永磁同步电机的高阶终端滑模控制方法_郑剑飞
242 高阶滑模控制永磁同步电机在线状态估计
高阶滑模控制永磁同步电机在线状态估计作者：皇甫宜耿， 刘卫国， 马瑞卿， HUANGFU Yi-geng， LIU Wei-guo， Ma Rui-qing作者单位：西北工业大学自动化学院,西安,710072刊名：电力系统及其自动化学报英文刊名：PROCEEDINGS OF THE CHINESE SOCIETY OF UNIVERSITIES年，卷(期)：2009，21(5)被引用次数：0次参考文献(14条)1.Yan Ying.Zhu Jianguo.Guo Youguang Modeling and simulation of direct torque controlled PMSM drive system incorporating structural and saturation saliencies 20062.Poznyak A S.Medel Juarez J J Matrix forgetting factor with adaptation 1999(08)3.Poznyak A S.Medel Juarez J J Matrix forgetting factor 1999(02)4.Utkin V Sliding Mode in Control and Optimization 19925.Utkin V.Guldner J.Shi J Sliding Modes in Electromechanical Systems 19996.Floret-Pontet mnabhi-Lagarrigue F Parameter identification methodology using sliding modes observer 2001(18)7.Koshkouei A J.Zinober A S I Sliding mode observers for a class of nonlinear systems 20028.Levant A Sliding order and sliding accuracy in sliding mode control 1993(06)9.Levant A Robust exact differentiation via sliding mode technique 1998(03)10.Levant A Higher order sliding modes,differentiation and output-feedback control 2002(9/10)11.Fridman L.Perruquetti W.Levant A Sliding mode control in engineering 200212.Isidori A Nonlinear Control System 1989ghrouche S.Smaoui M.Brun X Robust second order sliding mode controller for electropneumatic actuator 200414.刘栋良.严伟灿.赵光宙基于转矩扰动估计的电机反馈线性化控制 2005(05)本文链接：/Periodical_dlxtjqzdhxb200905004.aspx授权使用：广东商学院图书馆(gdsxy)，授权号：70d5dfd0-af09-4694-8274-9e5000e10bcf下载时间：2010年12月18日。
永磁同步电机调速系统反演终端滑模控制
永磁同步电机调速系统反演终端滑模控制宋绍楼;吴亚洲;杨雯旭【摘要】针对永磁同步电机的转速跟踪控制问题,提出一种基于反演终端滑模控制策略,提高了调速系统的响应速度和对外界扰动及参数摄动的抑制能力.在反演设计速度控制中加入积分项,并且利用负载转矩观测器实时估计负载转矩,把转矩估计值作为前馈电流补偿,以抑制负载突变带来的影响,提高系统抗负载扰动的能力;在反演设计的最后一步结合高阶非奇异终端滑模控制律,消除了控制量的抖振,使得电流环定子电流在有限时间内收敛,减少反演设计对电机参数的敏感性,提高了鲁棒性.理论分析和仿真结果表明所提出控制策略具有有效性和可行性.