机床用PMSM自抗扰滑膜控制系统设计

1绪论

1.1研究背景及研究意义

PMSM是把电机励磁部分用永磁体取代电线圈产生磁场的一种电机c人类史上第一台

电动机便是永磁电机，它在三百年以前被研究学者所创造出来，形成磁场的方法就是利用

永磁材料励磁。但是，一段时间后科学家们却又把兴趣转向了电线圈励磁，因为三百年前

人们加工生产的永磁体是纯天然开采的磁铁矿石，天然磁石励磁的弊端显而易见，它不但在

磁能的密度方面表现较差，而且当时加工矿石的手段十分有限，导致设计师所设计的电动机

很笨重不利于实际生产操作，大体积的机器不是人们所希望的。稀土永磁电机是上世纪七十

年代在稀土永磁材料取得关键突破后出现的，稀土永磁体充完磁后会产生永磁场：相比电励

磁生成的磁场有很多优点。一方面它的磁场稳定性比电励磁的稳定性高许多，另一方面它在

工作中不必要的损耗也比电励磁的损耗低很多山。永磁电机诸多优点使得世界电机市场占比格

局发生变化，传统电励磁电机不再一家独大，永磁电机迎头赶上。进入上世纪九十年代，

科学技术发展迎来新一轮高峰，电力电子、微电子、计算机技术和永磁材料取得突破⑵。

运行速度快、模块集成度高、而制作成本较低的微型处理器被领域专家成功研发，我们的

视野中出现了新一代交流伺服系统，它是全数字化的微电子控制。微电子控制减少了控制

所需设备，降低了机床制造成本，提高了系统控制能力，强化了系统自我保护能力，而且

新增了监测缺陷、诊断、复位等功能，简化了控制策略、控制参数以及控制模型，系统的

灵活性、可靠性和效益有了质的提升⑶。

在如今这个全球化发展的时代，工业对国家发展的必要性毋庸置疑。CNC机床作为

工业生产的心脏，给全国的工业生产流水线补给新鲜的血液，为装备制造业提供源源不断

的动力。如此看来，驱动CNC机床的交流伺服系统则是心脏的心脏。恰巧是这重中之重

的核心技术我国却还没能拥有属于我国自主知识产权的控制系统⑶，欧洲的英、法、德，

美洲的美国，东亚的日本等发达国家实施了技术垄断，对我国拉下了科技上的“铁幕”。因

此，为了保证国家工业的健康发展，国防工业、民用装备的更新迭代，研发并掌握纯国产

的伺服驱动控制技术刻不容缓⑸，用我国自己的控制技术制造优秀的装备迫在眉睫。

1

机床用PMSM自抗扰滑膜控制系统设计

1.2PMSM控制系统的研究现状

PMSM控制系统的研究到如今已是如火如荼，经典理论的不断完善与新兴系统的革

故鼎新进入了新的时期。新旧两种理论的相互摩擦与互相结合让我们对PMSM的控制有

了新的突破，如今一些先进、优秀、可靠的控制策略已经被利用到实际工业生产中，而且

其中的设计灵感与实践经脸对未来的科学研究来讲更是一笔巨大的财富。整个PMSM控

制理论稳固的根基得益于两大理论体系的口夜精进，矢量控制和直接转矩控制网让PMSM

在实际工业生产中大范围普及的可能性由零飞跃到一。

矢量控制（FOC）从K.Hasse提出到现在已经过去了五十多年，矢量控制的过人之处

在于它能使我们像控制直流电机⑺一样去控制交流电机，让许多研究学者之前天马行空的

想法得以真正实现。控制异步电动机的关键在于以何种方式处理它的转矩，FOC的独门

绝技则是利用磁场的定向，把它的励磁电流还有它的转矩电流分开来进行控制。但是，如

果电机实际的参数与实际值有着不可忽略的偏差，那么FOC的表现会变得不如人意。

图1.1PMSM矢量控制原理图

Fig.1.1PMSMvectorcontrolschematicdiagram

直接转矩控制（DTC）在上个世纪八几年由M.Dcpcnbrock和LTakahasH两位教授分

别提出。单从它的名称就能看出它的特点，不像FOC利用电流等中介变量以达到对转矩

的控制，DTC让转矩奔赴前线来直接作为被控制的目标。它的精髓在于用空间矢量来解

决控制的难题，以定子磁场方向固定的方法，直接对定子磁链和电磁转矩进行控制，并通

2

