混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统高阶滑模控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统高阶滑模控制方法。利用混合定子磁悬浮开关磁阻电机的特殊结构实现转矩和悬浮力的直接解耦，悬浮系统由位移外环和电流内环构成，位移外环采用基于Quasi‑continuous算法的三阶滑模控制器，选取位移误差构造滑模面，结合Quasi‑continuous算法得到参考悬浮力，达到悬浮系统的稳定运行。本发明专利技术采用基于Quasi‑continuous算法的三阶滑模位移控制器，提高了磁悬浮开关磁阻电机转子悬浮精度，大幅度地抑制了位移抖振问题，对系统不确定扰动具有较强鲁棒性，解决了传统滑模控制中高频抖振等技术瓶颈。此方法对于磁悬浮开关磁阻电机转矩系统同样适用。

High-order sliding mode control method for suspension system of hybrid stator magnetic levitation switched reluctance motor

The invention discloses a high-order sliding mode control method for suspension system of hybrid stator magnetic levitation switched reluctance motor. The special structure of hybrid stator magnetic levitation switched reluctance motor is used to realize the direct decoupling of torque and levitation force. The levitation system is composed of displacement outer ring and current inner ring. The displacement outer ring adopts a third-order sliding mode controller based on Quasi_continuous algorithm, and the displacement error is selected to construct sliding mode surface. The reference levitation force is obtained by combining Quasi_continuous algorithm to achieve the stable operation of the levitation system. That's ok. The invention adopts a third-order sliding mode displacement controller based on Quasi_continuous algorithm, improves the suspension accuracy of the rotor of the magnetic suspension switched reluctance motor, greatly suppresses the displacement chattering problem, has strong robustness to uncertain disturbances of the system, and solves technical bottlenecks such as high frequency chattering in traditional sliding mode control. This method is also applicable to the torque system of magnetic levitation switched reluctance motor.

【技术实现步骤摘要】
混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统高阶滑模控制方法
本专利技术涉及一种12/14混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统的Quasi-continuous三阶滑模控制策略，适用于抑制磁悬浮开关磁阻电机滑模控制的抖振问题，属于电气传动控制