%For permanent magnet synchronous motor speed tracking control problems,backstepping technique with terminal sliding mode control is proposed.The method enhances the quick response and anti-disturbance ability of the control system.An integral factor is applied to the backstepping control to improve the performance of steady-state and achieve zero steady-state error.A load torque observer is used to estimate load torque in real time to be the feed forward current compensation.The influence on the performance of control system caused by load torque disturbance can be inhibited.In the last step of backstepping,the nonsingular terminal sliding control is designed to eliminate the chattering and make the current reach the given values in a finite period of time and make the system rubost to uncertainties.Theoretical analysis and Matlab simulation results show that the proposed control strategy is effective and feasible.【期刊名称】《自动化与仪表》【年(卷),期】2018(033)005【总页数】5页(P25-29)【关键词】永磁同步电机;反演;终端滑模;观测器【作者】宋绍楼;吴亚洲;杨雯旭【作者单位】辽宁工程技术大学电气与控制工程学院,葫芦岛125105;辽宁工程技术大学电气与控制工程学院,葫芦岛125105;国家电网阜新市彰武县供电分公司,阜新123000【正文语种】中文【中图分类】TM341永磁同步电机（PMSM）矢量调速系统具有结构简单、功率因数高、成本低、容易维护等优点，在航天器、机器人、数控机床、电动汽车等领域得到了广泛应用。
永磁同步电机控制原理
iq PI
uq
r
id
id PI
ud
iq id
u
d，q
α，β u
d，q
i
i
α，β
SV PWM
驱动模块
逆变器
α，β
ia
ib
a，b，c
d / dt
控制模块
高压直流电输入输出 电机控制器外部低压输入信号 电机控制器内部输入信号 数学计算输出信号 控制程序输出信号 IGBT信号
电机控制器
PMSM
旋转变压器
永磁同步电机控制原理
控制方式
永磁同步电机 （PMSM）
矢量控制 控制方式
直接转矩控制
矢量控制（磁场定向控制）
矢量控制实现的基本原理是测量和控制电机定子电流矢量
根据磁场定向原理分别对电机的励磁电流和转矩电流进行 控制，从而达到控制电机转速和转矩的目的
对电流的空间矢量 进行坐标变换，并 进行控制，所以叫 矢量控制
数据 观测
上位机
RS232
LED 显示
外部 存储器 仿真器
DAC
键盘控制
I/O
PDPINT
SCI
CPU
PWM
产生
SPI
存储器
模块
EMIF
ADC PLL
JTAG
WD/RTI
DSP
QEP
U DC C
故障检 测电路
光
驱
三相
耦
动
逆变
隔
电
电路
离
路
IPM
电流 检测
位置 检测
PMSM
IPM内部集成： 6个IGBT 驱动电路 保护电路
驱动电机总成
软件流程图
永磁同步电机的控制方法
永磁同步电机的控制方法
永磁同步电机是一种常见的电动机型号，具有高效、能耗低等优点，在不少领域广泛应用，如空调、洗衣机、汽车等。
为了使电机工作更加稳定、可靠，需要对其进行控制，本文将介绍几种常见的永磁同步电机控制方法。
一、矢量控制方法
矢量控制方法也称为矢量调速，是对永磁同步电机进行控制的一种较为复杂的方法。
通过对电机的磁场和电流进行精细控制，可以实现电机速度和转矩的精准调节。
具体实现时，需要提取电机转子位置，进行磁场定向控制。
二、直接转矩控制方法
直接转矩控制方法是对电机电流进行直接调节的方法，可以实现对电机转矩的调节。
该方法操作简单，但控制效果较为粗糙，容易造成电机振动和噪音。
三、电压向量控制方法
电压向量控制方法通过调节电机的电压和相位，控制电机的速度和转矩。
该方法比直接转矩控制方法更加精准，但控制难度较大，计算量较大。
四、滑模控制方法
滑模控制方法是近年来发展的一种新型控制方法，可以实现低成本、高效率的电机控制。
该方法借助滑模变量实现对电机转速和转矩的控制，具有控制精度高、响应速度快等优点。
五、解析控制方法
解析控制方法也是近年来发展的一种新型控制方法，该方法是通过解
析电机的动态特性，设计控制器实现对电机的精准控制。
该方法适用于大功率电机控制，但计算量较大，难度较高。
以上是几种常见的永磁同步电机控制方法，不同的方法具有不同的特点和适用范围，需要根据实际情况选择合适的控制方法。
随着科技进步和工业发展，永磁同步电机控制技术也将不断进步和发展。
PMSM双闭环平滑非奇异终端滑模控制
