estimation Based on Sliding Mode Observers 2008 4.赵德宗.张承进.郝兰英一种无速度传感器感应电机鲁棒滑模控制策略 2006(22) 5.Han Y S.Choi J S.Kim Y S Sensorless PMSM Drive with a Sliding Mode Control Based Adaptive Speed and Stator Resistance Estimator 2000(5) 6.王巍.郭凤仪.侯利民滑模控制的PMSM无速度传感器最优转矩控制 2009(3) 7.Cárdenas R.Pe(n~)a R MRAS Observer for Sensorless Control of Standalone Doubly Fed Induction Generators 2005(4) 8.王庆龙.张崇巍.张兴基于变结构模型参考自适应系统的永磁同步电机转速辨识 2008(9) 9.Bianchi N.Bolognani S Advantages of Inset PM Machines for Zero-Speed Sensorless Position Detection 2008(4) 10.秦峰.贺益康.贾洪平基于转子位置自检测复合方法的永磁同步电机无传感器运行研究 2007(3) 11.Jeong Y Initial rotor position estimation of an interior permanent magnet synchronous machine using carrier frequency injection methods 2005(1) 相似文献(10条) 1.期刊论文骆再飞.蒋静坪.曹芳祥.LUO Zai-fei.JIANG Jing-ping.CAO Fan-xiang交流伺服系统的动态模糊滑模 控制策略研究-机电工程2008,25(11) 为提高永磁同步电机(PMSM)交流伺服系统的动静态性能,提出了一种动态模糊滑模控制方法.采用"距离"减少了模糊输入维数和模糊规则,减少控制器的计算量从而加快了响应速度;并利用自适应算法改善了系统性能.仿真试验表明,该方法能明显削弱抖振,提高稳态精度,并具有动态响应速度快的特点以及较强的鲁棒性. 2.期刊论文王洪斌.穆太青.高殿荣基于模糊滑模控制的永磁同步液压电机泵变速控制的研究-武汉理工大学学报 （交通科学与工程版）2010,34(1) 提出一种永磁同步液压电机泵模型,即把永磁同步电机转子作为液压泵缸体,以进一步提高液压传动的整机效率.通过控制电机转速直接调节泵的输出流量,使电机泵提供的功率与负载匹配,从根本上提高液压调速系统的效率.同时建立了该液压电机泵变速控制系统的数学模型.针对永磁同步电机非线性、多变量、强耦合的特点,将模糊和滑模控制理论运用到永磁同步电机直接转矩控制中,以提高系统的鲁棒性和快速性.对转速阶跃变化进行仿真研究,仿真结果表明该策略具有良好的鲁棒性和快速性. 3.期刊论文黄石维.周国荣.HUANG Shi-wei.ZHOU Guo-rong永磁同步电机的模糊滑模控制-机械工程与自动化 2010(1) 为了实现高性能永磁同步电动机伺服系统快速而精确的位置跟踪控制,在滑模控制策略中引入模糊控制算法,设计了基于模糊规则的滑模控制器;并通过理论分析和控制仿真,证实了模糊滑模控制很好地解决了抖振问题,对参数变化和负载扰动具有很好的鲁棒性,永磁同步电机可获得很好的位置跟踪效果. 4.学位论文刘梦溪交流伺服系统的滑模控制研究2008 随着现代化工业的不断发展，交流伺服系统在许多领域的应用日益广泛，对其性能要求也越来越高。由于交流伺服系统本质上具有非线性、多变量、参数时变的性质，因此要实现高品质的控制，对控制策略就提出了很高的要求。本文针对在交流伺服驱动系统中一些尚待解决的的控制问题将一些新的控制方法引入交流伺服系统，力求以新的控制方式和策略提高整个系统的鲁棒性。 滑模控制对系统模型不精确和外部扰动具有较强的鲁棒性，因此获得了广泛应用。但滑模控制的高频抖振现象却成为限制其应用的主要障碍。模糊控制作为利用专家知识和经验的有效方法，特别适用于复杂、非线性、时变的系统，但大多数模糊控制系统缺少保证系统性能的分析方法。将模糊控制
