一种圆筒容错永磁直线电机系统的新型滑模控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种不匹配受扰圆筒容错永磁直线电机系统的新型滑模控制方法，五相圆筒容错永磁直线电机的结构特性分析；建立基于不匹配干扰d1(t)和匹配干扰d2(t)的五相圆筒容错永磁直线电机二阶数学模型；设计系统新型滑模面σ，求得滑模面σ的导数

【技术实现步骤摘要】
一种不匹配受扰圆筒容错永磁直线电机系统的新型滑模控制方法
本专利技术涉及一种永磁同步电机滑模控制方法，特别是不匹配受扰圆筒容错永磁直线电机系统的滑模控制方法。适用于航空航天、舰船推进、电动汽车等对电机的可靠性和动态性能有较高要求的场合。
技术介绍
随着社会的发展以及人们生活水平的提高，对汽车驾乘的舒适性和安全稳定性要求越来越高。作为现代汽车的重要组成部分，悬架系统性能对汽车行驶平顺性和操作稳定性等有着极其重要的影响，因此主动悬架系统的研究受到业内高度重视。作为主动电磁悬架系统的核心部件，圆筒直线电机研究受到重视。电机参数摄动和外部不确定性扰动严重影响电机系统性能，从而决定着电磁悬架的可靠性和动态性能。目前，永磁同步电机矢量控制系统通常采用速度外环和电流内环的双闭环控制系统，且控制器均采用传统的PI控制器。尽管PI控制器具有算法简单，可靠性高以及参数整定方便等优点，但是，由于受到电机参数变化或外界不确定因素的影响，常规PI控制器不能得到满意的调速性能，同时系统的鲁棒性也不够理想。因此一些现代控制理论被成功地应用于永磁同步电机控制系统中，如神经网络控制，滑模控制(SMC)，模糊控制，自适应控制等。其中，SMC以其自身概念的简单性和对系统干扰极强的鲁棒性而成为研究的热点。然而，现有的大多数SMC策略都是在干扰匹配的条件下提出的。传统SMC策略对满足匹配条件的干扰(即干扰作为输入的一部分参与控制策略)具有强的鲁棒性，但当干扰不满足匹配条件(即系统的控制信号与系统干扰分别作用在不同的通道)时，系统的鲁棒性就不再存在，系统状态不能实现跟随。Riccati方法和线性矩阵不等式解方法仅能消除具有H2范数收敛条件的不匹配干扰，对于其他类型的不匹配干扰并不起作用。积分SMC策略虽然能够消除不匹配干扰的影响，却存在超调大、系统响应时间长以及抖振大的问题。
技术实现思路
针对现有电机滑模控制技术的不足，根据圆筒容错永磁直线电机的特性和现有技术中存在的问题，本专利技术目的是克服电磁悬架用五相圆筒容错永磁直线电机系统存在不匹配干扰严重降低电机性能这一问题，提出一种用于本专利技术的不匹配受扰圆筒容错永磁直线电机系统的新型SMC方法，实现了电机速度快速跟随且无超调、无稳态误差，实现了滑模抖振的有效抑制，对系统不匹配干扰具有很强的鲁棒性，新型滑模控制器只有一个调节器，避免了速度环和电流环之间的耦合，且参数少，参数整定简单易行，进而提高本专利技术的不匹配受扰圆筒容错永磁直线电机系统的动态性能和可靠性。本专利技术用于不匹配受扰圆筒容错永磁直线电机系统的新型SMC方法采用如下技术方案：一种不匹配受扰圆筒容错永磁直线电机系统的新型滑模控制方法，包括以下步骤：步骤1，五相圆筒容错永磁直线电机的结构特性分析；步骤2，建立基于不匹配干扰d1(t)和匹配干扰d2(t)的五相圆筒容错永磁直线电机二阶数学模型；步骤3，根据步骤2定义的系统状态变量x1、x2和不匹配干扰d1(t)，设计不匹配干扰观测器观测电机系统的不匹配干扰d1(t)；步骤4，设计系统新型滑模面σ，求得滑模面σ的导数将步骤2所得的电机二阶数学模型表达式代入滑模面导数表达式中求出基于不匹配干扰观测器的新型滑模控制律步骤5，将步骤4获得的滑模控制律表达式代入步骤4所得的滑模面导数表达式求得表达式选取李雅普诺夫函数，根据表达式和步骤4所得滑模面σ分析所设计的新型滑模控制器的稳定性；步骤6，将步骤4所得的滑模控制律和由PI电流调节器输出的d轴电压给定值x轴电压给定值以及y轴电压给定值经电压源逆变器，采用CPWM调制方法实现不匹配受扰圆筒容错永磁直线电机系统的高控制性能运行。本专利技术提出的不匹配受扰圆筒容错永磁直线电机系统的高性能滑模控制策略框图如图3所示。进一步，所述步骤1中，该电机的绕组置于定子上，永磁体位于动子上，采用spoke形式，永磁体和次级动子均为环形形状且固定于非导磁支撑管上；初级定子槽数和次级动子永磁体极对数分别为20和9；采用分数槽单层集中绕组；定子齿包含两部分：电枢齿和容错齿，电枢齿上缠有绕组，而容错齿上无绕组，容错齿将两个相邻电枢齿隔开，使各相绕组之间的电、磁、热的耦合几乎为零。进一步，所述步骤2中，基于不匹配干扰d1(t)和匹配干扰d2(t)的五相圆筒容错永磁直线电机二阶数学模型为：式中x1、x2为系统状态变量d1(t)为不匹配干扰d2(t)为匹配干扰a(x)＝k11k21x1+k22x2，D＝k11k23，C＝-k21v*。进一步，所述步骤4中，所设计的新型滑模面为：式中：c1、c2为滑模面参数且c1、c2>0，x1(0)为状态变量x1的初始值，为不匹配干扰观测值的初始值。