PMSM双闭环平滑非奇异终端滑模控制
随着工业化的加速和现代化的发展，电力电子技术日趋成熟，电机驱动技术也逐步进步，永磁同步电机（PMSM）得到广泛应用。
针对PMSM的控制，传统的PID控制器的响应速度较慢，容易产生振荡和抖动，反应不够灵敏。
为此，提出了一种PMSM双闭环平滑非奇异终端滑模控制方法，以提高PMSM性能。
该控制方法结合了两位控制方法，其中一位滑模控制方法用于解决瞬时扰动对系统的干扰，起到快速响应的作用，另一位控制方法则采用传统的PI控制，用于解决系统存在的稳态误差，起到系统的稳定作用。
整个控制方法分为两个环节：电流控制环和速度控制环。
在电流控制环中，当系统存在扰动时，滑模控制器可以快速响应并抵消扰动。
传统的PI控制器主要负责电流控制环的稳定，避免可能出现的低频振荡现象。
在速度控制环中，系统采用了非奇异终端滑模变量来确保系统速度的平滑，同时也增强了系统的动态性。
非奇异终端滑模控制器利用PMSM传感器提供的信息实时计算变量，进而调节控制量，使PMSM运行平稳、快速。
为了验证该控制方法的有效性，使用MATLAB仿真软件进行模拟实验，结果表明，PMSM 双闭环平滑非奇异终端滑模控制方法相较于传统的PID控制方法，具有更快的响应速度，更稳定的控制效果和更小的误差。
总之，该控制方法具有较好的控制性能，可以实现对PMSM的良好控制，对提高系统的响应速度、稳定性和动态性有很好的促进作用。
永磁同步电机调速系统的滑模控制
可以看出在指数趋近律中，当 t 充分大时的趋 近速度比指数规律还要快。 当 s ＞ 0 ， s ( t)=0 时有 [11]
ε
k ln
= ( s0 + )e − kt k
ε
ε
− ln( s0 + ) = − kt k k
Fig.1
ε
图1
控制量 i q 的变结构流程图
由此可以求得 1⎛ ε ε⎞ t * = ⎜ ln( s0 + ) − ln ⎟ k⎝ k k⎠
[13-15]
（ 1）
磁链方程
⎧ ⎪ψ d = Ld id + ψ f ⎨ ⎪ ⎩ψ q = Lq iq
（ 2）
对于表面式 PMSM 有 L d=L q=L ，所以有转矩方 程
Te = 3 3 p[ψ f iq + ( Ld − Lq )iq id ] = pψ f iq 2 2
J dω P dt
， 但是把它应用到永磁电机的控制还很少。
很强的鲁棒性等优点。目前，关于滑模变结构控制
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电 工 技 术 学 报
2009 年 9 月
（ SMC ） 在永磁电机中的应用，相关文献进行了 深入的研究，取得了许多研究成果
[5-10]
心涡流与磁滞损耗；转子上没有阻尼绕组。 在以上假设下，建立在 d-q 坐标系下的永磁同 步电机数学模型，其电压方程
⎧ ⎪ x1 = ω − ω ⎨ 1 = −ω ⎪ ⎩ x2 = x
*
1 2 s ， 由 Lyapunov 稳 2 定性理论可知，滑模控制的系统稳定需满足下面条
选择 Lyapunov 函数为 V 15 ）
式中
= s (−ε sgn( s ) − ks ) ss
基于内模控制的永磁同步电机控制研究
基于内模控制的永磁同步电机控制研究摘要：本文提出了一种基于内模控制的永磁同步电机控制方法。
该控制方法采用改进的内模控制结构，其主要特点是将梯形模型参数化并融入永磁同步电机开环动态模型中，从而实现对永磁同步电机的有效控制。
为了验证所提出控制方法的可行性，我们选择MATLAB软件平台仿真永磁同步电机控制系统模型，并针对容错信号和ARW等不确定因素进行了分析。
为了进一步评估该方法的性能，我们进行了比较实验，其结果表明所提出的控制方法可以获得更好的系统响应和更小的时延。
关键词：永磁同步电机(PMSM)；内模控制；MATLAB仿真；比较实验正文：本文研究的目的是研究基于内模控制的永磁同步电机（PMSM）技术。
永磁同步电机（PMSM）在电机控制领域有广泛的应用，但由于其非线性特性，传统的控制方法有时无法满足控制精度要求。
内模控制是一种改进的控制技术，通过将内模的参数化技术融入到电机的开环控制中，实现精确的、相较传统技术更有效的电机控制。
因此，本文旨在使用MATLAB软件平台仿真永磁同步电机控制系统，并对容错信号和ARW等不确定因素进行分析。
此外，比较实验也用于进一步评估所提出方法的性能。
实验结果表明，基于内模控制的永磁同步电机控制方法以及其结构可以有效地控制永磁同步电机，并且有效地抑制容错信号和ARW等不确定因素。
为了确保永磁同步电机运行的正常，选取合适的控制器及其参数是很重要的。
在本文中，采用适当的PMSM控制器参数，通过对不同构成参数的研究来改善外环控制系统的性能。
PID子系统对外环控制器参数的选择至关重要，因为这些参数决定了系统的成功程度。
在本文中，针对PMSM的内模控制器参数采用基于品质因子（QF）的闭环控制方法进行了调整。
通过调整内模子系统的参数，可以有效抑制外环的抖动特性。