技术介绍
磁悬浮开关磁阻电机结合了磁悬浮轴承和开关磁阻电机的性质，实现了电机转子的悬浮工作，具有易实现高速化、成本低、输出功率大、损耗小等优点，使其在高速化飞轮储能等应用领域有着良好的推广前景。当系统受到参数变化和外部环境带来的扰动时，磁悬浮开关磁阻电机具有的非线性、不能在线调节、鲁棒性差等因素使得常规控制器难以满足高性能电动机调速的要求，而滑模控制策略因其鲁棒性强，控制算法简单等特点能有效的解决转矩脉动大、系统不稳定的问题被广泛应用于控制系统中。但是低阶滑模控制器常伴有高频抖振，往往会破坏系统建模动态特性，增加控制器件的负担。因此，借助于12/14混合定子磁悬浮开关磁阻电机的特殊结构，将控制系统分为转矩控制和悬浮力控制两部分，转矩控制除常用策略外，国内外学者相继提出优化方法以减小系统的脉动。在此基础上，以悬浮力系统为研究重点，为减小系统抖振，提高系统鲁棒性，对传统低阶滑模控制存在的控制作用不连续、抖振严重的问题进行改进。
技术实现思路
本专利技术针对12/14混合定子磁悬浮开关磁阻电机，利用Quasi-continuous高阶滑模算法设计其悬浮系统的三阶滑模位移控制器，实现强鲁棒、高精度输出，有效的抑制了系统的抖振。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统高阶滑模控制方法，悬浮系统的位移环采用基于Quasi-continuous高阶滑模算法的三阶滑模位移控制器，选取位移误差构造滑模面，结合Quasi-continuous算法得出的参考悬浮力通过力与电流模块得出参考电流使电机转子悬浮平稳运行，位移趋近于稳定。进一步，基于Quasi-continuous算法三阶滑模控制器，建立12/14混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统的数学模型：其中，x为转子在x轴方向上的径向位移，x*为转子在x轴方向上的参考位移，vx为转子在轴x方向运动分速度，Fx为x轴方向的悬浮力，y为转子在y轴方向上的径向位移，y*为转子在y轴方向上的参考位移，vy为转子在y轴方向运动分速度，Fy为y轴方向的悬浮力，FLx、FLy分别为x、y轴方向上外界干扰力，m为电机转子的质量。进一步，所述三阶滑模位移控制器的具体设计过程为：步骤1，选取滑模面为：其中，S1为x轴方向位移控制器的滑模面，ex为x轴方向上的位移误差，S2为y轴方向位移控制器的滑模面，ey为y轴方向上的位移误差；步骤2：滑模控制器的设计：在不考虑干扰的情况下，根据理论设计三阶滑模如下：已知悬浮系统方程为：其中是x轴方向位移的二阶导数，是y轴方向位移的二阶导数。设易知系统相对阶为r＝4，因此根据Quasi-continuous算法设计三阶滑模控制器的控制率：其中，sign(S)为符号函数，u1、u2分为x轴方向、y轴方向控制器的控制率，αx、αy为可调参数，为滑动量S1的一阶微分项，为滑动量S1的二阶微分项，为滑动量S2的一阶微分项，为滑动量S2的二阶微分项。u1、u2除外处处连续，实际控制为：步骤3：引入Levent微分器：因系统受外部噪声影响时，滑动量的高阶微分项S(k)(k＝1,2)难以从反馈得出，因此引入Levent微分器估算这些数值：此时有zx0＝S1，zy0＝S2，vx0、vx1、vx2为x轴方向微分器所设值，vy0、vy1、vy2为y轴方向微分器所设值，将其值代入三阶滑模位移控制器中，可得出：其中，sign(S)为符号函数，u1、u2分为x轴方向、y轴方向控制器的控制率，αx、αy为可调参数，u1、u2除外处处连续。因此，有设计三阶滑模位移控制器为：步骤4：选取Lyapunv函数，证明所设计的三阶滑模位移控制器可在有限时间内使滑模变量S收敛到0，达到系统的稳定。更进一步，三阶滑模位移控制器应用于12/14混合定子磁悬浮悬浮系统，实现鲁棒性的增强，抑制被控系统的抖振。本专利技术的优点在于：1、本专利技术设计了一种混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统高阶滑模控制方法，结合Quasi-continuous算法，基于此算法设计三阶滑模位移控制器，可以对外加不定干扰实现补偿，实现转子悬浮平稳运行，有效的大幅度抑制了系统的抖振。2、本专利技术所设计的12/14混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统三阶滑模位移控制器，其控制器原理同样适用于转矩系统，基于此原理，可以减小系统脉动，提高转子控制的精度。附图说明图1为12/14混合定子磁悬浮开关磁阻电机结构图；图2为12/14混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统三阶滑模系统框图；图3为12/14混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统三阶滑模控制器原理图；图4为12/14混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统三阶滑模控制器设计流程图；图5为12/14混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统三阶滑模控制器下x方向位移仿真波形分析图；图6为12/14混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统三阶滑模控制器下y方向位移仿真波形分析图；图7为12/14混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统三阶滑模控制器下x方向悬浮力仿真波形分析图；图8为12/14混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统三阶滑模控制器下y方向悬浮力仿真波形分析图。具体实施方式下面结合附图和具体实施实例对本专利技术作进一步说明。图1为12/14混合定子磁悬浮开关磁阻电机结构图，图2为12/14混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统三阶滑模控制系统框图，悬浮系统由位移外环和电流内环构成，位移外环由转子实际位置与系统给定转子位置构成，以x方向为例，引入参考位移量x*，对由电涡流传感器得出实际位移量x进行比较得位移误差ex，通过基于Quasi-continuous算法的三阶滑模位移控制器得到参考悬浮力经过力/位移模块转换为参考电流与实际电流量ix进行对比通过滞环控制给予功率转换器开关信号，最后由信号调节电压给定值以完成电机的悬浮力的控制。y方向上的悬浮控制如x方向同理；图3为12/14混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统三阶滑模控制器原理图，以x方向为例，引入参考位移量x*，x方向上位移误差ex构成位移控制器的滑模面，通过基于Quasi-continuous算法的三阶滑模位移控制器，并结合所引入的微分器得到参考悬浮力经过力/位移模块转换为参考电流使电机在x方向上的位移达到平稳状态；y方向上的位移控制与x方向同理。本专利技术包含一个部分：基于Quasi-continuous算法提出12/14混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统的三阶滑模控制器，解决了悬浮系统中由于传统滑模控制器带来的控制作用不连续、抖振严重的问题，进一步提升了系统的鲁棒性，大幅抑制了位移的抖振。图4为12/14混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统三阶滑模控制器设计流程图，其设计步骤如下：建立12/14混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统数学模型：其中，x为转子在x轴方向上的径向位移，x*为转子在x轴方向上的参考位移，vx为转子在轴x方向运动分速度，Fx为x轴方向的悬浮力，y为转子在y轴方向上的径向位移，y*为转子在y轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统高阶滑模控制方法，其特征在于，利用混合定子磁悬浮开关磁阻电机的结构特征实现转矩和悬浮力的直接解耦，悬浮系统的位移环采用基于Quasi‑continuous算法的三阶滑模控制器，选取位移误差构造滑模面，结合Quasi‑continuous算法得出的参考悬浮力

【技术特征摘要】
1.混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统高阶滑模控制方法，其特征在于，利用混合定子磁悬浮开关磁阻电机的结构特征实现转矩和悬浮力的直接解耦，悬浮系统的位移环采用基于Quasi-continuous算法的三阶滑模控制器，选取位移误差构造滑模面，结合Quasi-continuous算法得出的参考悬浮力通过力与电流模块得出参考电流使电机转子悬浮平稳运行，位移趋近于稳定。2.如权利要求1所述的混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统高阶滑模控制方法，其特征在于，基于Quasi-continuous算法的三阶滑模控制器，建立被控对象的数学模型：其中，x为转子在x轴方向上的径向位移，x*为转子在x轴方向上的参考位移，vx为转子在轴x方向运动分速度，Fx为x轴方向的悬浮力，y为转子在y轴方向上的径向位移，y*为转子在y轴方向上的参考位移，vy为转子在y轴方向运动分速度，Fy为y轴方向的悬浮力，FLx、FLy分别为x、y轴方向上外界干扰力，m为电机转子的质量。3.如权利要求1或2所述的混合定子磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统高阶滑模控制方法，其特征在于，所述基于Quasi-continuous算法的三阶滑模控制器的具体设计过程为：步骤1：选取滑模面为：其中，S1为x轴方向位移控制器的滑模面，ex为x轴方向上的位移误差，S2为y轴方向位移控制器的滑模面，ey为y轴方向上的位移误差；步骤2：滑模控制器的设计：在不考虑干扰的情况下，根据理论设计三阶滑模如下：已知悬浮系统方程为：其中是x轴方向位移的二阶导数，是y轴方向位移的二阶导数，Fx为x轴方向的悬浮力...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永红，石姗姗，袁野，杨帆，许洁，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32