董洪昭，杜秋月，劉珂，姚淇，詹偉梁
自動(dòng)化與智能化技術(shù)
基于新型趨近律的永磁同步電機(jī)動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化
董洪昭，杜秋月，劉珂，姚淇，詹偉梁
（北京工商大學(xué)，北京 100048）
提高永磁同步電機(jī)作業(yè)時(shí)的響應(yīng)精度和速度，優(yōu)化其動(dòng)態(tài)反饋性能，解決傳統(tǒng)滑模控制中趨近時(shí)間與系統(tǒng)抖振相矛盾的問題。采用三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，位置環(huán)與電流環(huán)采用模糊PID控制方法，速度環(huán)采用基于新型趨近律的改進(jìn)滑模控制方法，添加擾動(dòng)觀測(cè)器并給予系統(tǒng)擾動(dòng)補(bǔ)償。仿真與在環(huán)硬件測(cè)試結(jié)果表明，文中提出的控制方法與傳統(tǒng)三閉環(huán)滑模控制相比，相同時(shí)間內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置響應(yīng)速度提前了0.123 s且無超調(diào)，同時(shí)明顯降低了電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅度。文中設(shè)計(jì)的新型趨近律有效改善了傳統(tǒng)滑模控制存在的問題，建立的控制系統(tǒng)有效提高了永磁同步電機(jī)的響應(yīng)精度和速度，削弱了永磁同步電機(jī)作業(yè)時(shí)的抖振程度，具有良好的魯棒性。
永磁同步電機(jī)；
三閉環(huán)控制；
新型趨近律；
動(dòng)態(tài)優(yōu)化
隨著科技和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，永磁同步電機(jī)在食品包裝、藥品包裝等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，多行業(yè)對(duì)產(chǎn)品包裝的生產(chǎn)效率及精度需求日益增加，這為包裝工業(yè)機(jī)械向全自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展開拓了巨大的空間。在該行業(yè)中，越來越多的企業(yè)采用永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）取代傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)[1-3]。雖然永磁同步電機(jī)具有工作效率高、無勵(lì)磁損耗等優(yōu)點(diǎn)，但是由于電機(jī)本身在產(chǎn)品加工過程中會(huì)因負(fù)載變化和參數(shù)攝動(dòng)而不可避免地產(chǎn)生抖振現(xiàn)象，故由其驅(qū)動(dòng)的包裝、運(yùn)輸?shù)葯C(jī)械通常存在對(duì)材料運(yùn)送速度控制精度低、抗擾性能弱等問題，影響生產(chǎn)效率和精度。為解決此問題，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注永磁同步電機(jī)的優(yōu)化控制。
隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì)永磁同步電機(jī)工作性能的要求越來越嚴(yán)格，傳統(tǒng)純PID控制已無法滿足高精度生產(chǎn)要求[4]，因此，很多非線性的控制方法開始被廣泛應(yīng)用于PMSM的控制中，比如模糊控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。熊新國等[3]分析了影響包裝機(jī)材料供送速度控制精度的因素，通過設(shè)計(jì)雙模糊PID控制策略，提升了包裝材料供送速度控制的穩(wěn)定性和控制精度。許馨尹等[5]采用模糊自適應(yīng)PID控制方法，結(jié)合電壓前饋解耦的優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)的自適應(yīng)閉環(huán)控制。趙潮等[6]采用三閉環(huán)控制方法，在位置環(huán)使用模糊自適應(yīng)PID控制器，驗(yàn)證了在三閉環(huán)控制中模糊PID控制比傳統(tǒng)PID控制魯棒性更強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。此外，滑模控制也被廣泛應(yīng)用于調(diào)速系統(tǒng)，研究學(xué)者通過設(shè)計(jì)不同趨近律來減小滑模抖振，大大提高了速度跟蹤精度[7-9]。祝新陽等[10]設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)滑模觀測(cè)器的PMSM矢量控制方法，用于更準(zhǔn)確地對(duì)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行觀測(cè)，但是在轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)中滑模參數(shù)不易調(diào)節(jié)。扶文樹等[11]設(shè)計(jì)了一種基于高增益擴(kuò)張觀測(cè)的擾動(dòng)反饋線性化控制器，用于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該設(shè)計(jì)方法對(duì)轉(zhuǎn)速突變和外部負(fù)載擾動(dòng)有較好的魯棒性，但去噪效果仍有待改善。Cao等[12]通過設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器來估計(jì)擾動(dòng)，在滑模控制律中消除抖振，但系統(tǒng)趨近時(shí)間有所延長。李紹民等[13]針對(duì)裝填機(jī)械提出了一種新型自適應(yīng)滑模控制方法，通過梯形速度曲線規(guī)劃算法實(shí)現(xiàn)了較高精度的位置跟蹤。綜上，在PMSM的三閉環(huán)控制中，模糊控制在位置環(huán)、電流環(huán)有著較好的控制效果，而滑模控制在速度環(huán)雖有良好的速度調(diào)節(jié)功能，但系統(tǒng)抖振與趨近時(shí)間相矛盾的問題仍有待改進(jìn)。
為此，文中針對(duì)PMSM因負(fù)載變化和內(nèi)外擾動(dòng)產(chǎn)生的抖振現(xiàn)象進(jìn)行分析，采用三閉環(huán)控制方法，結(jié)合模糊PID與改進(jìn)新型滑模控制，從響應(yīng)精度、速度、削弱抖振能力的提升三方面進(jìn)行PMSM動(dòng)態(tài)反饋性能的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。通過設(shè)計(jì)基于新型趨近律的速度滑模控制器和擾動(dòng)補(bǔ)償器，減小控制增益，抑制滑模抖振。在設(shè)計(jì)的新型趨近律中添加終端項(xiàng)以解決系統(tǒng)抖振和滑模面趨近時(shí)間的矛盾，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的魯棒性。
為使電機(jī)系統(tǒng)便于分析，作如下幾點(diǎn)假設(shè)：忽略電機(jī)鐵芯的飽和；
不計(jì)渦流和磁滯損耗；
電機(jī)中的電流為對(duì)稱的三相正弦波電流。
永磁同步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系中的電壓、磁鏈方程可表達(dá)為：
式中：abc為三相電壓；
abc為三相電流；
a、b、c為三相磁鏈；
s為定子電阻；
、分別為自感和互感；
f為轉(zhuǎn)子磁鏈；
為轉(zhuǎn)子磁極位置。
經(jīng)過Clark、Park變換，可以得到PMSM在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系–軸中的電壓方程：
磁鏈方程：
電磁轉(zhuǎn)矩方程：
式中：e為電磁轉(zhuǎn)矩；
m為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；
、、、分別為定子電壓和定子電流在–坐標(biāo)系的分量；
、為–軸電感分量；
n為極對(duì)數(shù)。文中以表貼式PMSM為研究對(duì)象，采用=0的控制方法來定向控制轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，則=L，電磁轉(zhuǎn)矩方程：
電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程：
式中：L為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；
為阻尼系數(shù)；
為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
通過控制電機(jī)定子電流在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的大小和方向，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩的解耦控制及轉(zhuǎn)矩線性化控制，達(dá)到對(duì)直軸和交軸分量解耦的目的。三閉環(huán)控制系統(tǒng)由電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)、空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）算法和坐標(biāo)變換等模塊組成，三閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)原理見圖1，其中電流環(huán)和位置環(huán)均采用模糊PID控制，速度環(huán)采用基于新型趨近率的自適應(yīng)滑模控制。
2.1 新型趨近率設(shè)計(jì)
在傳統(tǒng)滑模控制器的設(shè)計(jì)中，通常采用指數(shù)趨近率：
速度滑模控制律一般設(shè)計(jì)為：
傳統(tǒng)控制律中非連續(xù)項(xiàng)sgn()會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生抖振，并且值決定了抖振的程度。和的取值越大，系統(tǒng)收斂速度越快，但抖振程度也會(huì)越劇烈；
如果值減小，可以削弱系統(tǒng)抖振程度，但滑模面趨近時(shí)間會(huì)延長，魯棒性降低[14]。為改善抖振與趨近時(shí)間相互沖突的缺點(diǎn)，結(jié)合文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種新型趨近律：
飽和函數(shù)()為：
式中：1>0，t>0，2>0，>0，0<<1，0<<2，0<<1；
為滑模面；
為系統(tǒng)狀態(tài)變量；
