滑模控制永磁同步电动机的矢量控制技术
永磁同步电动机/滑模控制/抖振削弱/边界层
1 引言
永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、没有机械换向器、坚固耐用、无需太多维护的优点。这些使得永磁同步电动机在数控机床、航空航天等领域中得到广泛应用。目前永磁同步电动机大多采用矢量控制，包括由PI调节器构成的速度和电流的双闭环。这样的系统具有结构简单、稳定性好、稳态精度高等优点，但存在响应不够快速和抗负载扰动能力有限等弊端。高性能的永磁同步电动机控制系统需要同时具备快速的响应能力、极强的抗扰能力以及无超调、无静差、精度高的特点。传统的PI控制是利用不变的参数来处理变化的动态过程，因此很难解决快速性和准确性的矛盾。
近些年来，一些现代控制理论相继被引入到交流调速系统中。其中滑模变结构控制不受参数变化和外部扰动的影响，具有很好的自适应性和鲁棒性。同时这种控制方法无需对系统的精确观测，控制算法相对简单，易于数字化实现，使得它得到研究人员的重视。现在对于滑模变结构控制器的研究重点主要在控制律的求取和简化以及抖振的消除。
本文针对永磁同步电动机矢量控制系统，设计了滑模变结构的转速控制器。采用积分方式的变结构控制策略，对滑模速度控制系统进行一阶建模，在滑模线的设计中引入状态的积分项，省去实现滑模速度控制所必需的加速度信号。并与传统的PI控制器进行了比较研究，结果表明滑模变结构转速控制器具有良好的动态性能和较强的抗干扰能力。
2 永磁同步电动机数学模型
为便于分析，作如下假设：忽略铁心饱和；不计涡流和磁滞损耗；反电势为正弦波形。对于表贴式永磁同步电动机，可以得到其在d、q坐标系下的电压及磁链方程。
(1)
(2)
式中ud，uq；id，iq；Ld，Lq分别为d、q轴电压、电流及电感；Rs为定子电阻；Ψf为永磁体产生的磁链；ωr为转子电角速度；p为微分算子。
《工业控制计算机｝２０１２年第２５卷第３期 １Ｏ３
永磁同步电机滑模变结构矢量控制
Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｓｌｉｄｉｎｇ Ｍｏｄｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ＰＭＳＭ Ｖｅｃｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏ
鄢文进 （福建省厦门大学信息科学与技术学院自动化系，福建厦门３６１００５）
摘要
将滑模变结构控制策略引入永磁同步电机矢量控制中，以提高永磁同步电机矢量控制系统的响应速度，增强其鲁棒
性。叙述了滑模变结构的基本原理，给出了永磁同步电动机滑模变结构模型，推导了滑模变结构控制律，并分析了抖动产
生原因及相应对策。仿真结果表明，该控制策略极大地改善了系统的动、静态性能，对系统参数和外部干扰表现出较强的
鲁棒性，是永磁同步电机矢量控帝】中一种新颖的改进控制方式。
关键词：永磁同步电机，矢量控制，滑模变结构
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ａ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｌｉｄｉｎｇ ｍｏｄｅ（ＶＳＳ）ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｅｄ
ａｎｄ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍａｃｈｉｎｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｘｐｌａｉｎｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ
ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ＶＳＳ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＶＳＳ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ＰＭＳＭ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ，ｄｅｒｉｖａｔｅｓ ｔｈｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｓｌｉｄｉｎｇ Ｍｏｄｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｌａｗ．
ａｎｄ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅ ｏｆ ｗｏｂｂｌｅ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｈａｓ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ
控制理论及其应用 《电气自动化｝２００６年第２８卷第６期 Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｈｅｏｒｅｍｓ＆Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
直线永磁同步电机的新型滑模控制六
Ａ Ｎｅｗ Ｓｌｉｄｉｎｇ Ｍｏｄｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ＬＰＭＳＭ
浙江工业大学信息工程学院（杭州３１００１４）仇翔俞立南余荣
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｑｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３ １ ００ １ ４）Ｑｉｕ Ｘｉａｎｇ Ｙｕ Ｌｉ Ｎａｎ Ｙｕｒｏｎｇ
摘要：针对直线永磁同步电机提出了一种基于负载推力观测器的新型滑模变结构控制，从而实现对推力扰动的补偿。且大大削弱了推
力纹波及系统的抖振；在滑动模态中引入积分环节来进一步｝肖除系统的稳态误差和系统抖振。仿真结果表明该方案能提高系统
对参数摄动和外在阻力扰动的鲁棒性。
关键词：直线永磁同步电机滑模变结构控制负载推力观测器
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｓｌｉｄｉｎｇ ｍｏｄｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｌｏａｄ ｔｈｒｕｓｔ ｏｂｓｅｒｖｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｌｉｎｅａｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ
（ＬＰＭＳＭ），ｔｈｕｓ ｃｏｍｐｅｎｓａｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｈａｔｔｅｒｉｎｇ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｌ ａｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｌｉｄｉｎｇ
ｍｏｄｅ，ｆｕｒｔｈｅｒ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｒｅｍｏｖｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｅｒｒｏｒ ａｎｄ ｃｈａｔｔｅｒｉｎｇ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ ｃａｎ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｈａｖｅ
永磁直线同步电机无传感器控制策略综述
介绍了几种无传感器控制技术在永磁直线同步电机控制策略中的应用，针对不同期望特性的控制系统，应选取合适的控制策略，才能满足伺服系统的要求。
1 永磁直线同步电机的工作原理与数学模型
1.1 电机的工作原理
与旋转电机类似，永磁直线同步电机的工作原理也是利用电磁作用将电能转化为动能。在电机的初级端的三相绕组施加三相对称正弦电流，气隙中会产生气隙磁场，且该磁场并不是旋转的，而是沿着直线方向呈正弦分布，称为行波磁场。行波磁场与次级端的永磁体相互作用，就会产生电磁推力。在电磁推力的作用下，初级沿着行波磁场的运动的反方向做直线运动。
1.2 电机的数学模型
为简化分析电机的数学模型，理想状态下电机在坐标系下的动态方程为：
式中Ld、Lq分别为交直轴电感；id、iq分别为交直轴的电流分量；？鬃d、？鬃q分别为交直轴轴磁链；？棕r为动子等效角速度，？鬃f为动子永磁体磁链，R为定子电阻。 2 无传感器控制策略在直线电机伺服系统中的应用
2.1 滑模变结构控制策略
滑模变结构控制的基本原理是根据控制系统期望的控制效果设计一个切换超平面，在不连续的控制律作用下，使系统结构不断地变换，并不断地观测定子的电流的大小，保证观测的电流值与实际的定子电流值误差较小，使系统在一定条件下沿期望的状态轨迹作高频小幅度上下运动。通过这种高频率的来回调节，强迫系统的状态沿着超平面向平衡点滑动，使系统最后渐进稳定在平衡点的允许范围内，即滑动模态运动，如图1所示。滑模变结构控制策略结构简单、响应速度快，又由于可以设计其滑动模态，抗干扰能力较强，系统鲁棒性好，但存在着系统不能自起动，严重依赖电机参数等问题。
2.2 模型参考自适应控制策略
模型参考自适应控制策略的基本原理是将全含已知参数的系统方程作为参考模型，将含有未知参数的系统方程作为可调模型，且这两个模型的输出量物理意义相同。系统运行时，参考模型和可调模型同时启动，并利用二者输出量的差值，根据系统自适应机构设置的自适应控制算法来调节可调模型的控制参数，从而实现控制系统的输出量在线实时跟踪系统的参考模型，控制策略的原理图如图2所示。模型参考自适应控制策略基于稳定性设计，具有较好地全速域稳定性和动态性能，但也存在着运算复杂，参考模型的选取依赖电气参数，且系统的鲁棒性较差等问题。 2.3 扩展卡尔曼滤波器控制策略