过磁链和转矩的跟踪来实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能⑻。DTC的不足之处在于

它的工作范围不够全面，当电机低速运行时PMSM的稳定性让人感到事与愿违，而当电

机高、中速时对PMSM的控制却无可厚非。

图1.2PMSM白:接转矩控制原理图

Fig.1.2PMSMdirecttorquecontrolschematicdiagram

只用优秀的控制策略就想把PMSM调速系统操控明白是不现实的，本世纪以来微处

理器的研究有了质的飞跃，虽然对PMSM的控制渐入佳境，但是实际工业生产对控制精

度的标准也与日俱增⑼。领域专家将先进的算法与优秀的控制策略相结合，新型策略具有

很好的控制效果，使得对PMSM的控制变得越发现代化。国内外学者对传统算法的完善

和现代算法的创新登上了高峰。出现了经典PID控制、滑模变结构控制（SMC）、自抗

扰控制（ADRC）、模糊控制（FC）、人工神经网络控制（ANN）等优秀控制策略。

1）经典PID控制

对工科有所了解的人或多或少都知道PID控制，比例（proportion）、积分（integral）、

微分（differential）控制器投入实际生产使用至今快一百年了虽然它是最早投入实际生

产工作的，但是到如今依旧是工业控制器中应用范围最广的。比例P控制作为基石承载着

系统，积分I控制擅长处理误差，微分D控制能够降低超调、响应更迅速。PID控制的优

势在于它简单的结构、灵活的组合。经过合理的参数整定后对于简单的控制过程来说，PID

是可靠而且经济的选择，但当控制过程变得很复杂时，不管参数如何调整也无法控制复杂

过程，这便是PID控制的不足之处。

3

的经验，正如牛顿所说我们都是站在巨人的肩膀上，在对它的研究过程中，高潮低谷此起

彼伏充满了曲折〔⑺。ANN模拟人类大脑三种思维方式之一形象思维，对外界信息进行处

理。单个的神经元孤军奋战作用很小，但当数量可观的神经元组建成的庞大网络带来的收

益是不容小觑的。ANN具有信息分布存储、并行处理、非线性逼近、自学习及自组织能

力强等优点。运用ANN控制PMSM时，其抗扰能力、对噪声的抑制、鲁棒性都是出类拔

萃的。ANN在未来伺服系统中必定大有作为“叫是今后研究的热门。

控制系统如今的发展可谓是百花齐放，一大批研究学者都把热血和精力花在其中。经

典控制策略越来越完善，现代智能控制系统一代比一代新颖，但无论哪一种方法，有他独

特优点的同时也存在着自身的不足。因此，在推陈出新，传承与发展的同时，将两个或多

个系统结合在一起取长补短，发挥各自优势来控制是今后伺服系统发展趋势之一。

5

机床用PMSM自抗扰滑膜控制系统设计

2PMSM矢量控制基本理论

2.1PMSM的结构

PMSM由转子和定子等部分构成，它的定子结构与其他电机没有太大差别，而转子

图2.1PMSM结构图

Fig.2.1PMSMstructurediagram

表面式PMSM具有结构简单、转动惯性小等其他电机不可匹敌的优势。而且它可塑

性强，实际使用时研究人员常把气隙磁链分布近似正弦处理，这样能减小磁场谐波给电机

运行带来的影响，诸多优势使得它在实际工业生产使用中占比最大U久插入式PMSM受

到传统电机系统的热衷，因为它的磁链结构左右不相同，导致它的磁阻转矩与一般的磁阻

转矩有所差异，但是这反而会有利于增加电机的功率⑶L然而它的制作成本高、漏磁系数

大，让它在与表面式PMSM的竞争中占下风。内嵌式PMSM结构复杂，因为制作内嵌式

PMSM过程中设计师在转子的内部安装永磁体，这样会使得它拥有高气隙的磁通密度，

能产生其他电机难以达到的高转矩，在电机高速运行时依然可靠。

2.2PMSM的模型

2.2.1物理模型

通常很难直接得到精准的PMSM数学模型，所以，我们做出如下假设来帮助我们研

究PMSM数学模型：

（1）首先，理想地认为铁心磁导率为无穷大，不考虑铁心涡流，不考虑铁芯饱和，

不考虑磁滞损耗;

