PMSM雙閉環(huán)平滑非奇異終端滑?？刂?/h1>
2020-04-22 06:00王艷敏牛子銘買永鋒葛楊
電機與控制學(xué)報 2020年3期 關(guān)鍵詞：永磁同步電機
王艷敏 牛子銘 買永鋒 葛楊
摘 要：針對傳統(tǒng)滑?？刂浦懈哳l切換控制特性不適用于永磁同步電機的雙閉環(huán)矢量控制的問題，針對PMSM轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，提出一種基于魯棒微分估計器的新型平滑非奇異終端SMC方法，理論上可完全克服抖振現(xiàn)象對PMSM的性能影響，提高系統(tǒng)的動靜態(tài)特性。同時考慮到PMSM控制系統(tǒng)的非線性飽和特性造成的Windup現(xiàn)象，借鑒Antireset Windup PI控制，將轉(zhuǎn)速SNTSM控制器的輸入與輸出電流之差作為反饋信號，克服Windup現(xiàn)象誘發(fā)的超調(diào)量、動靜態(tài)性能變差等影響。基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論，證明控制器的穩(wěn)定性。通過仿真和實驗驗證所提控制方法的可行性和有效性，實現(xiàn)將SMC應(yīng)用于PMSM的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，解決了交軸最大電流限幅造成的Windup問題，響應(yīng)速度、無超調(diào)量、魯棒性等性能得到優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：滑?？刂?永磁同步電機;非奇異終端滑?？刂?抖振;windup
DOI：10.15938/j.emc.2020.03.017
中圖分類號：TM 351文獻標志碼：A文章編號：1007-449X（2020）03-0138-09
Abstract：The traditional sliding mode control （SMC） is not suitable for the double closedloop vector control of permanent magnet synchronous motors （PMSM）， due to its highfrequency switching control characteristics. For the speed control system of PMSM， a smooth double closedloop nonsingular terminal sliding mode （SNTSM） control scheme based on a robust differential estimator is proposed. It could realize the freechattering SMC， overcome the influences of chattering problem on PMSM and improve the robustness and the response speed of the system. Focused on the windup phenomenon caused by nonlinear saturation characteristics of PMSM system， the difference between the input current and output current of speed SNTSM controller was taken as a feedback signal， as Antireset Windup PI controller does， to overcome the influence such as overshoot， bad dynamic and static performances. Based on the Lyapunov theorem， the stability of controllers was proved. Simulation and experiment results proved the proposed method.
Keywords：sliding mode control; permanent magnet synchronous motor; nonsingular terminal sliding mode; chattering; windup
0 引 言
永磁同步電機（permanent magnet synchronous motors，PMSM）以其效率高、運行可靠、力能指標好、質(zhì)量輕、體積小等優(yōu)點，目前在汽車船舶、風(fēng)機水泵、醫(yī)療器械等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊[1-2]。然而，PMSM的轉(zhuǎn)速、電流、電壓等輸入/輸出量之間存在復(fù)雜的影響關(guān)系，盡管利用矢量控制技術(shù)可實現(xiàn)PMSM的模型解耦，但是耦合作用不等于簡單的干擾，PMSM的內(nèi)部參數(shù)攝動和負載等外部擾動，仍對系統(tǒng)的穩(wěn)定性及各項動靜態(tài)性能指標產(chǎn)生嚴重影響。如何實現(xiàn)強魯棒性、高性能的PMSM控制策略研究仍具有重要的研究價值[3-5]。
大量文獻表明滑?？刂疲╯liding mode control，SMC）以其實現(xiàn)簡單、抗干擾能力強等優(yōu)點而成為一種有效控制非線性系統(tǒng)的手段[6-7]。目前，SMC在PMSM中的應(yīng)用仍以傳統(tǒng)SMC為主，其中應(yīng)用最為廣泛的方法包括線性滑模[6]、終端滑模[8]和非奇異終端滑模（nonsingular terminal sliding mode，NTSM）[9]，例如文獻[10-11]。一方面，抖振問題[6]嚴重制約其實際應(yīng)用。考慮到實際系統(tǒng)硬件電路的實現(xiàn)，理論上無限快的SMC切換控制sgn（.）只能通過有限頻率的功率器件實現(xiàn)，進而誘發(fā)高頻抖振現(xiàn)象，使得實際PMSM控制器輸出表現(xiàn)為光滑的理論計算值與有限頻率和幅值的鋸齒信號的疊加，從而降低系統(tǒng)的動靜態(tài)性能，造成電機磨損和發(fā)熱，甚至破壞其穩(wěn)定性。另一方面，盡管采用諸如滯環(huán)調(diào)制、積分器/低通濾波等多種措施可以有效抑制高頻抖振信號，然而傳統(tǒng)的SMC在PMSM的應(yīng)用多采用諸如“外環(huán)PI+內(nèi)環(huán)SMC”的復(fù)合形式，難以擴展到雙閉環(huán)SMC控制。從理論上分析，外環(huán)SMC控制器的輸出sgn（.）作為輸入送到內(nèi)環(huán)，即意味著內(nèi)環(huán)SMC控制器設(shè)計時需要對高頻切換信號sgn（.）求導(dǎo)，這顯然是個難題。