BLDC无位置传感器控制技术 2014.11.12 duguqiubai1234@https://www.doczj.com/doc/fc8813638.html, BLDC电机是一种结合了直流电机和交流电机优点的改进型电机。其转子采用永磁材料励磁，体积小、重量轻、结构简单、维护方便。BLDC电机又具有控制简便、高效节能等一系列优点，已广泛应用于仪表和家用电器等领域。 本文主要讨论高压BLDC风机无位置传感器起动和运行技术。 一、无位置传感器技术简介 BLDC电机最简单的控制方法是安装三个位置传感器，使用六步换相法控制。但传感器器会增大电机的体积和成本，另外传感器的位置精度影响电机的运行；特别对于极对数较多的电机，传感器偏差少许机械角度也可能引起电角度偏差很多。在某些恶劣环境下,如高温、潮湿、腐蚀性气体等环境，传感器易损坏，因而无法使用。 使用无位置传感器方式则可以克服上述缺点。 无传感器BLDC在性能上也存在一些不足: （1）难以实现重负载（例如额定转矩）起动。好在风机属于轻负载起动的情况。 （2）难以快速起动。例如很难实现1秒内从静止加速到全速。好在风机通常不要求很短时间内完成加速。 （3）无法实现全速范围内任意调速。有传感器BLDC能够实现0%～100%额定转速范围内的调速，而无传感器BLDC通常只能实现10%～100%额定转速范围内的调速。好在风机通常不要求10%额定转速以下运行。 经过以上分析，可以看出风机非常适合使用无位置传感器方式控制。 国内高压无位置传感器BLDC技术仍处于不成熟阶段。使用该技术的产品应以稳定可靠为主要要求，而不是以性能优越为主要要求。高压无传感器BLDC如果追求性能优越，则成本太高，技术难度过大。 风机类产品通常起动后连续工作时间较长，所以通常不要求快速起动，不也要求反复起停。
高阶滑模控制（读书笔记） 王蒙 1、传统滑模控制有如下缺陷： （1）抖振问题：主要是由未建模的串联动态引起，同时切换装置的非理想性也是一个重要原因； （2）相对阶的限制：传统滑模控制只有在系统关于滑模变量s 的相对阶是 1时才能应用，也就是说，控制量u 必须显式出现在s 中，这样就限制了滑模面的设计。 （3）控制精度问题：在实际的、采样实现的传统滑模控制算法中，滑动误差正比于采样时间τ，也就是说，有限时间到达的传统滑模在具有零阶保持器的离散控制下，系统的状态保持在滑动模态上的精度是采样时间的一阶无穷小，即()O τ； 2、高阶滑模控制理论 在传统滑模控制中，不连续的控制量显式地出现在滑模变量的一阶导数s 中，即s 是不连续的。由于未建模动态和非理想的切换特性，传统滑模存在抖振，它在实际应用中是有害的。连续近似化方法（如引入边界层）能抑制抖振，然而失去了不变性这个显著优点。Levant 提出了高阶滑模的概念，高阶滑模保持了传统滑模的优点（如不变性），抑制了抖振，消除了相对阶的限制和提高了控制精度。 滑动模态的不变性：系统一旦进入滑动模态，对满足匹配条件的不确定性及干扰具有不变性。 3、高阶滑模的定义 （1）滑动阶r 是指滑模变量s 的连续全导数（包含零阶）在滑模面 s =0上为 0 的数目。滑动阶刻画了系统被约束在滑模面 s = 0上的运动动态平滑度。根据上述定义可知：传统滑模的滑动阶为 1，因为在滑模面上 s = 0，而s 则是不连续的，因此传统滑模又被称为一阶滑模。 （2）关于滑模面 s (t , x ) = 0的 r 阶滑动集由下述等式描述(1)0r s s s s -===== 上式构成了动态系统状态的 r 维约束条件。 （3）1996 年，Levant 和 Firdman 给出了高阶滑模的精确定义 r 阶滑动集(1)0r s s s s -=== ==是非空，且假设它是 Filippov 意义下局部积分集（也