為函數(shù)邊界層值。當(dāng)||較大時(shí)，該趨近律等速項(xiàng)系數(shù)大于初始增益1，即系統(tǒng)離滑模面越遠(yuǎn)，趨近滑模面的速度就越大，確保系統(tǒng)能快速趨于穩(wěn)定狀態(tài)，加入的終端項(xiàng)t||，可使系統(tǒng)在||值比較大的情況下，有更好的動(dòng)態(tài)反饋響應(yīng)，有效降低系統(tǒng)抖振程度[15]。當(dāng)||趨近于0時(shí)，等速項(xiàng)系數(shù)小于初始增益1，即系統(tǒng)越來越趨近滑模面時(shí)，速度會(huì)越來越小，系統(tǒng)狀態(tài)變量||也會(huì)逐漸趨近于0。
對(duì)該新型趨近律進(jìn)行穩(wěn)定性分析，構(gòu)建Lyapunov函數(shù)如下：
對(duì)求導(dǎo)，得：
因?yàn)?)>0，+(1+1/||2?)e?α|s|>0，故式（13）小于0成立，所以該新型趨近律在Lyapunov意義下是可收斂的，具有穩(wěn)定性。
圖1 三閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)
2.2 滑模速度控制器設(shè)計(jì)
鑒于滑模控制具有對(duì)擾動(dòng)與參數(shù)不敏感、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，所以速度環(huán)控制器采用滑模控制方法，可有效提高三相PMSM調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。
定義速度誤差：
選用積分滑模面可避免出現(xiàn)變量的二階導(dǎo)數(shù)及穩(wěn)態(tài)誤差[16]：
式中：為待設(shè)計(jì)的積分系數(shù)。考慮負(fù)載擾動(dòng)及內(nèi)部參數(shù)變化影響，設(shè)()為負(fù)載與參數(shù)變化帶來的總擾動(dòng)，結(jié)合式（7）可得：
結(jié)合式（10），作如下簡化：
則軸的參考電流表達(dá)式：
為驗(yàn)證控制器穩(wěn)定性，定義Lyapunov函數(shù)：
結(jié)合式(13)、式(16)—(19)可得：
由式（21）—（22）可得：
根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性理論推導(dǎo)結(jié)果，可證得采用該滑模控制器后，系統(tǒng)的速度跟蹤誤差可以在有限時(shí)間內(nèi)趨近于0，系統(tǒng)穩(wěn)定。
2.3 設(shè)計(jì)擾動(dòng)補(bǔ)償器
在實(shí)際應(yīng)用中，控制系統(tǒng)的狀態(tài)軌跡到達(dá)滑模面后，是在滑模面兩側(cè)來回穿越而非嚴(yán)格地沿著滑模面向平衡點(diǎn)移動(dòng)，因此抖振必定存在且無法消除。為進(jìn)一步削弱抖振程度，設(shè)計(jì)一個(gè)滑模擾動(dòng)補(bǔ)償器，實(shí)時(shí)觀測(cè)外部擾動(dòng)帶給系統(tǒng)的影響并給予前饋擾動(dòng)補(bǔ)償。
取電磁轉(zhuǎn)矩e作為輸入，機(jī)械角速度m、擾動(dòng)作為系統(tǒng)狀態(tài)變量，建立系統(tǒng)狀態(tài)空間方程：
將機(jī)械角速度m和擾動(dòng)作為觀測(cè)對(duì)象，由式（24）可得擾動(dòng)補(bǔ)償方程：
由式（24）、（25）可得擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)恼`差方程：
式中：為觀測(cè)的速度誤差；
為擾動(dòng)誤差；
()為針對(duì)的滑模控制律；
為()的增益。為使擾動(dòng)補(bǔ)償誤差趨近于0，取值應(yīng)小于0，經(jīng)測(cè)試取值應(yīng)為?2.5。
選取滑模面：
選用趨近律：
將?/項(xiàng)作為擾動(dòng)項(xiàng)，結(jié)合式（26）、（28）、（29）可設(shè)計(jì)滑模擾動(dòng)補(bǔ)償器的控制律為：
為驗(yàn)證該控制律穩(wěn)定性，定義Lyapunov函數(shù)為：
對(duì)進(jìn)行求導(dǎo)，可得：
根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性理論，為確保滑模面存在且可達(dá)，需滿足：
式（34）表明，切換增益的取值與擾動(dòng)誤差直接相關(guān)。為避免過大而導(dǎo)致抖振加劇，將設(shè)計(jì)為的函數(shù)形式：
式中：為大于1的常數(shù)。系統(tǒng)觀測(cè)到擾動(dòng)值*后，產(chǎn)生擾動(dòng)誤差，擾動(dòng)誤差越大，增益相應(yīng)也增大，實(shí)時(shí)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。經(jīng)擾動(dòng)補(bǔ)償后，擾動(dòng)誤差逐漸趨近于0，此時(shí)增益也趨近于0，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)因外部干擾所產(chǎn)生抖振的削弱。通過擾動(dòng)補(bǔ)償反饋到滑模控制器的輸出端，結(jié)合式（19）可得速度滑模控制律為：
由式（36）可看出，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，擾動(dòng)值作為常量反饋到控制律中，通過電流環(huán)控制算法，可實(shí)現(xiàn)微小的控制增益，便能提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)精度，達(dá)到調(diào)整轉(zhuǎn)矩矢量變化的目的，有效降低電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)幅度，削弱抖振程度，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