6

（2）其次，为使A、B、C三轴轴与轴之间互为120,转子产生正弦磁场，需将定子

绕组按照Y连接，不考虑高次谐波，不考虑转子阻尼;

（3）最后，假设在理想条件下运行电机。

图2.2PMSM的物理模型

Fig.2.2PMSMphysicalmodel

2.2.2PMSM三相静止A-B-C坐标系下的数学模型

1）定子电压方程

•，。=%8+〃心（仇，）(2.1)

uc=Rsic+pq，c（O，i）

其中，〃是PMSM定子电压（V）；是定子各相绕组电阻（C）；/•是PMSM定

子电流（A）；〃是微分算子〃=“4；3（”,〃是绕组磁链（Wb）；。是转子位置。

2）定子磁链方程

Ms

以（。，力MBALB(2.2)

MCB

其中，L是定子三相绕组的自感（H）；M是三相绕组的互感（H）%是三相

7

机床用PMSM自抗扰滑膜控制系统设计

绕组与转子永磁体组成的交链磁链。

因为PMSM的内部存在气隙，会使其三相绕组的自感和互感受到转子位置的干扰,

假设转子不影响绕组的自感和互感，可得：

LA=LR=L1c=%+乙加(2.3)

其中，L”是绕组漏电感；4,是绕组励磁电感。

27

-

3兀2-

由此可推出：

雇O,i)=LAiA+MABiB+MAcic+。)

，W/O.t)=L/B+MBAiA+MRcic+wJ8)<2.5)

W18,i)=L/c+MCA»A+Mc/fiB+WX。)

将(2.3)、(2.4)带入其中:

M氏i)K1%+L,n)。3一4L/c+WX夕)

22(2.6)

XLs«+LQi「3L<iff+"c)+%』。)

设PMSM定子绕组按照Y连接，则M+iB+ic=0，则有：

，、，3、、

M仇i)K%+5鼠)，八+“乂。)

Y4。+()乙+匕工夕)(2.7)

=4"+%/夕)

其中，(是等效的励磁电感£,“=(%,4是同步电感4=4+(。

交链的磁链为：

/0)=w*6)cosOrA

2

匕/。)=W.9)ca(心-不乃)(2.8)

2

0)=网0)cok0+—7t)

rAJ

其中，%是A相绕组轴线与永磁体基波磁场轴线之间的电角度(rad)。

8

由上可得PMSM定子磁链方程:

y/,(e,i)=LS，A+Me)coserA

2

7晨0、i)=LS，B+八0)co«%一铲)(2.9)

2

,e,i)=L&c+wk力CO&0—■-7V)

、rAJ

由此可以得到PMSM的定子电压方程：

“A=Rj+LsP『匕(夕)8用小

2

.映=Rsi"+9)仇「冗)(2.10)

J

2

u=Ri+L[)记一中.0)cosiii0+—江)

cscsrrA3

3)转矩方程：

22

1=一〃〃匕(夕)[isine.^isbi0--7c)+isbi^.+-)](2.11)

AtAHrAJc4J

其中，2为PMSM极对数。

4）运动方程:

JdcuBK

(=、--------+(or+9rA(2.12)

P“小P„P„

其中，8是粘滞摩擦系数（冲1口T）；，是负载转矩（1^1口）门是转动惯量（1<8.0?）；

K是扭矩弹性转矩系数（Nm/rad）o

2.2.3PMSM两相静止a-//坐标系下的数学模型

1）定了电压方程

%=RJ+PK”i)-3M0,0

(2.13)

%=Rsiq+P叫e,i)-①皿e,i)

凡是定子各相绕组电阻（Q）；〃是微分算子P=“/力；。是转子位置；牡是转子电

角速度（rad/s）o

9

机床用PMSM自抗扰滑膜控制系统设计

因为PMSM按照Y连接，可得:

lld=s3

at

(2.14)

di.