课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位：武汉理工大学 题目: 无速度传感器的矢量控制系统仿真 初始条件： 电机参数为：额定电压U=380V、频率50 =、定子电阻s R=0.252Ω、 f Hz 额定功率P=2.2KW、定子自感 L=0.0016H、转子电阻r R=0.332Ω、额定转速 s n=1420rpm、转子自感r L＝0.0016H、级对数p n＝2、互感m L＝0.08H、转动惯量J=0.6Kgm2 要求完成的主要任务: （1）设计系统原理图; （2）用MATLAB设计系统仿真模型； （3）能够正常运行得到仿真结果,包括转速、转矩等曲线，并将推算转速与实际转速进行比较 参考文献： [1] 洪乃刚.《电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真》.北京：机械 工业出版社，2005:212-215 时间安排： 2011年12月5日至2011年12月14日，历时一周半，具体进度安排见下表 具体时间设计内容 12.5 指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介 绍；学生确定选题，明确设计要求 12.6－12.9 开始查阅资料，完成方案的初步设计 12.10—12.11 由指导老师审核设计方案，学生修改、完善并对其进行分析 12.12－12.13 撰写课程设计说明书 12.14 上交课程设计说明书，并进行答辩 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日
摘要 异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得高动态调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电机的调速方案。矢量控制是目前交流电动机较先进的一种动态模型,它又有基于转差频率控制的、无速度传感器和有速度传感器等多种矢量控制方式。无速度传感器控制的高性能通用变频器是当前全世界自动化技术和节能应用中受到普遍关心的产品和开发课题。本文介绍无速度传感器的矢量控制系统的原理和Matlab仿真。 关键词：矢量控制、无速度传感器、Matlab
滑模控制方法文献学习 1 / 4 积分滑模控制方法 1.1 积分滑模控制[1] 滑模变结构控制的基本概念 对于一般的存在模型不确定性和外部扰动的非线性动态系统，滑模控制技术起源于变结构系统理论。滑模在变结构系统理论中起主要作用，变结构系统控制算法的核心思想在于enforcing this type of motion in some mainfolds in system space 。传统地，这些mainfolds 由状态空间的超平面相交构成，通常称为开关平面。当系统状态到达开关平面后，反馈控制系统结构自适应变化为趋势系统状态沿着开关平面滑动，因此，系统响应将取决于开关平面的梯度并保持对系统参数变化和外部扰动的不敏感性，这种运动成为滑模。滑模运动阶段运动方程的阶数为，其中为状态空间维数，为控制输入的维数。但是，在趋近阶段（滑模阶段到达之前），系统不具备这种不敏感特性，因此，传统滑模控制不能保证对全局响应的不敏感性。通常可通过高增益反馈控制提高趋近阶段的鲁棒性，但是不可避免会引入稳定性问题。 积分滑模的基本思想 积分滑模的思想集中于实现全局状态空间的鲁棒运动，运动方程的阶数与状态空间的维数相同。因此，积分滑模控制方法可以保证从初始时刻开始的状态空间全局鲁棒性。积分滑模控制的设计步骤为在已知非线性系统和合理设计的反馈控制基础上，在控制律中加入不连续控制项以抵消未知动态和外部扰动。另外，利用积分滑模设计扰动估计器可实现连续控制，并消除抖振，同时保证滑模控制的强鲁棒性和高精度。 积分滑模的基本原理 对于如下状态空间形式动态系统 (0-1) 其中。假设存在连续或者非连续反馈控制律使得系统(0-1)稳定（如在给的的精度范围内，系统状态轨迹可跟踪参考轨迹）。定义该理想闭环控制系统如下： (0-2) 其中为理想系统在控制律下的状态轨迹。但是系统(0-1)往往存在参数变化、未建模动态和外部扰动等不确定性，因此，实际控制系统可表示为 (0-3) 其中 表示系统总的摄动并且满足如下匹配条件（matching condition ） (0-4) 或者亦可表示如下 (0-5)