3.1 仿真模型
為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)方法的可行性，在Matlab/Simulink軟件中搭建仿真模型，建立滑模控制器、擾動(dòng)補(bǔ)償器及三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)模型，見圖2—4。
圖2 滑模控制器結(jié)構(gòu)
圖3 擾動(dòng)補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)
圖4 三閉環(huán)控制模型
3.2 在環(huán)實(shí)物平臺(tái)
在環(huán)實(shí)物測(cè)試平臺(tái)中，選用隱極式永磁同步電機(jī)作為實(shí)物電機(jī)，具體參數(shù)見表1。扭矩傳感器型號(hào)為HCNJ?101，扭矩輸出頻率為5～15 kHz，轉(zhuǎn)速為0～6 000 r/min。每次上電后，進(jìn)行零位標(biāo)定，以消除初始誤差，在環(huán)實(shí)物測(cè)試平臺(tái)見圖5。通過電機(jī)夾具固定實(shí)物電機(jī)，防止測(cè)試過程中因外部干擾而產(chǎn)生位置變化，通過上位機(jī)與控制器發(fā)送控制命令，使用扭矩傳感器來觀測(cè)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化。
表1 選用電機(jī)參數(shù)
Tab.1 Selection of motor parameters
圖5 在環(huán)實(shí)物測(cè)試平臺(tái)
3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
仿真條件設(shè)置：直流側(cè)電壓dc=311 V，設(shè)置PWM開關(guān)頻率pwm=10 kHz，設(shè)置采用周期s=10 μs，采用變步長ode23tb算法，仿真時(shí)間為0.7 s。
仿真工況設(shè)置如下：
1）設(shè)定電機(jī)初始時(shí)刻負(fù)載為2 N·m，在0.4 s時(shí)階躍為8 N·m；
設(shè)定初始時(shí)刻轉(zhuǎn)角給定值分別為8π，在0.4 s時(shí)階躍為12π。
2）負(fù)載設(shè)定與1相同，初始啟動(dòng)與運(yùn)行4 s時(shí)的給定位置轉(zhuǎn)角分別設(shè)為16π、24π。
為驗(yàn)證新型趨近律的可行性和優(yōu)越性，在電流環(huán)和位置環(huán)均采用模糊PID控制且參數(shù)相同的前提下，將基于新型趨近律的滑模觀測(cè)控制（NSMC）與傳統(tǒng)滑模控制（SMC）的各項(xiàng)性能進(jìn)行仿真對(duì)比，通過控制器及信號(hào)接收器觀察電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角跟隨情況，以及在有無擾動(dòng)觀測(cè)器的2種工況下的轉(zhuǎn)矩實(shí)際變化。轉(zhuǎn)角位置跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6—7。
圖6 工況1下的位置階躍響應(yīng)曲線
圖7 工況2下的位置階躍響應(yīng)曲線
扭矩傳感器觀測(cè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化結(jié)果如圖8所示。
圖8 負(fù)載突變時(shí)轉(zhuǎn)矩傳感觀測(cè)結(jié)果
由圖6、圖7可知，工況1的位置跟蹤初始階段，SMC條件下電機(jī)轉(zhuǎn)子在0.188 s到達(dá)指定位置，而NSMC條件下電機(jī)轉(zhuǎn)子在0.065 s到達(dá)指定位置；
給定位置階躍后，SMC條件下電機(jī)轉(zhuǎn)子在0.565 s到達(dá)指定位置后穩(wěn)定，而NSMC條件下電機(jī)轉(zhuǎn)子在0.45 s即達(dá)到穩(wěn)定。工況2，SMC與NSMC在位移跟蹤時(shí)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)間相近，但傳統(tǒng)滑模控制下的電機(jī)出現(xiàn)了位置超調(diào)，超調(diào)量超過了2%且伴有輕微抖振；
而NSMC下的電機(jī)響應(yīng)平穩(wěn)，無超調(diào)。由圖8可知，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，相較于傳統(tǒng)滑模閉環(huán)控制，NSMC方法使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)范圍更小，且去噪效果更加良好。綜上，相較傳統(tǒng)三閉環(huán)滑模控制，NSMC方法的位置響應(yīng)更迅速，沒有超調(diào)量，電磁轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)小、抖振抑制能力強(qiáng)、跟蹤效果也更精準(zhǔn)，有效驗(yàn)證了該新型趨近律及擾動(dòng)補(bǔ)償下的滑模控制具有更好的魯棒性和可行性。