I。=R&j石+corLdid+叼匕(6)

2）磁链方程:

(2.15)

陷=Ljq

3）转矩方程:

（二g/4忆儿一匕北）

(2.16)

=9〃，』3儿'L「L）i/八

表面式PMSM有(=4=L,则有:

(=mPM/q(2.17)

4)运动方程：

jdM

=TBcoT(2.18)

dte心

其中，,是转动惯量；①是转子机械角速度口二q/B；7；是电机电磁转矩；B是粘滞

摩擦系数（N・m-s）；乙是负载转矩（N-m）。

10

2.3PMSM矢量控制理论

2.3.1坐标变换

由此可知，PMSM的数学模型可用三相静止A-B-C坐标系和两相静止a-4坐标进

行描述。

1)Clark变换：

(2.19)

2)Clark逆变换:

0

43\i

a(2.20)

叵

~2.

COS0sm6

(2.21)

-sinOcosO1:;]

4)Park逆变换:

icosO

a(2.22)

ipsinOcosOJ|_^j

5)A-B-C坐标系转换到旋转坐标系:

22

COS0coi0——乃)cok，+一兀)

2

33(2.23)

22

-sin—si*3——兀)-siti。+一兀)

33

11

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6)”-乡旋转坐标系转换到A-B-C坐标系:

-sin

2

-siii0——兀)(2.24)

3

-sifi0+—7t')

2.3.2SVPWM的基本原理

SVPWM的基本原理是：为了使电机磁链成为圆形的旋转磁场，进而获取磁链轨迹为

圆的PWM波控制信号，可以采用正弦化交流电机电流的策略，其本质是通过选择恰当的

三相逆变器进行切换，最终使磁链轨迹准确追踪磁链圆⑶】。这一技术通常使用于PMSM矢

量控制调速，来达到对电机的有效控制。

图2.3三相电压源型逆变器的电路示意图

Fig.2.3Thethree-phasevoltagetypeinvertercircuit

如上图所示，Y、v2.V3分别为逆变器的输出电压。

当开关闭合时用1表示，关断时用()表示。八个电压矢量中有六个非零矢量

UK001)>U2C010)>U3(01D、U4(100)、U5(10l)、U6(110)和两个零矢量U0(000)、

U7(l11)0

由上可知，一共有八种状态可出现在三个桥臂工作运行中，其中六个有效电压矢量:

110,001,011,101,010,100。两个零电压无效矢量：000以及111。六个有效值相

邻值之间相差60',电压幅值为2/3Ud。

12

逆变器对应不同开关组合所产生的8个电压组合方式，如表2.1所示。

表2.1对应开关状态下的相电压之间的组合关系

Tab.2.1Theinvertermodeandphasevoltagecorrespondingrelation

线电压相电压

S”S”SaLkU°NLNUN

000000000

100UA00%U〃_%UA一%UA

110UAUde0%”

0100UA仙

0110Ude

00100-%”_%UA

1010U公%”一%”

11100000

由上开关状态与电压关系的数据，电压空间欠量关系图绘制如图2.4所示。

P

Fig.2.4basicvoltagespacevectordiagram

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其中，非零电压空间包括6个幅值为2/311加的矢量，矢量之间在空间上互差4/3,

将其分别记为U。、“Go、U刖、U240＞U300,剩余的两个零电压矢量记为000a,0”。

2.3.3SVPWM的控制算法

通过对上文电压空间矢量关系的深入分析，只有六个扇区是有效值，于是将这六个扇

区平分。为了找到恰当的区分扇区的方法，我们可以研究图中给出的空间电压矢量。这里,

分别在两相静止(。-尸)坐标系中的。轴，夕轴上找出给定的空间电压矢量为U而所对

应的值，并依次定义为U，，、Us/,o

分析出判断扇区的方法如下：

定义匕,、以、匕.为三相坐标系上的投影标量值，即：

匕=%

r

,%—Us/)cos60。+Usfisin30(2.25)

Q

匕.=-Usf{cos60-U^sin30°

N=A+2B+4C(2.26)

可以由上面的计算式得出N的值，即给定”的权值。

其中，若吃＞0，则取A=l,否则取A=0；假如以＞0,令B=l,反之B=0；

假如匕＞0,令C=l,反之C=0,按照此规则可得到最终值。N的值被计算出来之后，0、

与可以通过X、Y、Z得出：

X=UspTp*M

UDC

3.C”