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/fc8813638.html, 浅谈交流电机无速度传感器控制策略 作者：吴宏宇吴兴宇史运涛 来源：《科技风》2016年第24期 摘要：目前，随着工业自动化的不断发展，交流电机将会被广泛使用。同时由于无速度 传感器技术具有低成本与高可靠性等优点，所以发展交流电机无速度传感器技术，对于提高科技生产力以及工业自动化具有极其重要的意义。本文将简要介绍高性能无速度传感器交流电机控制策略，一种是异步电机与速度自适应全阶观测器相结合，另一种永磁同步电机与滑模观测器相结合的控制方法，旨在进一步促进高性能无速度传感器交流电机控制策略的发展。 关键词：交流电机；无速度传感器；全阶观测器；滑模观测器 随着电力电子技术、微电子技术、现代电机控制理论的迅速发展，交流电机获得快速的推广与应用[ 1 ]。目前，在高性能交流电机控制领域中矢量控制[ 2 ]已经被广泛应用。在实际应用中，为了进一步提高交流电机在不同环境下运行的可靠性，交流电机无速度传感器控制技术被提出。无速度传感器控制方法主要分为两大类，一种为外部信号注入，这种方法只适应于极低速的工况运行，同时额外的信号注入会带来高损耗、噪声等问题。另一种为基于交流电机模型的方法，如：模型参考自适应[ 3 ]、卡尔曼滤波[ 4 ]、滑模观测器[ 5 ]、自适应全阶观测器[ 6 ]等方法，这些方法具有很高的控制精度以及鲁棒性。 本文将重点介绍自适应全阶观测器、滑模观测器与矢量控制在交流电机无速度传感器技术中的应用。 1 速度自适应全阶观测器 对于异步电机来说，定子磁链和电磁转矩通常无法直接得到，一般是采用实时测量的电压电流信息和电机参数，并根据电机数学模型构造观测器来对内部的状态变量进行估计。全阶观测器在较宽范围内都有很高的观测精度[ 7 ]，通过引入速度自适应环节后可以在观测定子磁链的同时估计电机转速，实现无速度传感器控制。 在全阶观测器的设计中，反馈增益矩阵与自适应率系数的设计直接关系到系统的稳定性、鲁棒性以及收敛速度[ 7 ]。为了保证系统的稳定性与收敛性，本文将介绍一种采用极点左移的方法来设计增益矩阵并对其进行简化，最终得到一个常数增益矩阵。引入速度自适应环节，可以利用李雅普诺夫函数推导出转速估计的自适应率[ 7 ]，在实际应用中为了保证估计转速的收敛速度一般采用PI调节器来代替纯积分环节。 2 滑模观测器 在无速度传感器永磁同步电机控制策略中，滑模观测器被广泛应用，因为其具有结构简单、鲁棒性强以及快速的动态响应[ 8 ]。滑模观测器的主要思想是通过选取滑模面与滑模增益
交流感应电动机无速度传感器的 高动态性能控制方法综述 清华大学 杨耕 上海大学 陈伯时 摘要:文章分析了交流感应电机无速度传感器的高动态性能控制方案的控制要点。在介绍国内外产业界已实用化的、以及正在研发中的几种代表性的控制策略的同时,讨论了各种方法理论要点和实际应用中的特点。最后,介绍了当前的几个研究热点问题并就发展方向提出了一点设想。 关键词:异步电动机控制 无速度传感器 转矩控制 磁链观测 速度辨识 Rev iew the M ethods for the Speed Sen sor-less Con trol of I nduction M otor Yang Geng Chen Bo sh i Abstract:T h is paper analyzes theo retical po ints of the i m p lem entati on fo r h igh perfo r m ance contro l of in2 ducti on mo to r w ithout speed senso r.A fter that,typ ical app roaches of the contro l strategy,w h ich are used in p ractical p roducts o r are being developed recently,are p resented and the characteristic of each app roach is dis2 cussed.F inally,som e unso lved p roblem s being researched as w ell as the develop ing po tentials are introduced. Keywords:contro l of inducti on mo to r speed senso r2less to rque contro l flux observer speed identifica2 ti on 1 前言 交流感应电机的无速度传感器高动态性能控制,是为了实现与有速度传感器的矢量控制(或直接转矩控制)相当的转矩和速度性能的方案,被用于无法设置速度传感器的设备或新一代高性能通用变频器之中[1,2]。相关的理论与技术也成为近10年来交流传动领域的热门研发内容之一。 本文主要综述在无速度传感器的前提下,具有速度反馈控制环的矢量控制方案(V C)和直接转矩控制方案(D TC),而不讨论诸如“V F控制+为补偿负载变动的滑差补偿”等只考虑静态的方法。本文在介绍各种方法的同时,综述其理论要点和实际应用中的特点、介绍所应用的厂家,从中总结出实现高动态性能控制的要点及主要成果。最后,介绍当前几个研究热点问题。 2 控制方法 211 方法分类的出发点 一般地,由转矩控制环及速度控制环构成的无速度传感器矢量控制(或直接转矩控制)系统由图1所示的3个环节构成。即:①速度调节器;②磁链和转矩控制器;③速度推算或辨识器(含磁链计算或观测) 。 图1 无速度传感器控制系统构成 对于环节②,需要控制转矩和磁链。由此可以分为:a以转子磁链定向控制为基础的矢量控制策略。目前常用的有计算滑差频率的被称为间接法(I V C)和把状态观测器观测到的转子磁链进行反馈控制的直接法(DV C)。b以控制定子磁链为特点的,被称之为直接转矩控制策略(D TC)。 环节③的结构依存于环节②的结构。实际上在计算或推定速度值时,常常也要获得(计算或观测)磁链(转子的或是定子的)值。因此,按其理论上的特点,可以把获得转速和磁链的方法大致分 3 电气传动 2001年 第3期
滑模变结构理论 一、引言 滑模变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制,其非线性表现为控制的不连续性,这种控制策略与其它控制的不同之处在于系统的“结 构”并不固定,而是可以在动态过程中根据系统当前的状态(如偏差及其 各阶导数等)有目的地不断变化,迫使系统按照预定“滑动模态”的状态 轨迹运动。由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关,这就使 得变结构控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线 辩识,物理实现简单等优点。该方法的缺点在于当状态轨迹到达滑模面后,难于严格地沿着滑模面向着平衡点滑动,而是在滑模面两侧来回穿越, 从而产生颤动。滑模变结构控制出现于20世纪50年代,经历了 50余年 的发展,已形成了一个相对独立的研究分支,成为自动控制系统的一种一 般的设计方法。以滑模为基础的变结构控制系统理论经历了 3个发展阶 段.第1阶段为以误差及其导数为状态变量研究单输入单输出线性对象的 变结构控制; 20世纪60年代末开始了变结构控制理论研究的第2阶段, 研究的对象扩大到多输入多输出系统和非线性系统;进入80年代以来, 随着计算机、大功率电子切换器件、机器人及电机等技术的迅速发展, 变 结构控制的理论和应用研究开始进入了一个新的阶段, 所研究的对象已 涉及到离散系统、分布参数系统、滞后系统、非线性大系统及非完整力 学系统等众多复杂系统, 同时,自适应控制、神经网络、模糊控制及遗传 算法等先进方法也被应用于滑模变结构控制系统的设计中。 