关键词:
PMSM
超扭曲算法
SVPWM
滑模观测器
滑模控制器
摘要:
永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)作为多变量耦合的非线性动态模型,其输入输出特性呈现强关联性,但PMSM在实际运行中存在环境扰动敏感和参数时变特性,所以急需构建适应能力强和抗干扰性能好的先进控制算法,以保障电机在正常运行和受外界扰动时的品质及能效优化。滑模变结构控制(Slider-Mode Variable Structure Control,SMC)凭借其强鲁棒特性,在电机控制领域得到广泛应用,但其存在的高频抖振问题会降低电机控制系统的性能。因此,对传统滑模控制进一步优化以抑制高频振荡并提升稳态跟踪精度是很有必要的。本文具体研究内容如下。
首先,基于仿真数据研究了永磁同步电机在固定参考系中的数学描述,同时探讨了坐标转换和空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)技术的基本原理,进而构建了基于di=0的永磁同步电机空间矢量控制系统,研究了控制策略在外部扰动和负载变化下的性能变化。
其次,介绍了传统滑模控制原理并设计滑模控制器。针对传统滑模控制策略表现出显著过冲与高频振荡现象及参数敏感等问题,在传统滑模控制的基础上引入超扭曲算法设计一种基于饱和函数的快速超扭曲滑模控制器并通过Lyapunov函数证明了所设计控制器的系统稳定性。本文所提出的新型控制器通过引入线性补偿项构建复合增益结构,有效克服了传统超扭曲算法因非线性比例项引起的超调和高频振荡以及控制参数易受外界扰动影响等固有缺陷。通过Matlab/Simulink仿真,对比分析传统滑模控制器与基于饱和函数的超扭曲滑模速度控制器,验证本文所提方法的可行性与有效性。
最后,为解决传统滑模观测器(Sliding Mode Observer,SMO)存在的抖振现象,本研究提出了一种采用超扭曲算法(Super Twisting Algorithm,STA)的滑模观测器永磁同步电机空间矢量控制方案。该观测器基于二阶滑模的超扭曲算法,不仅继承了传统滑模控制快速响应和强鲁棒性的优势,更重要的是通过其平滑的控制输出特性,有效降低了因切换函数引发的系统抖振。为验证该方法的有效性,搭建了传统滑模观测器与超扭曲滑模观测器仿真模型,实验结果证实了所提出观测器方案能够有效降低高频抖振,改善超调等问题并且提高了观测器精度,整体控制性能相较于传统控制方案更平滑,进一步提高了对PMSM稳定且高性能控制,具有良好的工程应用前景。