文中提出的永磁同步電機(jī)控制方法獲得了良好的控制效果，有效提高了電機(jī)響應(yīng)速度，降低了電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅度。其中，將所設(shè)計(jì)的新型趨近律應(yīng)用至速度環(huán)滑模控制器，并通過在新型趨近律中添加終端項(xiàng)進(jìn)一步削弱了系統(tǒng)抖振程度。同時(shí)給予系統(tǒng)前饋補(bǔ)償能力，通過實(shí)時(shí)擾動(dòng)反饋與補(bǔ)償，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。通過仿真與在環(huán)硬件測(cè)試，驗(yàn)證了文中提出的新型趨近率及控制方法，能夠有效提高電機(jī)轉(zhuǎn)子響應(yīng)速度并削弱抖振，改善永磁同步電機(jī)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)反饋性能，具有更加良好的響應(yīng)性能和魯棒性。PMSM在轉(zhuǎn)矩控制方面仍有較大的研究價(jià)值和改進(jìn)空間，未來將結(jié)合模型預(yù)測(cè)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)控制方法繼續(xù)展開深入探索研究。
[1] 吳祥瑞. 立式包裝機(jī)用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 鎮(zhèn)江: 江蘇科技大學(xué), 2017: 13—18.
WU Xiang-rui. Design of Permanent Magnet Synchronous Motor Control System for Vertical Packaging Machine[D]. Zhenjiang: Jiangsu University of Science and Technology, 2017: 13-18.
[2] 王都陽, 張建昌. 藥品包裝機(jī)人機(jī)工程系統(tǒng)與評(píng)價(jià)[J]. 包裝工程, 2019, 40(21): 187-192.
WANG Du-yang, ZHANG Jian-chang. Ergonomic System and Evaluation of Pharmaceutical Packaging Machine[J]. Packaging Engineering, 2019, 40(21): 187-192.
[3] 熊新國, 郝軍, 劉擁軍. 基于雙模糊PID的枕式包裝機(jī)材料供送速度控制方法[J]. 包裝工程, 2021, 42(17): 255-260.
XIONG Xin-guo, HAO Jun, LIU Yong-jun. Control Method of Material Supply Speed of Pillow Packing Machine Based on Double Fuzzy PID[J]. Packaging Engineering, 2021, 42(17): 255-260.
[4] 余鑫, 王兵, 劉凱, 等. 基于滑模觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制研究[J]. 湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2020, 34(6): 1-9.
YU Xin, WANG Bing, LIU Kai, et al. Research on the Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Sliding Mode Observer[J]. Journal of Hunan University of Technology, 2020, 34(6): 1-9.
[5] 許馨尹, 孫光. 基于自適應(yīng)模糊PID的PMSM矢量控制系統(tǒng)研究[J]. 中國高新科技, 2019(10): 18-19.
XU Xin-yin, SUN Guang. Research on PMSM Vector Control System Based on Adaptive Fuzzy PID[J]. China High-Tech, 2019(10): 18-19.
[6] 趙潮, 劉家國, 唐煜. 基于simulink的模糊自適應(yīng)PID三閉環(huán)控制設(shè)計(jì)及仿真[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用, 2019, 37(10): 1-4.
ZHAO Chao, LIU Jia-guo, TANG Yu. Design and Simulation of Fuzzy Self-Adaption PID Three Closed Loop Control Based on Simulink[J]. Digital Technology and Application, 2019, 37(10): 1-4.
[7] ZHANG Xiao-guang, LI Zheng-xi. Sliding-Mode Observer-Based Mechanical Parameter Estimation for Permanent-Magnet Synchronous Motor[J]. Transactions on Power Electronics, 2016, 31(8): 5732-5745.
[8] WANG Ai-meng, WEI Sheng-jun. Sliding Mode Control for Permanent Magnet Synchronous Motor Drive Based on an Improved Exponential Reaching Law[J]. Access, 2019 (99): 1.