同時，Windup現(xiàn)象也是影響PMSM系統(tǒng)控制性能的一個突出問題。PMSM控制系統(tǒng)包含復(fù)雜的非線性飽和特性，例如逆變器的限幅作用等，使得控制器參考輸入值和反饋值不相等，進而出現(xiàn) Windup現(xiàn)象，造成超調(diào)量過大，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)的現(xiàn)象。相比于PI控制的AntiWindup方法[12]，例如條件作用技術(shù)和系統(tǒng)綜合法，目前在PMSM滑?？刂葡到y(tǒng)的研究還略顯薄弱，但Windup問題依然存在，有必要在SMC控制器設(shè)計時進行考慮。
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Abstract：The traditional sliding mode control （SMC） is not suitable for the double closedloop vector control of permanent magnet synchronous motors （PMSM）， due to its highfrequency switching control characteristics. For the speed control system of PMSM， a smooth double closedloop nonsingular terminal sliding mode （SNTSM） control scheme based on a robust differential estimator is proposed. It could realize the freechattering SMC， overcome the influences of chattering problem on PMSM and improve the robustness and the response speed of the system. Focused on the windup phenomenon caused by nonlinear saturation characteristics of PMSM system， the difference between the input current and output current of speed SNTSM controller was taken as a feedback signal， as Antireset Windup PI controller does， to overcome the influence such as overshoot， bad dynamic and static performances. Based on the Lyapunov theorem， the stability of controllers was proved. Simulation and experiment results proved the proposed method.
Keywords：sliding mode control; permanent magnet synchronous motor; nonsingular terminal sliding mode; chattering; windup
0 引 言
永磁同步電機（permanent magnet synchronous motors，PMSM）以其效率高、運行可靠、力能指標好、質(zhì)量輕、體積小等優(yōu)點，目前在汽車船舶、風(fēng)機水泵、醫(yī)療器械等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊[1-2]。然而，PMSM的轉(zhuǎn)速、電流、電壓等輸入/輸出量之間存在復(fù)雜的影響關(guān)系，盡管利用矢量控制技術(shù)可實現(xiàn)PMSM的模型解耦，但是耦合作用不等于簡單的干擾，PMSM的內(nèi)部參數(shù)攝動和負載等外部擾動，仍對系統(tǒng)的穩(wěn)定性及各項動靜態(tài)性能指標產(chǎn)生嚴重影響。如何實現(xiàn)強魯棒性、高性能的PMSM控制策略研究仍具有重要的研究價值[3-5]。
大量文獻表明滑?？刂疲╯liding mode control，SMC）以其實現(xiàn)簡單、抗干擾能力強等優(yōu)點而成為一種有效控制非線性系統(tǒng)的手段[6-7]。目前，SMC在PMSM中的應(yīng)用仍以傳統(tǒng)SMC為主，其中應(yīng)用最為廣泛的方法包括線性滑模[6]、終端滑模[8]和非奇異終端滑模（nonsingular terminal sliding mode，NTSM）[9]，例如文獻[10-11]。一方面，抖振問題[6]嚴重制約其實際應(yīng)用。考慮到實際系統(tǒng)硬件電路的實現(xiàn)，理論上無限快的SMC切換控制sgn（.）只能通過有限頻率的功率器件實現(xiàn)，進而誘發(fā)高頻抖振現(xiàn)象，使得實際PMSM控制器輸出表現(xiàn)為光滑的理論計算值與有限頻率和幅值的鋸齒信號的疊加，從而降低系統(tǒng)的動靜態(tài)性能，造成電機磨損和發(fā)熱，甚至破壞其穩(wěn)定性。另一方面，盡管采用諸如滯環(huán)調(diào)制、積分器/低通濾波等多種措施可以有效抑制高頻抖振信號，然而傳統(tǒng)的SMC在PMSM的應(yīng)用多采用諸如“外環(huán)PI+內(nèi)環(huán)SMC”的復(fù)合形式，難以擴展到雙閉環(huán)SMC控制。從理論上分析，外環(huán)SMC控制器的輸出sgn（.）作為輸入送到內(nèi)環(huán)，即意味著內(nèi)環(huán)SMC控制器設(shè)計時需要對高頻切換信號sgn（.）求導(dǎo)，這顯然是個難題。
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