」=22—(2.27)

UDC

3〃6,

Z=22―5

UDC

14

N与。和，2作用时间的关系如表2.2所示。

表2.2各个扇区与非零电压矢量作用时间

Tab.2.2interactiontimebetweeneachsectorandnon-zerovoltagevector

扇区NIIIIIINVVI

ZY-Z-XX-Y

’2Y-XXz-Y-Z

假如出现0+才2>£这种情况，表明出现过调制，需要进行一下适当修正：

3=f,T

<(2.28)

T7=-^—T

可以用T1和替换。和12,重新定义每个占空比参数工“,”，加“，%：

JT-t-t^/4

•%,=晨”+。/2(2.29)

几小加+4/2

表2.3各个扇区和开关时间对应关系

Tab.2.3correspondencebetweensectorsandswitchingtime

扇区NIIIIIIIVVVI

TTbonTaonTaonLonTbon

a兀〃

TTaonTconTbonJonTco„

b乙”

TconTaoTbon

I心”Q”n几,

15

机床用PMSM自抗扰滑膜控制系统设计

2.3.4矢量控制原理

矢量控制系统经过国内外学者们多年研究发展有了成熟的控制方法，常用的四种如

下：

1）控制

PMSM的定子电流有。和ig,当设。=。时，只存在定子电流系统简单，通过改

变1的值来控制电机，有利于控制效果提升。

将（2.16）化简得：

M儿一匕

二5〃必＜2.30）

3

2）cos（p=1控制

COW=/控制既能加强运行效率和功率因数，又能节约变频器的空间12叫其关键在于

保持PMSM功率因数为1,需使PMSM电动势与电压的夹角等于电动势与定子电流的夹

角,即：

［吟（2.31）

其中，八夕是电机内功率角。

3）弱磁控制

当逆变器的直流侧电压上升到峰值是，电流调节器会因此产生饱和。PMSM弱磁控

制能有效处理该问题，通过减小电机励磁电流，改变励磁磁通来获得较宽的调速范围，在

基速以上高速运行的时候实现功率恒定调速。

U=夕L儿）2,乙/十%）2（2.32）

其中，p是电机凸极率"=」。

Ld

16

4)最大转矩控制

最大转矩控制将最好的直轴电流和交流电流结合在一起，以达到给定转矩。最大转矩

控制不但能使PMSM的消耗大大减少【23］，而且有利于营造适合逆变器工作的环境。

52(L「Lq)

(2.33)

2(p-1)Ld

其中，"是直轴电流分量。

2.3.5PMSM矢量控制系统仿真

上文对简单介绍了PMSM矢量控制系统，下图为PMSM矢量控制系统仿真结构图。

图2.5PMSM矢量控制系统仿真图

Fig.2.5PMSMVectorControlsystemSimulationDiagram

17

机床用PMSM自抗扰滑膜控制系统设计

3PMSM自抗扰滑模控制系统设计

本章基于PMSM调速系统速度环传统自抗扰控制器和电流环传统滑模控制器口〕,设

计了PMSM自抗扰滑模控制器，进一步提高响应速度以及系统的鲁棒性。仿真结果证明

了该方法的有效性您

3.1速度环自抗扰控制器设计

上一节为方便我们研究PMSM数学模型所做的假设下，表贴式PMSM满足

Ld=Lq=L,由此可得PMSM状态方程：

：R..u.

L-yq+P，叫+十

：.R.Pa(Pf

%-p,e7’夕—-iMri(3.1)

.3PBT

a)=-------i------co--L

r2JnqJrrJ

其中，R是电机定子绕组电阻；L是定子电感；乃是极对数；①,是电角速度；Q、与

是d、q轴的电压；。、1是d、q轴的电流；力是永磁体与定子交链磁链。乙是负载转

矩；/是转动惯量；。是粘性摩擦系数。

本文采用。=0控制策略，因此状态方程简化如下:

：R.PM

i=——L-------co+—

nqrr

qLLL(3.2)

.3p〃%.B3

CO=---------------CD--

r2JqJrJ

18

控制器结构，如图3.1所示。

图3.1一阶ADRC控制器

Fig.3.1first-orderADRCcontroller

由式(3.2)可得机械运动方程为：

(br=aiq-bcDr-c(3.3)