[9] ZHANG Li-wei, LI Hang, SONG Pei-pei, et al. Sensorless Vector Control Using a New Sliding Mode Observer for Permanent Magnet Synchronous Motor Speed Control System[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(S1): 70-78.
[10] 祝新陽, 曾國輝, 黃勃, 等. 改進(jìn)滑模觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)矢量控制[J]. 信息與控制, 2020, 49(6): 708-713.
ZHU Xin-yang, ZENG Guo-hui, HUANG Bo, et al. Vector Control for Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Improved Sliding Mode Observer[J]. Information and Control, 2020, 49(6): 708-713.
[11] 扶文樹, 儲(chǔ)建華, 王剛. 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)擾動(dòng)反饋線性化控制[J]. 電氣傳動(dòng), 2021, 51(24): 27-32.
FU Wen-shu, CHU Jian-hua, WANG Gang. Disturbance Feedback Linearization Control for Permanent Magnet Synchronous Motor Speed Loop[J]. Electric Drive, 2021, 51(24): 27-32.
[12] CAO Song-yin, LIU Jun, YI Yang. Non-Singular Terminal Sliding Mode Adaptive Control of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on a Disturbance Observer[J]. The Journal of Engineering, 2019(15): 629-634.
[13] 李紹民, 徐亞棟, 鄒權(quán), 等. 基于新型趨近律的裝填機(jī)械手自適應(yīng)滑模控制[J]. 火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào), 2022, 43(3): 68-73.
LI Shao-min, XU Ya-dong, ZOU Quan, et al. Adaptive Sliding Mode Control of a Loading Manipulator Based on a New Approach Law[J]. Journal of Gun Launch & Control, 2022, 43(3): 68-73.
[14] ZHANG Xiao-guang, SUN Li-zhi, ZHAO Ke, et al. Nonlinear Speed Control for PMSM System Using Sliding-Mode Control and Disturbance Compensation Techniques[J]. Trans Power Electron, 2013, 28(3): 1358-1358.
[15] 劉京, 李洪文, 鄧永停. 基于新型趨近律和擾動(dòng)觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)滑模控制[J]. 工程科學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 39(6): 933-944.
LIU Jing, LI Hong-wen, DENG Yong-ting. PMSM Sliding-Mode Control Based on Novel Reaching Law and Disturbance Observer[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2017, 39(6): 933-944.
[16] 李政, 胡廣大, 崔家瑞, 等. 永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的積分型滑模變結(jié)構(gòu)控制[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 34(3): 431-437.
LI Zheng, HU Guang-da, CUI Jia-rui, et al. Sliding-Mode Variable Structure Control with Integral Action for Permanent Magnet Synchronous Motor[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(3): 431-437.
Dynamic Performance Optimization of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on New Reaching Law
DONG Hong-zhao, DU Qiu-yue, LIU Ke, YAO Qi, ZHAN Wei-liang
(Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China)
The work aims to improve the response accuracy and speed of the permanent magnet synchronous motor during operation and optimize its dynamic feedback performance, to solve the problem of the contradiction between the reaching time and the system jitter in the traditional sliding mode control. In the experiment, a three-closed-loop control structure was used, in which a fuzzy PID control method was adopted for the position loop and current loop, and an improved sliding mode control method based on the new reaching law was adopted for the speed loop. Then, a disturbance observer was applied and the disturbance compensation was given to the system. According to the simulation results and the in-the-loop hardware test results, compared with the traditional three-closed-loop sliding mode control, the rotor position response speed of the proposed control method was 0.123 seconds faster and there was no overshoot within the same time, and the electromagnetic torque fluctuation amplitude was significantly reduced. The new reaching law designed effectively solves the problems existing in the traditional sliding mode control, and the established control system effectively improves the response accuracy and speed of the permanent magnet synchronous motor, weakens the jitter degree of the PMSM during operation, and provides good robustness.
PMSM; three-closed-loop control; new reaching law; dynamic optimization
TB486
A
1001-3563(2023)05-0163-08
10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.05.021
2022?04?02
國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（51805009）；
2022年研究生科研能力提升計(jì)劃項(xiàng)目
董洪昭（1999—），男，碩士生，主攻智能汽車線控技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制及應(yīng)用。
杜秋月（1987—），女，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榉律鷻C(jī)械設(shè)計(jì)及制造、智能汽車技術(shù)。
責(zé)任編輯：曾鈺嬋
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