为此，需要仔细考虑和研究PMSM状态空间方程和内模参数的变化，以获得最佳的控制性能。
当传统控制器无法满足控制要求时，一种替代方案是使用模糊控制技术。
终端滑模控制器设计在永磁同步电动机中的应用
终端滑模控制器设计在永磁同步电动机中的应用马新;平静水;陈宝国【摘要】考虑了一类永磁同步电动机的终端滑模控制器设计问题.在控制器设计中利用中继切换控制使系统在给定的当前控制律的作用下运行到某一特定状态（或某一特定区域）后,控制律被切换到有限时间收敛的终端滑模控制器,使得系统在有限时间内达到平衡状态.终端滑模控制器的设计保证了闭环系统所有信号的有界性和平衡点的全局稳定性,以及系统在有限时间内精确地跟踪给定的参考信号.最后,通过一个数值仿真验证了所提算法的正确有效性.%For a class of permanent-magnet synchronous motor,the terminal sliding mode controller design problem is considered.During the control process,the first phase is to induce the system state into a prescribed state（or region） under the current control law by using the relay switching control,the second phase is to switch to a terminal sliding mode control such that system state reaches to the equilibrium point in a finite time.The boundedness of all signals of closed loop system and the global stability of equilibrium point are guaranteed and the system states accurately track the states of the reference signal in a finite time.Finally,numerical simulation validates the efficiency of the control scheme.【期刊名称】《商丘师范学院学报》【年(卷),期】2011(027)012【总页数】5页(P39-43)【关键词】终端滑动模态;永磁同步电动机;中继切换控制【作者】马新;平静水;陈宝国【作者单位】淮南师范学院数学与计算科学系,安徽淮南232001;淮南师范学院数学与计算科学系,安徽淮南232001;淮南师范学院数学与计算科学系,安徽淮南232001【正文语种】中文【中图分类】O231.2随着电子技术、电力电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，使得现代交流调速在工业领域面临高效、高性能要求.永磁同步电机(PMSM)因其体积小、性能好、结构简单、可靠性高、快速响应能力强、具有高效率及良好的动静态特性等优点，被广泛的应用于高精度位置控制的伺服系统，如在工业机器人、航空航天、数控机床、精密电子仪器设备[1]等电动机性能、控制精度要求较高的应用场合与领域得到了广泛的应用.然而，PMSM的精确的位置控制却由于其速度和电流的非线性耦合以及转矩方程中的非线性而变成一个复杂的问题[2].因此从电机的非线性入手，实现PMSM的高性能控制具有重要的意义.随着现代控制理论的发展，非线性技术逐步应用到电机控制系统中，如反馈线性化、无源性控制、Backstepping[3]方法等等.反馈线性化[4]利用非线性反馈实现非线性项完全消除，但该方法对系统参数依赖性强，系统受外部干扰的鲁棒性不好，同时非线性项的完全消除可能会损失电机的部分特性;采用无源控制[5]可以得到一个全局定义的控制律，且不存在控制奇点，系统的鲁棒性好，但是转矩调节/跟踪无源控制需要测量转子加速度;另外，电机的方程虽然不需要状态观测器和参数辨识，但在控制其滤波跟踪误差迅速以指数特性收敛到零，达到较好的位置伺服控制特性.有限时间收敛控制器是一种快速控制机制[6－12]，当系统状态在有限时间内收敛时，它的性能达到理想点.对于强耦合高阶系统，当某些状态在有限时间内达到零时，将对其它状态不再有影响.文[10]将该方法应用于机器人模型，取得了很好的控制效果.目前，将有限时间收敛控制方法应用于PMSM控制系统的研究结果并不多见.文[11]研究了一类永磁同步电动机的有限时间跟踪控制问题，通过引入终端滑动模态(TSM)控制机制，设计了一个中继切换控制器，保证了给定PMSM系统的跟踪误差以及控制信号在有限时间内收敛到零，并且永远保持为零.本文是在文献[11]的基础上利用文献[13]中的数学模型所做的进一步研究.