[發(fā)明專利]改進(jìn)指數(shù)趨近律的永磁同步電機(jī)模糊滑模控制系統(tǒng)及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910259384.1
• 申請(qǐng)日: 2019-04-02
• 公開（公告）號(hào): CN109951122A
• 公開（公告）日: 2019-06-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王琳;張旭秀
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連交通大學(xué)
• 主分類號(hào): H02P21/05
• 分類號(hào): H02P21/05;H02P21/00;H02P6/10
• 代理公司: 大連星海專利事務(wù)所有限公司 21208
• 代理人: 王樹本

1.一種改進(jìn)指數(shù)趨近律的永磁同步電機(jī)模糊滑模控制方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1、計(jì)算速度偏差，首先將控制系統(tǒng)中的永磁同步電機(jī)的期望速度N*與永磁同步電機(jī)采樣的實(shí)際速度N進(jìn)行比較，計(jì)算永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差量x₁＝N*-N；

步驟2、計(jì)算滑模切換函數(shù)s(t)，采用基于改進(jìn)指數(shù)趨近律的積分型滑模變結(jié)構(gòu)控制，改進(jìn)的指數(shù)趨近律是往等速項(xiàng)中引入誤差的平方變量，將控制系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的趨近速度與誤差聯(lián)系起來(lái)，使控制系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的抖振呈衰減走勢(shì)，控制系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)是以恒速趨向滑模切換面，當(dāng)s(t)＝0時(shí)，由于控制系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)自身慣性會(huì)沖出滑模切換面，強(qiáng)迫拉回后，繼續(xù)重復(fù)原來(lái)的動(dòng)作，造成來(lái)回切換的抖振現(xiàn)象；趨近率的原理是從控制系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的實(shí)際狀態(tài)出發(fā)，當(dāng)控制系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)距離滑模切換面較遠(yuǎn)時(shí)，要迫使控制系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)加速趨向滑模切換面，以提高控制系統(tǒng)響應(yīng)速度；當(dāng)控制系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)距離滑模切換面較近時(shí)，控制系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)要逐漸減速趨近于零，以減弱系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)常速下穿越滑模切換面所產(chǎn)生的抖振，指數(shù)趨近律可通過公式(1)進(jìn)行描述，

式中，ε表示恒定不變的常數(shù)，k表示滑模切換增益，sign表示符號(hào)函數(shù)，當(dāng)s(t)>0時(shí)，當(dāng)s(t)<0時(shí)，s₀表示初始的滑模切換函數(shù)值；指數(shù)趨近律控制下的運(yùn)動(dòng)方式符合前述趨近律的設(shè)計(jì)初衷，由控制系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)與s(t)＝0的距離決定其運(yùn)動(dòng)速度，與等速趨近律相比，既縮短了動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，也削弱了抖振；當(dāng)ε＝0時(shí)，指數(shù)趨近律其解為s(t)＝s(0)e^-kt，所以指數(shù)趨近律只有存在指數(shù)項(xiàng)-kt時(shí)，控制系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)與滑模切換面的距離滿足負(fù)指數(shù)關(guān)系，只能無(wú)限逼近滑模切換面，因此ε不可為0，這樣方可保證控制系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)能夠到達(dá)滑模切換面，指數(shù)趨近律中常常采用減小ε值、增大k值的方法，加快響應(yīng)，削弱抖振；

由電機(jī)轉(zhuǎn)速的狀態(tài)方程可知，控制模型滿足一階單輸入控制系統(tǒng)的滑模切換函數(shù)設(shè)計(jì)，為消除控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，將永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差量x₁做積分運(yùn)算，則積分型滑模控制器的滑模切換函數(shù)通過公式(2)描述，

式中，c為常數(shù)，則控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間通過公式(3)描述，

x₁(t)＝x₀e^-ct (3)

式中，x₀表示控制系統(tǒng)狀態(tài)x₁的初始值，由式(3)可知，控制系統(tǒng)狀態(tài)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差量x₁是以時(shí)間常數(shù)為的指數(shù)變化規(guī)律趨近于零，則控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是由c值決定；為進(jìn)一步削弱傳統(tǒng)指數(shù)趨近率帶來(lái)的抖動(dòng)問題，根據(jù)增大k的同時(shí)減小ε的思想，在此基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)型的指數(shù)趨近律通過公式(4)描述，