令t＝0，则σ＝0，由此可见该滑模面能够保证系统状态x1、x2从一开始就处于滑模面上，消除了趋近阶段，确保了系统的全局鲁棒性能。进一步，所述步骤4中，所设计的基于不匹配干扰观测器的新型滑模控制律为：式中ε为控制器切换增益，且ε>0。本专利技术所设计的新型滑模控制器仅一个速度调节器，避免了速度环和电流环之间的耦合，且控制器参数少，参数整定简单易行，大大简化了控制器的设计难度。进一步，所述控制方法还适用于永磁旋转电机控制系统。本专利技术具有以下有益效果：1、采用本专利技术的新型SMC策略能使电机速度快速跟随且无超调、无稳态误差，同时该策略有效抑制了滑模抖振，对系统不匹配干扰具有很强的鲁棒性。2、本专利技术提供的含有不匹配干扰估计值的新型SMC策略解决了传统SMC对不匹配干扰无作用，Riccati方法和线性矩阵不等式解方法只能消除具有H2范数收敛条件的不匹配干扰以及积分SMC策略存在超调大、系统响应时间长以及抖振大的缺点。3、对于传统的速度、电流双闭环电机驱动控制系统，需要设置两个调节器，二者实行嵌套连接，在设计和调试过程中有大量的参数需要计算和调整，工作量大，系统调试困难。而本专利技术所设计的新型滑模控制器仅一个调节器，避免了速度环和电流环之间的耦合，且参数少，参数整定简单易行，大大简化了控制器的设计难度。4、不匹配干扰观测器实现了该类电机系统的不匹配干扰的精确估算，从而实现了该类电机系统的高性能运行。附图说明图1为本专利技术实施例圆筒容错永磁直线电机的结构示意图；图2为本专利技术实施例新型SMC策略的结构框图；图3为本专利技术实施例不匹配受扰圆筒容错永磁直线电机系统的新型SMC策略框图；图4为本专利技术实施例传统SMC策略下负载阶跃响应波形图，(a)为速度波形(b)为电流波形；图5为本专利技术实施例积分SMC策略下负载阶跃响应波形图，(a)为速度波形(b)为电流波形；图6为本专利技术实施例新型SMC策略下负载阶跃响应波形图，(a)为速度波形(b)为电流波形；图7为本专利技术实施例传统SMC策略下速度阶跃响应波形图，(a)为速度波形(b)为电流波形；图8为本专利技术实施例积分SMC策略下速度阶跃响应波形图，(a)为速度波形(b)为电流波形；图9为本专利技术实施例新型SMC策略下速度阶跃响应波形图，(a)为速度波形(b)为电流波形；图10为本专利技术实施例积分SMC策略下(a)q轴电压波形图和(b)电机推力波形图；图11为本专利技术实施例新型SMC策略下(a)q轴电压波形图和(b)电机推力波形图；图中：1.永磁体；2.初级定子；3.电枢齿；4.集中绕组；5.容错齿；6.次级本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种不匹配受扰圆筒容错永磁直线电机系统的新型滑模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，五相圆筒容错永磁直线电机的结构特性分析；步骤2，建立基于不匹配干扰d

【技术特征摘要】
1.一种不匹配受扰圆筒容错永磁直线电机系统的新型滑模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，五相圆筒容错永磁直线电机的结构特性分析；步骤2，建立基于不匹配干扰d1(t)和匹配干扰d2(t)的五相圆筒容错永磁直线电机二阶数学模型；步骤3，根据步骤2定义的系统状态变量x1、x2和不匹配干扰d1(t)，设计不匹配干扰观测器观测电机系统的不匹配干扰d1(t)；步骤4，设计系统新型滑模面σ，求得滑模面σ的导数将步骤2所得的电机二阶数学模型表达式代入滑模面导数表达式中求出基于不匹配干扰观测器的新型滑模控制律步骤5，将步骤4获得的滑模控制律表达式代入步骤4所得的滑模面导数表达式求得表达式选取李雅普诺夫函数，根据表达式和步骤4所得滑模面σ分析所设计的新型滑模控制器的稳定性；步骤6，将步骤4所得的滑模控制律和由PI电流调节器输出的d轴电压给定值x轴电压给定值以及y轴电压给定值经电压源逆变器，采用CPWM调制方法实现不匹配受扰圆筒容错永磁直线电机系统的高控制性能运行。2.根据权利要求1所述的一种不匹配受扰圆筒容错永磁直线电机系统的新型滑模控制方法，其特征在于，所述步骤1中，该电机的绕组置于定子上，永磁体位于动子上，采用spoke形式，永磁体和次级动子均为环形形状且固定于非导磁支撑管上；初级定子槽数和次级动子永磁体极对数分别为20和9；采用分数槽单层集中绕组；定子齿包含两部分：电枢齿和容错齿，电枢齿上缠有绕组，而容错齿上无绕组，容错齿将两个相邻电枢齿隔开，使各相绕组之间的电、磁、热的耦合几乎为零。3.根据权利要求1所述的一种不匹配受扰圆筒容错永磁直线电机系统的新型滑模控制方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：周华伟，于晓东，刘国海，陈龙，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32