其中，&=皿1=晨工

2JJJ

^d=-bcor-c,则式(3)可重新写为：

cbr=aiq+d（3.4）

其中，d是所有干扰之和，心是给定的q轴电流，。为电流增益。

分析ADRC控制可得，一阶跟踪微分器：

,£/。=力一血（3.5）

八］=-NfK

其中：片是血的跟踪信号；4是跟踪因子。

一阶扩张状态观测器：

£n=ZirCOr

«2〃=z"一£"%/（£〃《•〃/〃）+叫（3.6）

2/2=—£/2%/（£〃，口“，》〃）

其中，卬是例的跟踪信号；立是d的观测值；为、42是输出误差校正因子。

19

机床用PMSM自抗扰滑膜控制系统设计

非线性反馈控制律:

£/2—/

，iqO=_B/bfaQ£/2,。/2,访2)(3.7)

"iq(rzjb

其中，y0是交轴电流控制量：i；是给定的交轴电流C

函数fak£,a,3)如下：

F1/时制(“同>5

fal(£,a,bX(3.8)

其中，£是输入误差变量；a是零到一之间的非线性因子；a是滤波因子°

3.2电流环滑模控制器设计

滑模变结构控制系统的运动主要有两部分构成，分别为趋近运动和滑模运动126-28］。普

通的滑模变结构控制只要求控制系统能够趋近滑模平面，但该控制方法不能反映通过何种

方法趋近滑模平面，而趋近律控制方法能够提高滑模运动的动态品质。因此为了提高滑模

趋近运动过程中的性能和抑制滑模抖振现象12叫对电机控制系统采用趋近律的方式进行控

制削

针对传统的指数趋近律存在一定缺陷，采用一种基于时变切换增益的指数趋近律方

法。设计PMSM电流滑模控制器，在切换增益中加入修正因子，使得切换增益在趋近运

动以及接近滑模区时能够保持较小的值，且能够随着系统状态在滑模运动过程中收敛。

(1)指数趋近律

/=4阿£(3.9)

修正因子p闻设计为：

加)|=』­(3.10)

其中，。是一个较小的正常数。由以上两式可得修正获得时变切换增益，满足：

liin£,=0(3.11)

x->0

20

其中，＜£o

状态方程为：

(3.12)

、4轴定子电流误差，。,、J是"、轴电流给定，〃“、”g是4、

夕轴电压。

d-q轴状态空间方程为：

A/A/2与0

X+U+(3.13)

e„4/0%E）

A_Rs

其中,；A?=_乎;&/=一g"；B[=一；1%=一，

LdLqLdLdL,

F_R.S.Lq.L(.R.1

E]=­l(trA%；Er2=­Tl*+六s/+7/必o

LdLdLqLdL

（2）滑模面设计

积分滑模面能有效减小跟踪信号所产生的稳态误差，提升控制精度。

单输入输出中，积分滑模面表达式为:

=cfxdt+x(3.14)

Jo

其中，C是滑模面积分系数c〉0,X是系统状态变量。

由上式可得滑模动态运动方程:

s=cx+x=O(3.15)

由此可得:

—ei(3.16)

其中，为是x的初始值。

积分滑模面为:

21

机床用PMSM自抗扰滑膜控制系统设计

(3.17)

其中，C/、C)是d、，7轴滑模面积分系数。积分分离法能处理C/、C2过大导致的脉宽

变大以及系统饱和。

积分分离的滑模面表达式为：

%=1

<.(3.18)

_卜［；外力+［小分的

分外〉分㈣

其中，ed(th}'与⑹是"、V轴滑模面积分分离阈值。

3)趋近律设计

改进的指数趋近律，其表达式为：

%+。2

其中，£,、&2、/、力是大于零的常数；%、。2是〃、夕轴修正系数。

采用边界层法可以有效减小系统的高频抖振°饱和函数法采用SS(S)代替峭〃(5)。

饱和函数为：

sg〃(s)忖>(5

saf(s)=<sII(3.20)

—5<6

611

其中，3是边界层厚度。

平滑函数法采用如下的平滑函数。。，心)代替跖〃($):

co〃(s);HTT(3.21)

卜1+0

其中，3是平滑系数。

对于"-，/轴电流滑模控制器，将烟〃(s)代替为如下的平滑函数:

(3.22)

其中，5期是d或q轴平滑函数的平滑系数。为「抑制抖振和提高系统的动态特性,

应采用自适应方法对平滑系数进行实时调整。

由此可得电流滑模控制律为：

u=

--[(^/+4)二+42分+£/0同)/〃区)+〃吊](3.23)

-y[(0+4)%++£2〃峪)+—.

