基于滑模觀測(cè)器永磁同步電機(jī)迭代學(xué)習(xí)控制

李 暉，劉偲艷，田擁軍，蘭永紅

(1.湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湘潭 411100;2.湘潭大學(xué)，湘潭 411105)

0 引 言

永磁同步電機(jī)因其高功率密度、低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和高效率等特點(diǎn),在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的伺服系統(tǒng)技術(shù)中具有廣泛應(yīng)用。但是，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的存在制約發(fā)展，因此對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的研究具有實(shí)際意義[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方向開(kāi)展了很多研究，總體可分為兩類[1]：第一類主要考慮從電機(jī)設(shè)計(jì)方向進(jìn)行優(yōu)化[2]，使電機(jī)參數(shù)更理想，從而提高轉(zhuǎn)矩的平滑性，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。但該類方法對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制效果有限，電機(jī)造價(jià)卻很大程度增加。第二類主要考慮從電機(jī)控制方向進(jìn)行優(yōu)化，使控制算法更優(yōu)，從而抑制脈動(dòng)分量。文獻(xiàn)[3]采取諧波電流注入法，能夠?qū)崿F(xiàn)指令電流的完全跟蹤，較好地抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[4]利用自適應(yīng)控制技術(shù)，在線調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。文獻(xiàn)[5]提出一種在線估計(jì)技術(shù)的閉環(huán)控制算法，較大程度地抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。但這些方法都依賴于永磁同步電機(jī)精確的數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[6]提出一種ILC策略，通過(guò)重復(fù)利用輸入輸出信息構(gòu)造產(chǎn)生目標(biāo)輸出的控制信息，從而改善跟蹤性能，且不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型。

高階ILC算法[7]同時(shí)利用當(dāng)前迭代過(guò)程輸入輸出信息和歷史信息來(lái)構(gòu)造學(xué)習(xí)算法，從而得到新的控制輸入。與普通學(xué)習(xí)算法相比，高階迭代學(xué)習(xí)算法具有更高的系統(tǒng)收斂速度。

本文在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上，采用高階形式，利用歷史迭代過(guò)程的控制信息，可提高系統(tǒng)收斂性能。

上述控制策略均需要獲得精確的轉(zhuǎn)子速度和位置信息，傳統(tǒng)傳感器測(cè)量簡(jiǎn)單、有效，但增加電機(jī)造價(jià)、復(fù)雜程度，同時(shí)易受環(huán)境影響，降低可靠度。文獻(xiàn)[8-9]提出滑模觀測(cè)器，能有效估算轉(zhuǎn)子信息，但同時(shí)引入抖振。本文設(shè)計(jì)二階滑模觀測(cè)器估算轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，可克服傳統(tǒng)滑模觀測(cè)器“抖振”的問(wèn)題。最后，利用MATLAB/Simulink仿真說(shuō)明了此方法的有效性。

1 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機(jī)(面貼式)在同步旋轉(zhuǎn)(d-q)坐標(biāo)系d，q軸電壓方程：

diddt=-RLid+ωeiq+1Lud

(1)

diqdt=-RLiq-ωeid-ψfLωe+1Luq

(2)

式中：id,iq為定子電流d，q分量；ud,uq為定子電壓d，q分量；L,R為定子電感、電阻；ωe為轉(zhuǎn)子電角速度；ψf為永磁體磁鏈。

永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程：

Tm=3p2ψfiq=ktiq

(3)

式中：kt=3p2ψf為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

永磁同步電機(jī)動(dòng)力學(xué)方程：

dωdt=3pψf2Jiq-BJω-TLJ

(4)

式中：J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；B為摩擦系數(shù)；TL為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩；ω為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度。

2 迭代學(xué)習(xí)控制器

為了定性分析二階迭代學(xué)習(xí)控制策略，考慮如下動(dòng)態(tài)系統(tǒng)：

x·k+1(t)=Axk+1(t)+Buk+1+f(x)

yk+1(t)=Cxk+1(t)+dk

xk+1(0)=0,t∈[0,T0]

(5)

式中：[0,T0]為運(yùn)行持續(xù)時(shí)間；A，B,C分別為相應(yīng)維數(shù)的矩陣，且滿足CB≠0；f(x)為非線性量；dk為轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)。由文獻(xiàn)[10]可知，所有含微分增益Γd的學(xué)習(xí)控制策略，其收斂條件都一樣，可表示：

ρ=1-ΓdCB<1

(6)

定理1:向量函數(shù)f:f(t)=[f1(t)，…，fm(t)]T，t∈[0,T0],那么向量函數(shù)f的Lebesgue-p范數(shù)[11]：

(7)

由文獻(xiàn)[12]可以知道,limp→∞‖f(·)‖=‖f(·)‖∞=‖f(·)‖sup。

2.1 二階迭代學(xué)習(xí)控制器

假設(shè)yd(t),t∈[0,T0]為目標(biāo)輸出，構(gòu)造二階PD型ILC (L(c1,c2))如下：

u2(t)=u1(t)+Γp1e1(t)+Γd1e·1(t)

uk+1(t)=c1[uk(t)+Γp1ek(t)+Γd1e·k(t)]+

c2[uk-1(t)+Γp2ek-1(t)+Γd2e·k-1(t)]

