基于二阶滑模的永磁直线同步电机的鲁棒速度控制_

基于二阶滑模的永磁直线同步电机的鲁棒速度控制
   孙宜标杨雪夏加宽
   （沈阳工业大学电气工程学院沈阳110023）
   摘要针对受参数不确定性、端部效应和负载扰动影响的永磁直线同步电机的鲁棒速度控制问题，采用二阶滑模控制的超螺旋算法来设计速度控制器，并利用基于二阶滑模的鲁棒数字微分器来估计二阶滑模控制算法所需要的加速度信号。该策略并没有将不连续控制作用在滑模量的一阶微分上，而是作用于其高阶微分上，理论上可消除抖振作用。仿真和实验结果表明，该策略对负载和参数的变化具有很强的鲁棒性，同时有效地削弱了抖振现象。
   关键词：永磁直线同步电机二阶滑模控制抖振超螺旋算法鲁棒数字微分器
   中图分类号：TP273；TM359.4
   1引言
   永磁直线同步电动机（PMLSM）直接驱动的伺服系统具有精度高、响应快的优点[1]，在数控机床中具有很大的应用潜力。但其负载无机械缓冲地直接加在PMLSM的动子上，加之存在端部效应和模型非线性及参数的不确定性给控制带来难度[2]。所以，要设计具有强鲁棒性的控制器来保证系统良好的动态性能，以减小各种不确定性对伺服系统的影响。文献[3]采用精确反馈线性化方法来解决对象的非线性问题，但其对系统的参数具有很强的依赖性。文献[4-5]采用H∞鲁棒控制理论进行控制器的设计可以使系统具有很强的鲁棒性，但具有一定的保守性。
   滑模变结构控制[6-7]具有鲁棒性强、实现简单的优点，可以在电机参数变化及出现扰动时，仍然保证满意的性能。然而由于其控制作用的不连续性所引起的抖振现象，会导致被控系统的危险的高频振荡[8-9]。为了削弱抖振，通常采用光滑近似来代替控制中不连续的符号函数，但这种方法会降低系统的精度和鲁棒性。文献[10]使用状态观测器来估计滑模量，而观测器的精度对系统模型和参数有很强的依赖性，且设计算法比较复杂。文献[11]采用边界层法，但这种方法仅能保证系统状态收敛到以滑动面为中心的边界层内，只能通过较窄的边界层来任意地接近滑模，不能使状态收敛到滑模。
   最近国外学者提出了高阶滑模的方法[12-13]。在此方法中，不连续控制并不作用在滑模变量的一阶微分上，而是作用在其高阶微分上。这样不仅保留了一阶滑模控制（1-SMC）的所有优点，还可以消除抖振现象。本文采用二阶滑模控制中的超螺旋算法来设计永磁直线同步电动机伺服系统的速度控制器，它无需滑模变量一阶微分的信息，因而设计比较简单。并采用基于二阶滑模控制方法的鲁棒数字微分器（加速度观测器）对加速度信号进行估计，它具有有限时间收敛及对测量噪声的鲁棒性的特点。通过仿真和实验验证所提出的控制策略的有效性。
   2 PMLSM数学模型
   通过Park变换，可得dq坐标下PMLSM的机械运动方程为

   4.2实验结果
   为了进一步验证策略的有效性，构建了以TMS320 LF2407A为核心的PMLSM伺服系统实验平台。基于DSP控制的永磁直线同步电动机伺服系统主要由永磁直线同步电动机、PC+DSP运算控制单元、IPM主回路功率变换单元、动子电流检测单元和直线光栅尺速度检测单元等组成，其硬件结构如图8所示。

由于使用的永磁直线同步电动机实验平台导轨行程较短（约为260mm），因此突加负载的阶跃速度响应实验的速度给定为幅值0.3m/s的阶跃速度信号，在运行至120mm处（约0.4s时刻），给负载PMLSM加上3A的给定电流（约产生150N的负载阻力）。实验数据由DSP采集后，传输给上位计算机，再通过Matlab软件绘图。二阶滑模与传统滑模的实验波形分别如图9和图10所示。

5 结论
本文提出了一种新颖的基于滑模变结构控制理论的永磁直线同步电机的控制策略。速度控制器采用二阶滑模控制算法中的超螺旋算法，并通过基于二阶滑模的鲁棒数字微分器来估计加速度。此技术的优点是在保留了标准滑模的所有优点的基础上，对负载扰动和参数的不确定性具有很强的鲁棒性，并且传统滑模控制中存在的抖振问题也得到了明显的改善。仿真和实验结果验证了所提出的控制策略的有效性。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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