3.3仿真研究

本文设计的PMSM滑模自抗扰调速系统原理图如下,

电

压

型

逆

器

变

图3.2PMSM滑模自抗扰控制系统原理图

Fig.3.2PMSMsuliciiialiudiagramofslidingmodeADRCcoulrulsystem

23

机床用PMSM自抗扰滑膜控制系统设计

本文设计的PMSM滑模自抗扰调速系统

图3.3PMSM滑模自抗扰控制系统仿真结构图

Fig.3.3PMSMSimulationstructureDiagramofslidingModeAutodisturbancerejectionControlsystem

为了验证控制系统的效果，对控制系统进行仿真研究。所使用PMSM参数如表所示。

表3.1PMSM驱动系统的主要系数

Tab.3.1PMSMmaincoefficientsofdrivingsystem

序号参数数值

1额定转矩/(Nm•1.7

2转动惯量/(kgm2)0.089

3永磁体磁链/(Wb)0.1848

4摩擦系数/(N・m(S-HKI-I))0.005

5极对数2

6定子电阻4.765

7d、夕轴电感L(H)0.0078

24

滑模自抗扰控制与传统PI控制空载时转速变化比较曲线如图所示。图3.4为升速时对

比曲线，仿真给定转速400rad/wm为，运行到0.5s时提高到600rad/min<>由仿真结果可

以清晰的看出，采用滑模自抗扰控制的PMSM调速系统没有超调，抖振现象明显减小而

且变速过程很平稳。

8001।।।

0---------------'----------------1----------------1----------------1----------------

00.20.40.60.81

时间/S

图3.4升速时转速曲线比较图

Fig.3.4comparisonofrotationalspeedcurvesatrisingspeed

图3.5是减速的时候对比曲线，从4(X)rad/min到600rad/min同样，在图中明显可以

看到滑模自抗扰控制与传统PI控制相比削弱了抖振，抑制了超调，过渡也更平稳。

800

6oo

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2OO

图3.5减速时转速曲线比较图

25

机床用PMSY自抗扰滑膜控制系统设计

Fig.3.5comparisonofspeedcurvesduringdeceleration

滑模自抗扰控制与传统PI控制负载时转速变化比较曲线如图所示。加载时两种控制

方法仿真结构如图3.6所示，给定转速600rad/机加运行到0.5s给系统加载。仿真结果显示,

控制系统负载增加的时候，滑模自抗扰控制转速跌落少，明显优于传统PI控制。

800

6oo

4oo

2oo

0

00.20.40.60.81

时间/S

图3.6加载时转速曲线比较图

Fig.3.6comparisonofspeedcurvesduringloading

图3.7为系统减载时滑模自抗扰控制与传统PI控制转速变化比较曲线。根据仿真结果

可知滑模自抗扰控制变化平稳，有着传统PI无法比拟的优点。

800--------------1-----------------------------------1-----------------------------------1----------------------------------1----------------------------------

6oo

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00.20.40.60.81

时间/S

图3.7减载时转速曲线比较图

Fig.3.7comparisonofspeedcurvesduringloadreduction

26

图3.8为传统PI控制与本文滑模自抗扰控制正反转时转速比较曲线。图中可以明显看

出传统PI控制出现较大超调，系统抖振明显、转速过渡不平稳。

(

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髀

Fig.3.8comparisonofrotationalspeedcurvesduringpositiveandnegativerotation

滑模自抗扰控制器在加载、减载时三相定子电流的仿真结果如图3.9所示，系统在().2

秒时加载，在0.4秒时减载，由图中可以明显看出电机负载发生改变的时候，定子电流反

应迅速、曲线平稳而且呈正弦。

图