(8)

ρ1=‖1-Γd1CB‖<1

ρ2=‖1-Γd2CB‖<1

(9)

第k+1次迭代系統(tǒng)跟蹤誤差ek+1(t)可表示：

‖ek+1(·)‖p=c1ρ1‖ek(·)‖p+c2ρ2‖ek-1(·)‖p

(10)

所以，limk→∞‖ek+1(·)‖p=0，二階迭代學(xué)習(xí)控制算法收斂。證明系統(tǒng)在有限時(shí)間內(nèi)能夠收斂，下面將對(duì)收斂速度進(jìn)行分析。

2.2 一階迭代學(xué)習(xí)控制器

假設(shè)式(8)中c1=1，控制律退化為一階PD型ILC(L(1))，表達(dá)式如下：

uk+1(t)=uk(t)+Γp1ek(t)+Γd1e·k(t)

t∈[0,T0]，k=1,2,3,…

(11)

式中：Γp1，Γd1，uk(t),ek(t)與式(8)一樣，結(jié)合電機(jī)動(dòng)力學(xué)式(4)和PD-ILC的收斂條件式(6)，可得一階迭代學(xué)習(xí)控制算法的收斂條件：

ρ1=1-Γd1CB<1

(12)

第k+1次迭代系統(tǒng)跟蹤誤差ek+1(t)可表示：

‖ek+1(·)‖p=ρ1‖ek(·)‖p

(13)

所以，可得limk→∞‖ek+1(·)‖p=0，一階迭代學(xué)習(xí)控制算法收斂。

3 收斂速度對(duì)比

令limk→∞‖ek+1(·)‖p‖ek(·)‖=ρ，由文獻(xiàn)[12]可得ρ值大小與系統(tǒng)跟蹤誤差收斂速度成反比，這樣，可通過(guò)比較ρ值的大小來(lái)判斷L(1),L(c1,c2)收斂速度的快慢。令L(1),L(c1,c2)的ρ值分別為ρ[L(1)]，ρ[L(c1,c2)]。式(10)兩邊同時(shí)除以‖ek(·)‖p，并取極限可得：

ρ2-c1ρ1ρ-c2ρ2≤0

(14)

那么，式(14)解的范圍：

c1ρ1-(c1ρ1)2+4c2ρ22<ρ

(15)

由于c1+c2=1，又ρ>0。則上述不等式等價(jià)于0<ρ

F(c1)=c1ρ1+(c1ρ1)2+4c2ρ22,0

(16)

對(duì)F(c1)進(jìn)行微分可得：

(17)

ρ1(c1ρ1)2+4ρ2(1-c1)=

即F′(c1)>0，可得：F(c1)min=ρ2,F(c1)max=ρ1。

所以ρ[L(c1,c2)]=F(c1)<ρ1=ρ[L(1)]，證明L(c1,c2)誤差收斂速度比L(1)快。

F(c1)min=F(1)=ρ1

F(c1)max=F(0)=ρ2

(19)

所以，ρ[L(c1,c2)]=F(c1)>ρ1=ρ[L(1)]，證明L(c1,c2)誤差收斂速度比L(1)慢。

從上述分析可得，比例增益Γp1，Γp2和微分增益Γd1，Γd2的值決定不同的ρ1,ρ2的值，決定L(c1,c2)收斂速度與L(1)收斂速度的關(guān)系。

4 二階滑模觀測(cè)器設(shè)計(jì)

在靜止α-β系，永磁同步電機(jī)模型[13]：

i^α=-Riα-eα+uαL

i^β=-Riβ-eβ+uβL

(20)

式中：iα,iβ為定子電流;uα,uβ為定子電壓;eα,eβ為反電動(dòng)勢(shì)。

eα=-ψfωesinθe

eβ=-ψfωecosθe

(21)

式(21)為α-β坐標(biāo)系PMSM數(shù)學(xué)模型。利用該數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)二階滑模觀測(cè)器如下：

i^·s=-Ri^s+us+zL

(22)

結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1二階滑模觀測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖

式(22)中：i^s=[i^α,i^β]是is=[iα,iβ]的估算值；us=[uα,uβ]；z=[zα,zβ]。由式(20)、式(22)相減可得到電流估算誤差表達(dá)式：

s·s=i^·s-i·s=-RssL+esL+zL

(23)

式中：ss=[sα,sβ]為電流估算誤差；sα=i^α-iα，sβ=i^β-iβ；es=[eα,eβ]。

設(shè)計(jì)滑模面：

式中：k1,k2分別為滑模面比例、積分增益。

定理2：若根據(jù)式(23)系統(tǒng)誤差狀態(tài)方程設(shè)計(jì)滑模面為式(24)，式(25)、式(26)、式(27)是所設(shè)計(jì)的滑?？刂坡?，那么，定子電流估算誤差i^s=[i^α,i^β]為零，二階滑模觀測(cè)能有效地估算轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)收斂。

z=zeq+zsw

(25)

