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永磁同步电机调速系统滑模变结构控制若干关键问题研究

张晓光  
【摘要】:永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高和运行可靠等诸多优点在数控机床、航空航天和机器人研究等领域得到了广泛应用。然而永磁同步电机是一个强耦合、多变量、非线性的复杂系统,为了满足在复杂工作环境下高可靠性与高性能的控制要求,需要解决参数摄动、外部扰动等不确定性因素所带来的诸多问题。本文以复杂工作环境下永磁同步电机调速系统为研究对象,开展基于滑模变结构控制理论的非线性控制策略、扰动自抑制控制技术、无位置传感器运行方法及逆变器故障诊断技术的相关研究,探讨高性能与高可靠性永磁同步电机驱动控制的实现途径与策略,具有理论与工程应用双重价值。 首先,建立了永磁同步电机的数学模型,并对滑模变结构等速趋近律与指数趋近律进行了分析。指出其趋近速度与滑模抖振水平存在的矛盾问题,在其基础上提出了两种新型滑模趋近律,在有效抑制传统滑模趋近律抖振现象的同时进一步提高了趋近速度,解决了现有趋近律存在的矛盾问题。给出了基于趋近律的转速与电流滑模控制器设计方法与过程,构建了永磁同步电机滑模调速系统,提高了系统控制性能。 其次,深入分析了扰动对系统控制性能影响,以扰动量作为系统扩展状态提出了一种扩展滑模扰动观测器,给出了观测器参数选取原则。所提出的扰动观测器能够同时对内部参数摄动与外部负载扰动进行准确估计,并且其具有的一阶滤波功能可以有效抑制滑模抖振。为了克服系统参数摄动、外部扰动等不确定性对电机控制性能的影响,结合所提出的扰动观测器与滑模速度控制器提出了一种抗扰动复合控制策略。该策略将扰动观测器实时估计的系统扰动量前馈输入到滑模速度控制器中,提高了永磁同步电机调速系统的抗扰动能力。 再次,为增强系统环境适应能力、提高系统可靠性,分析基于传统滑模观测器的永磁同步电机转子位置与速度估计方法,并指出其存在的低通滤波器影响观测精度的问题,在高阶滑模控制与终端滑模控制基础上提出了一种二阶混合终端滑模观测器,并对其滑模控制律进行了设计,所提出的新型观测器在有效抑制滑模固有抖振现象的同时避免了传统滑模观测器中低通滤波环节的引入,提高了转子位置与速度的观测精度。同时,在其基础上进一步分析了永磁同步电机参数摄动对观测器估计结果幅值与相位的影响; 最后,为了进一步提高永磁同步电机调速系统的可靠性,构建了永磁同步电机调速系统混合逻辑动态模型与滑模电压观测器,在此基础上提出一种无电压传感器永磁同步电机逆变器开路故障诊断方法,该方法首先获取混合逻辑动态模型提供的先验电压信息与电压观测器估计电压信息之间的残差,然后对电压残差进行分析与评价从而提取故障信息,所提方法实现了永磁同步电机逆变器开关管开路故障的准确定位与诊断,解决了电压传感器带来的增加系统潜在故障源与环境适应性差等问题。


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