基于扩张状态观测器的永磁同步电机全阶滑模变结构位置伺服控制方法

【技术领域】

[0001] 本发明涉及一种永磁同步电机全阶滑模变结构位置伺服控制方法，特别是系统部 分状态和非线性不确定项上界均未知的永磁同步电机系统的全阶滑模控制控制方法。

【背景技术】

[0002] 在永磁同步电机中，传统的控制方法中由于控制增益的过高以及符号函数的存 在，导致其存在一定的抖振问题。对于高性能永磁同步电机位置伺服系统中，如何削弱滑模 控制中的抖振现象，是一个亟待解决的关键技术难题，影响了电机系统的精确定位和位置 跟踪性能，严重时甚至会对电机系统本身造成损害。为解决滑模控制中的抖振问题，减轻永 磁同步电机中抖振带来的不良影响，改善系统的工作性能，有必要采用适当的控制方法， 实现电机输出位置对期望轨迹的快速精确跟踪。

[0003] 目前，在消除抖振的研宄方面，各种改进的滑模控制方法已被提出，如用饱和函数 代替符号函数来设计控制器、积分时变滑模控制器和自适应滑模控制器。此外，近几年也提 出了将扰动观测器和扩张状态观测器与滑模控制相结合，用于永磁同步电机的调速控制和 无抖振滑模控制方法。该控制器是一种全阶滑模控制器，与传统的降阶滑模控制器相比，优 势在于控制信号是连续的，能够有效避免滑模控制抖振现象。本发明针对带有未知摩擦力 矩和模型不确定项的永磁同步电机位置伺服系统，设计基于扩张状态观测器的永磁同步电 机全阶滑模变结构位置伺服控制方法，实现电机输出位置对期望轨迹的快速精确跟踪。

【发明内容】

[0004] 为了克服带有未知摩擦力矩和模型不确定项的永磁同步电机位置伺服系统中滑 模控制存在抖振现象的不足，本发明提供一种基于扩张状态观测器的永磁同步电机全阶滑 模变结构位置伺服控制方法，更好地避免滑模控制抖振现象。采用扩张状态观测器估计系 统状态以及不确定项，并基于估计值设计全阶滑模控制方法，抑制滑模控制中的抖振问题， 并实现电机输出位置对期望轨迹的快速精确跟踪。

[0005] 为了解决上述技术问题提出的技术方案如下：

[0006] 一种基于扩张状态观测器的永磁同步电机全阶滑模变结构位置伺服控制方法，包 括以下步骤：

[0007] 步骤1，建立永磁同步电机系统，初始化系统状态以及控制参数；

[0008] 1. 1，在d/q旋转坐标系下，永磁同步电机电压方程、转矩方程和运动方程分别为：

【主权项】

1. 一种基于扩张状态观测器的永磁同步电机全阶滑模变结构位置伺服控制方法，其特 征在于：包括以下步骤： 步骤1，建立永磁同步电机系统，初始化系统状态以及控制参数； 1. 1，在d/q旋转坐标系下，永磁同步电机电压方程、转矩方程和运动方程分别为：

其中，ud、Uq分别为定子电压在d、q轴上的分量；i d、iq分别为定子电流在d、q轴上的 分量；R为定子电阻；Ld、Lq分别为定子电感在d、q轴上的分量；p n为极对数；ω为转子角速 度；J为转动惯量；B为摩擦系数；Te为电磁转矩；?\为负载转矩；Φ f为永磁体基波励磁磁 链； 1.2,由式(1)-(3)，得到永磁同步电机位置环的二阶动态方程为

其中沘=1.5?111]^/7，(1为未知摩擦力矩和负载力矩组成的扰动，(1 = -(1\+8〇)/7; 1. 3，根据扩张状态观测器的设计思想，状态变量Xi, i = 1，2, 3，令X1= θ，X 2= ω， 并定义扩展状态X3= a(t)，则式(4)写为以下等效形式 y = Xi= 9 ' '

其中，《⑴=i/ +&; Κ，ζ为给定q轴电流参考输入，bQ为b的估计值，A =雄)，u为 控制输入，《 = (，y为永磁同步电机的实际输出位置； 步骤2,扩张状态观测器设计； 令Zi，i = 1，2, 3,分别为式(5)中状态变量Xi的观测值，定义观测误差为ε i= z i-Xi， 则非线性扩张状态观测器表达式为：

其中，β2, β3均为观测器增益，β i，β2, f33>〇.fal(·)为原点附近具有线性段 的连续幂次函数，表达式为：

(8) 其中，S表示线性段的区间长度，δ > 〇,〇 < a f 1，i = 1，2, 3, sign( ε D为符号 函数，表达式为：

步骤3,基于扩张状态观测器的全阶滑模控制器设计； 3. 1，定义跟踪误差e为 e = y_yd= X「yd (9) 其中yd为期望轨迹； 则跟踪误差e的一阶和二阶导数分别为 和

3.2,根据式(9)-(11)，设计如下全阶滑模面s : s = e + λ2? + JilC (12) 其中，λ廊λ 2为控制参数，λ ^ 〇, λ 2> 〇 ; 将式(9)-(11)代入式(12)得

由式(13)，基于扩张状态观测器的全阶滑模控制器设计为

3. 4,设计李雅普诺夫函数： V = O. 5s2 (20) 将式(5)，(12)，(14)-(17)代入到式(20)，如果;>

【专利摘要】一种基于扩张状态观测器的永磁同步电机全阶滑模变结构位置伺服控制方法，包括:建立永磁同步电机系统，初始化系统状态以及相关控制参数；扩张状态观测器设计；基于扩张状态观测器，设计全阶滑模控制器，消除滑模控制中的抖振问题，并保证系统状态可快速稳定收敛至零点。本发明提出一种全阶滑模变结构位置伺服控制方法，能够改善滑模控制抖振问题并提高系统控制精度，确保实现电机输出位置对期望轨迹的快速精确跟踪。

【IPC分类】H02P21-00

【公开号】CN104682805

【申请号】CN201510029822

【发明人】陈强, 翟双坡

【申请人】浙江工业大学

【公开日】2015年6月3日

【申请日】2015年1月21日