二、基本原理 带有滑动模态的变结构控制叫做滑模变结构控制(滑模控制)。所谓滑动模态是指系统的状态被限制在某一子流形上运动。通常情况下,系统 的初始状态未必在该子流形上,变结构控制器的作用在于将系统的状态 轨迹于有限时间内趋使到并维持在该子流形上,这个过程称为可达性。系 统的状态轨迹在滑动模态上运动并最终趋于原点,这个过程称为滑模运 动。滑模运动的优点在于,系统对不确定参数和匹配干扰完全不敏感。下 图简要地描述了滑模变结构控制系统的运动过程,其中S(t)为构造的切 换函数(滑模函数), S(t)=0为滑模面。
无速度传感器 在高性能的异步电机矢量控制系统中，转速的闭环控制环节一般是必不可少的。通常，采用光电码盘等速度传感器来进行转速检测，并反馈转速信号。但是，由于速度传感器的安装给系统带来一些缺陷：系统的成本大大增加；精度越高的码盘价格也越贵；码盘在电机轴上的安装存在同心度的问题，安装不当将影响测速的精度；电机轴上的体积增大，而且给电机的维护带来一定困难，同时破坏了异步电机的简单坚固的特点；在恶劣的环境下，码盘工作的精度易受环境的影响。因此，越来越多的学者将眼光投向无速度传感器控制系统的研究。国外在20世纪70年代就开始了这方面的研究，但首次将无速度传感器应用于矢量控制是在1983年由R．Joetten完成，这使得交流传动技术的发展又上了一个新台阶，但对无速度传感器矢量控制系统的研究仍在继续。 2无速度传感器的控制方法 在近20年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究，无速度传感器控制技术的发展始于常规带速度传感器的传动控制系统，解决问题的出发点是利用检测的定子电压、电流等容易检测到的物理量进行速度估计以取代速度传感器。重要的方面是如何准确地获取转速的信息，且保持较高的控制精度，满足实时控制的要求。无速度传感器的控制系统无需检测硬件，免去了速度传感器带来的种种麻烦，提高了系统的可靠性，降低了系统的成本；另一方面，使得系统的体积小、重量轻，而且减少了电机与控制器的连线，使得采用无速度传感器的异步电机的调速系统在工程中的应用更加广泛。国内外学者提出了许多方法。 （1）动态速度估计法主要包括转子磁通估计和转子反电势估计。都是以电机模型为基础，这种方法算法简单、直观性强。由于缺少无误差校正环节，抗干扰的能力差，对电机的参数变化敏感，在实际实现时，加上参数辨识和误差校正环节来提高系统抗参数变化和抗干扰的鲁棒性，才能使系统获得良好的控制效果。 （2）PI自适应控制器法其基本思想是利用某些量的误差项，通过PI自适应控制器获得转速的信息，一种采用的是转矩电流的误差项；另一种采用了转子q轴磁通的误差项。此方法利用了自适应思想，是一种算法结构简单、效果良好的速度估计方法。 （3）模型参考自适应法（MRAS）将不含转速的方程作为参考模型，将含有转速的模型作为可调模型，2个模型具有相同物理意义的输出量，利用2个模型输出量的误差构成合适的自适应律实时调节可调模型的参数（转速），以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的。根据模型的输出量的不同，可分为转子磁通估计法、反电势估计法和无功功率法。转子磁通法由于采用电压模型法为参考模型，引入了纯积分，低速时转子磁通估计法的改进，前者去掉了纯积分环节，改善了估计性能，但是定子电阻的影响依然存在；后者消去了定子电阻的影响，获得了更好的低速性能和更强的鲁棒性。总的说来，MRAS是基于稳定性设计的参数辨识方法，保证了参数估计的渐进收敛性。但是由于MRAS的速度观测是以参考模型准确为基础的，参考模型本身的参数准确程度就直接影响到速度辨识和控制系统的成效。 （4）扩展卡尔曼滤波器法将电机的转速看作一个状态变量，考虑电机的五阶非线性模型，采用扩展卡尔曼滤波器法在每一估计点将模型线性化来估计转速，这种方法