以定子d、q轴电流id，iq和转子角速度ω为状态变量，永磁同步电动机的数学模型可表示为其中R1为定子绕组电阻;Ld，Lq分别为定子d、q轴电感;ψr为转子磁极磁链;ω为转子角速度;TL，J，B分别为负载转矩，转动惯量和粘滞阻尼系数;np为电机极对数;ud，uq分别为定子d、q轴电压分别表示转子角速度和加速度.控制任务:希望通过调节定子的电压ud和uq，使得转子角速度ω在有限时间内达到理想的转子角速度ω*.定义跟踪误差为首先取电压输入信号ud为其中β＞0为一设计参数.由系统(4)的最后一个方程得下面分析x3e的有限时间收敛性:取代入(6)得该方程的解为对x3e(0)≠0，有则x3e到达零的时间T0为从而，x3e在有限时间T0内收敛到零.于是，当t＞T0时，方程(4)变为下面引入一个坐标变换使得系统(11)化为可控标准形，使之在新坐标系下更便于设计TSM控制器.定义坐标变换为其中y1，y2相应于广义跟踪误差.于是系统(11)可化为定义则V是一种广义的电压输入信号，不具有实际的物理意义.下面设计V，使得yi(i=1，2，)在有限时间内收敛到零.取TSM流形[7]为:其中β1为正常数，p1＞q1为正奇数，取其中K＞0.由[7]可知，存在有限时间T(T＞T0)，当t＞T时，y1，y2及V都收敛到零，并且永远保持为零.由文献[9]，当参数p1＞q1满足条件时，在y1，y2及V趋向于零的过程中，控制量V是有界的.当y1，y2收敛到零时，由可逆变换(9)可知，x1e，x2e在有限时间T之后变为零，由x1e的定义可知ω(t)在有限时间内分别完全跟踪理想状态ω*(t).由(5)(12)和(14)可求得d轴与q轴电压分别为:t＞T时，由上述分析易知电压uq为有界的信号.由上述分析，不难得到如下的定理:定理对于给定的永磁同步电动机系统(1)，设ω*表示理想的转子角速度.电压输入信号uq由(17)式给出，TSM切换面由(15)式给出，则在某一有限时间T之后，转子角速度ω将精确地跟踪到理想的转子角速度ω*，跟踪误差达到零并且永远保持为零.且在整个跟踪过程中，闭环系统的所有信号是有界的.永磁同步电动机系统(1)的TSM控制器的设计步骤如下:(1)取控制律uq=0，ud如(5)式所示，则x3e在有限时间T0内收敛到零.(2)在T0时间之后，取广义电压输入信号V如(16)式所示，则y1，y2在有限时间T内收敛到零，即x1e，x2e在有限时间内收敛到零.且控制量ud，uq，V在整个控制过程中是有界的.对于给定的PMSM系统(1)，设其参数设置如下:定子电阻R1=0.9 Ω，电机极对数np=2，d轴等效电感Ld=0.732×10－3H，q 轴等效电感Lq=0.216×10－3H，电机转矩常数ψr=0.506 Nm/A2，电机转动惯量J=2.99×10－4kg·m2，负载粘滞摩擦系数B=0.035 N·m·s/rad，负载有关正的位置常数TL=4.08 N·M.TSM参数取为:q=q1=3，p=p1=5，β=β1=5，K=5 初始值为:x1(0)=－1，x2(0)=5，x3(0)=5，理想的负载速度ω*为:ω*=πcos(2t)(1－e－0.3t3)+0.45πsin(2t)e－0.3t3仿真图像如下图所示.其中图(a)和(c)、(d)为跟踪误差和控制律随时间的变化曲线.图(b)为实际转子的速度跟踪理想的转子的速度随时间的变化曲线.由图(a)可知跟踪误差x1e在大约6.5 s时收敛到零，表明通过调节定子的电压Vd 和Vq，使得转子速度ω在大约6.5 s时间内达到理想的转子速度ω*.由图(b)可以看出实际转子的速度ω在有限时间(6.5 s)以后可以实现对理想转子速度ω*的完全跟踪.由图(c)表明控制律Vq在整个控制过程中始终是有界的;图(d)表明控制律Vd 在t=0.5 s时达到零并永远保持为零.本文将递推TSM有限时间收敛的控制方法应用于PMSM系统，充分利用了有限时间跟踪控制方法的分析简单，动态响应快，应用广泛等优势，保证了系统状态在有限时间内达到完全跟踪的目的.仿真结果充分显示了该控制策略的有效性.【相关文献】[1] 徐衍亮，唐任远.永磁同步电动机驱动的电动汽车仿真研究[J].系统仿真学报，2004，16(4):641－643.(XU Yanliang，TANG Renyuan.The Simulation Study of Electric Vehicle Driven by Permanent Magnet Synchronous Motor System[J].Journal of System Simulation，2004，16(4):641－643)[2] Hemati N，Leu Mi.A Complete Model Characterization of Brushless DC Moto[J].IEEE Trans.on Indus.Appl.，1992，28(1):172－180.[3] 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