在傳統(tǒng)指數(shù)趨近律中k值大小與控制系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)趨向滑模切換面的速度成正比關(guān)系，即與控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間呈正比；ε決定了控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)到達(dá)滑模切換面的速度，即決定了來(lái)回穿越滑模切換面的抖振幅度和頻率，二者與ε亦呈正比關(guān)系，改進(jìn)的指數(shù)趨近律是往等速項(xiàng)ε·sign(s)中引入永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差量的平方即并將控制系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的趨近速度與聯(lián)系起來(lái)：當(dāng)控制系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)遠(yuǎn)離滑模切換面時(shí)，較大，此時(shí)控制系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)在放大的等速項(xiàng)ε·sign(s)和指數(shù)項(xiàng)ks二者的作用下加速趨向滑模切換面；當(dāng)控制系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)逼近滑模切換面時(shí)，指數(shù)項(xiàng)ks接近于零并且逐漸失效，由于等速項(xiàng)的存在使控制系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)減速并進(jìn)入滑模切換面，由于的繼續(xù)減小削弱了等速項(xiàng)的振幅，迫使控制系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的抖振呈衰減走勢(shì)；

步驟3、s歸一化處理，根據(jù)控制方法引入模糊控制策略，設(shè)計(jì)一種模糊滑模復(fù)合控制器，實(shí)現(xiàn)滑模參數(shù)的在線自適應(yīng)修正，模糊控制采用單輸入單輸出，以滑模切換函數(shù)的數(shù)值s作為輸入,以滑模切換增益k作為輸出，對(duì)輸入進(jìn)行歸一化處理，使得s、k的基本論域均為[0,1]；

步驟4、s模糊化處理，設(shè)定滑模切換函數(shù)s(t)的子集{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，其中NB為負(fù)大、NM為負(fù)中、NS為負(fù)小、ZE為零、PS為正小、PM為正中、PB為正大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，隸屬度函數(shù)采用高斯隸屬度函數(shù)；

步驟5、查模糊規(guī)則表，采用Mamdani模糊推理法；

步驟6、k反模糊化，反模糊化采用重心法，滑模切換增益k的子集{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，隸屬度函數(shù)采用Z型隸屬度函數(shù)；

步驟7、計(jì)算FSMC的輸出，模糊滑模復(fù)合控制器的輸出u采用函數(shù)切換控制，通過公式(5)描述，

u(t)＝u_eq+k·sign(s(t)) (5)

式中，u_eq表示等效控制，k·sign(s(t))表示切換控制。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種改進(jìn)指數(shù)趨近律的永磁同步電機(jī)模糊滑模控制方法中的控制系統(tǒng)，其特征在于：所述控制系統(tǒng)，包括比較器1、2、3、4，比例積分控制器PI1、PI2、PI3，F(xiàn)SMC模糊滑模復(fù)合控制器，Park逆變換模塊，SVPWM空間矢量脈寬調(diào)制模塊，逆變器，Clark變換模塊、Park變換模塊，永磁同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子角度、速度傳感器及I/S模塊，所述比較器1輸出端與比例積分控制器PI1輸入端相連，PI1輸出端與比較器2輸入端相連，比較器2輸出端與模糊滑模復(fù)合控制器FSMC輸入端相連，F(xiàn)SMC輸出端與比較器3輸入端相連，比較器3輸出端與比例積分控制器PI2輸入端相連，所述比較器4輸出端與比例積分控制器PI3輸入端相連，所述PI2、PI3輸出端分別與逆變換模塊Park輸入端相連，逆變換模塊Park兩個(gè)輸出端分別與空間矢量脈寬調(diào)制模塊SVPWM兩個(gè)輸入端相連，SVPWM兩個(gè)輸出端分別與逆變器兩個(gè)輸入端相連，所述逆變器通過三相電力線與永磁同步電機(jī)相連，其中兩相電力線分別與Clark變換模塊兩個(gè)輸入端相連，Clark變換模塊兩個(gè)輸出端分別與Park變換模塊兩個(gè)輸入端相連，所述永磁同步電機(jī)輸出端與轉(zhuǎn)子角度、速度傳感器輸入端相連，轉(zhuǎn)子角度、速度傳感器輸出端分別與比較器2輸入端、Park變換模塊輸入端及逆變換模塊Park輸入端相連，所述Park變換模塊兩個(gè)輸出端分別與比較器3輸入端及比較器4輸入端相連，所述轉(zhuǎn)子角度、速度傳感器輸出端還通過I/S模塊與比較器1輸入端相連，所述FSMC模糊滑模復(fù)合控制器，包括比較器、模糊控制器、滑模變結(jié)構(gòu)控制模塊、檢測(cè)反饋模塊及被控設(shè)備，所述比較器輸出端、模糊控制器輸出端分別與滑模變結(jié)構(gòu)控制模塊輸入端相連，滑模變結(jié)構(gòu)控制模塊輸出端與被控設(shè)備輸入端相連，被控設(shè)備輸出端與檢測(cè)反饋模塊輸入端相連，檢測(cè)反饋模塊輸出端與比較器輸入端相連。