无刷直流电机无位置传感器控制方法综述所谓的无位置传感器控制，正确的理解应该是无机械的位置传感器控制。在电机运转的过程中，作为逆变桥功率器件换向导通时序的转子位置信号仍然是需要的，只不过这种信号不再由位置传感器来提供，而应该由新的位置信号检测措施来代替，即以提高电路和控制的复杂性来降低电机的复杂性。所以，目前永磁无刷直流电机无位置传感器控制研究的核心和关键就是架构一转子位置信号检测线路，从软硬件两个方面来间接获得可靠的转子位置信号，借以触发导通相应的功率器件，驱动电机运转。 1.反电势过零点法（端电压法）：基于反电动势过零点的转子位置检测方法是 在忽略永磁无刷直流电机电枢反应影响的前提下。通过检测断开相反电动势过零点。依次得到转子的六个关键位置信号。但是存在如下缺点：反电动势正比于转速，低速时不能通过检测端电压来获得换相信息故这种方法严重影响了电机的调速范围。使电机起动困难；续流二极管导通引起的电压脉冲可能覆盖反电动势信号。尤其是在高速、重载、或者绕组电气时间常数很大等情况下，续流二极管导通角度很大，可能使得反电动势法无法检测。 反电势过零检测法的改进策略：针对以上缺点,利用神经网络的非线性任意逼近特性, 提出一种基于神经元网络的电机相位补偿控制。首先由硬件电路获得有效的反电动势信息, 再利用BP 神经网络进行正确相位补偿, 实现无刷直流电机的无位置传感器控制, 获得了较好的效果[1]。还有一种采用人工神经元网络的永磁无刷直流电机反电势预测新方法, 采用神经元网络方法对永磁无刷直流电动机反电势波形准确预测的结果进一步用于电机动、静态特性的仿真或预测, 这将比假设电机反电势波形为理想正弦波或梯形波所进行的仿真更接近电机的实际运行结果。较之传统的路和场的计算方法, 达到了快速性和准确性的统一, 且由于神经元网络的自学习神经元网络成功训练后, 就可以用以预测所研究类型的永磁无刷直流电机的反电势波形[2]。 直接检测法，通过比较逆变器直流环中点电压和电机断开相绕组端电压的关
无刷直流电机的滑模控制器的设计与仿真 摘要 舵伺服系统在航空航天领域，有着广泛应用和重要的研究价值。应用无刷直流电机作为舵系统执行器，可以增大系统输出转矩，实现系统小型化。本文基于无刷直流电机执行器，利用 DSP 与 FPGA 结合的核心处理单元，应用滑模变结构控制策略，实现舵机系统伺服，提高舵系统抗扰性和信号响应的快速性；并在系统中加入滑模观测器，实现对于系统内部状态量的观测，为实现无位置传感器控制提供条件本文应用无刷直流电机作为舵系统执行器，通过分析和设计滑模变结构控制算法，实现舵系统位置伺服控制，利用滑模变结构控制策略的特性，提高系统对于扰动和内部参数摄动的鲁棒性，与基于传统控制策略的伺服机构相比，系统的抗扰性得到了提高。并在系统中引入滑模观测器，利用电流、电压传感器采样相电流和相电压作为该观测器的给定量，观测出电机的速度，转子运动换相位置信号和三相反电动势波形，从而实现电机的无位置传感器控制。 本文通过分析舵伺服机构的主要结构和工作原理，根据实际系统技术要求，设计出基于电动伺服系统的数字控制器。利用 DSP 强大的数据处理能力和 FPGA 并行运算能力，实现设计的控制算法，提高舵系统的性能。通过 MATLAB 中 Simulink 环境下构建理想系统模型，应用滑模控制算法，进行模型仿真。通过系统仿真分析，设计出满足离散系统的滑模控制器参数。通过 DSP 与 FPGA 结合的核心处理单元实现滑模变结构控制算法，应用于舵伺服系统中[1]。最后，通过完成整体硬件与软件平台设计，实现对舵伺服系统的控制。通过仿真和实验结果分析，验证了滑模控制具有强鲁棒性和抗扰性，满足舵系统对于快速性和抗扰性的技术要求，提高了系统 整体控制性能。 关键字：滑模控制；滑模观测器；无刷直流电机；舵伺服系统；DSP+FPGA
无位置传感器控制技术是无刷直流电机研究的热点之一，国内外相关研究已经取得阶段性成果。 在无刷直流电机工作过程中，各相绕组轮流交替导通，绕组表现为断续通电。在绕组不通电时，由于绕组线圈的蓄能释放，会产生感应电动势，该感应电动势的波形在绕组两端有可能被检测出来。利用感应电动势的一些特点，可有取代转子上的位置传感器功能，来得到需要的换相信息。由此，就出现了无位置传感器的无刷直流电动机。 尽管无位置传感器控制方式使得转子位置检测的精确度有所降低，但由于取消了位置传感器，电机的结构更加简单，安装更加方便，成本降低，可靠性进一步提高，在对体积和可靠性有要求的领域以及不适合安装位置传感器的场合，无位置传感器无刷直流电机应用广泛。 无位置传感器控制方式下的无刷直流电机具有可靠性高、抗干扰能力强等优点，同时在一定程度上克服了位置传感器安装不准确引起的换相转矩波动。 无位置传感器技术是从控制的硬件和软件两方面着手，以增加控制的复杂性换取电机结构复杂性的降低。 以采用120o电角度两两导通换相方式的三相桥式Y接无刷直流电机为例，讨论基于现代控制理论和智能算法的无刷直流电机无位置传感器控制方法。 转子位置间接检测法 目前无刷直流电机中主要采用电磁式、光电式、磁敏式等多种形式的位置传感器，但位置传感器的存在限制了无刷直流电机在某些特定场合的应用，主要体现在： 1、位置传感器可使电机系统的体积增大； 2、位置传感器使电机与控制系统之间导线增多，使系统易受外界干扰影响； 3、位置传感器在高温、高压和湿度较大等恶劣工况下运行时灵敏度变差，系统运行 可靠性降低 4、位置传感器对安装精度要求较高，机械安装偏差引起的换相不准确直接影响电机 的运行性能。 无位置传感器控制技术越来越受到重视，并得到了迅速发展。依据检测原理的不同，无刷直流电机无位置传感器控制方法主要包括反电势法、磁链法、电感法及人工智能法等。 反电势法 反电势法（感应电动势过零点检测法）目前是技术最成熟、应用最广泛的一种位置检测方法。该方法将检测获得的反电势过零点信号延迟30o电角度，得到6个离散的转子位 置信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，进而实现无刷直流电机的无位置传感器控制。 无刷直流电机反电势过零点与换相时刻的对应关系如图所示，图中e A、e B、e C为相位互差120o电角度的三相梯形波反电势，Q1~Q6为一个周期内的6个换相点，分别滞后相应反电势过零点30o电角度。
无速度传感器说明： 在现代交流调速系统中，为了获得高性能的转速控制，采用了速度闭环控制，必须在电机轴上安装速度传感器。但在实际系统中，速度传感器的安装往往受到一些限制，主要存在以下几个问题[3,4]： 1) 速度传感器的安装降低了系统的鲁棒性和简单性； 2) 高精度的速度传感器价格一般比较贵，增加了系统成本； 3) 在一些恶劣的条件下（如高温、潮湿等），速度传感器的安装会降低系统 的可靠性； 4) 速度传感器的安装存在一些困难，如果安装不当会成为系统的一个故障 源。 为了避免这些问题，使得人们转而研究无需速度传感器的电机转速辨识方法。近年来，这项研究也成为交流传动的一个热点问题。国外在20世纪70年代开始了这方面的研究。而首次将无速度传感器应用于矢量控制是在1983年由R.Joetten 完成的，这使得交流传动技术的发展又上了一个新的台阶。在其后的十几年中，国内外的学者在这方面做了大量的工作，到目前为止，提出了许多种方法，大体上可以分为：①动态转速估计器；②模型参考自适应（MRAS ）；③基于PI 调节器法；④自适应转速观测器；⑤转子齿谐波法；⑥高频注入法；⑦基于人工神经元网络的方法。 以下分别讨论动态转速估计器，模型参考自适应（MRAS ），基于PI 调节器法，滑模变结构观测器，在第二章建立的异步电机矢量控制仿真实验平台上仿真。 动态转速估计器[3] 这种方法从电机的电磁关系式，转速的定义中得到关于转差的表达式。电机角速度等于同步角速度s ω与转差角速度sl ω之差。 s sl ωωω=- （3-1） 同步角速度可以由静止坐标系下的定子电压方程式推得，由图3-1矢量关系可知 2 2 s s s s s s s s s s d d arctg dt dt p p βαβααβ αβ ωθψ? ?==?? ψ?? ψψ-ψψ= ψ+ψ （3-2）