式中：zeq,zsw分別為等效控制算法和切換控制算法。等效控制應(yīng)滿足條件S·=0,結(jié)合式(24)可得：

zeq=-k2k1Lss+Rss-es

(26)

zsw=Lksgn(S)

(27)

證明：系統(tǒng)Lyapunov函數(shù)定義：

V=12S2

(28)

對(duì)式(28)求導(dǎo)可得：V·=S·S

SS·=S[k1ss+k2ss]=

Sk1L[-Rss+es-k2k1Lss+Rss-esLksgn(S)]+k2ss=

S[k1k2sgn(S)]=k1kS

(29)

當(dāng)k1k<0時(shí)，則V·<0。二階滑?？刂茲M足S=S·=0，系統(tǒng)收斂。反電動(dòng)勢(shì)可表示：e^α=-zα,e^β=-zβ。

故永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)值：

θ^e=-arctaneαeβ=-arctanzαzβ

(30)

可推算出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速觀測(cè)值：

(31)

5 系統(tǒng)仿真

采用二階PD型迭代學(xué)習(xí)控制產(chǎn)生q軸補(bǔ)償電流，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，永磁同步電機(jī)參數(shù)選取如表1所示。

在仿真試驗(yàn)中參數(shù)設(shè)計(jì)：Γp1=0.8,Γd1=0.01，Γp2=0.3，Γd2=0.006，加權(quán)系數(shù)c1=c2=0.5，k1=1,k2=15,k=30 000。MATLAB/Simulink參數(shù)設(shè)定：PMSM起始目標(biāo)速度值500 r/min，0.2 s目標(biāo)速度設(shè)定為300 r/min。PMSM起始目標(biāo)轉(zhuǎn)矩5 N·m，0.1 s目標(biāo)轉(zhuǎn)矩設(shè)定為10 N·m。

圖2系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

表1永磁同步電機(jī)參數(shù)

參數(shù)值參數(shù)值定子電阻R/Ω0．56極對(duì)數(shù)p3轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J/(kg·m2)0．0021永磁磁通Ψf/Wb0．82定子電感L/H0．0153粘滯摩擦系數(shù)B0．0001

圖3表示采用二階PD型迭代算法時(shí)系統(tǒng)的輸出響應(yīng)圖，圖4表示采用一階學(xué)習(xí)算法時(shí)系統(tǒng)輸出響應(yīng)圖。在擾動(dòng)情況下，二階迭代學(xué)習(xí)控制在0.1s時(shí)刻轉(zhuǎn)矩增至10N·m，能準(zhǔn)確跟蹤外部目標(biāo)值；0.2s時(shí)刻轉(zhuǎn)速降為300r/min，轉(zhuǎn)矩收斂速度快于一階迭代學(xué)習(xí)控制，三相定子電流脈動(dòng)值小于一階迭代學(xué)習(xí)控制。

(a) 三相定子電流

(b) 轉(zhuǎn)速(c) 電磁轉(zhuǎn)矩

圖3二階ILC控制系統(tǒng)仿真圖

(a) 三相定子電流

(b) 轉(zhuǎn)速(c) 電磁轉(zhuǎn)矩

圖4一階ILC控制系統(tǒng)仿真圖

在如圖5所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。圖6(a)轉(zhuǎn)速為500r/min時(shí)相應(yīng)轉(zhuǎn)子兩相電流波形，圖6(b)此時(shí)定子電壓波形，圖6(c)為電機(jī)位置估計(jì)的波形。

圖5實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

(a) 兩相電流波形

(b) 定子電壓波形(c) 電機(jī)位置估計(jì)波形

圖6實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)永磁同步電機(jī)的周期性脈動(dòng)問(wèn)題，提出一種二階ILC策略，利用Lebesque-p范數(shù)對(duì)系統(tǒng)誤差的收斂情況進(jìn)行分析，然后與傳統(tǒng)迭代學(xué)習(xí)算法進(jìn)行對(duì)比，并分析誤差收斂速度與比例、微分設(shè)置的關(guān)系。另外提出二階滑模觀測(cè)器估算電機(jī)轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速，通過(guò)配置不同增益可獲得快速的收斂速度。

[1]JAHNSTM,SOONGWL.PulsatingtorqueminimizationtechniquesforpermanentmagnetACmotordrives-areview[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,1996,43(2):321-330.

[2]CHUWQ,ZHUZQ.Investigationoftorqueripplesinpermanentmagnetsynchronousmachineswithskewing[J].IEEETransactionsonMagnetics,2013,49(3):1211-1220.

[3]LIZhixin,CHENZhenfei，AlShufeng.Torqueripplereductionfornon-sinusoidalback-EMFpermanentmagnetsynchronousmachineswithcurrentharmonics[J].2016 19thInternationalConferenceonElectricalMachinesandSystems(ICEMS),Chiba,2016:1-4.

[4]DongQuangDang,MuhammadSaadRafaq,HanHoChoial.OnlineParameterEstimationTechniqueforAdaptiveControlApplicationsofInteriorPMSynchronousMotorDrives[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2016,63(3):1438-1449,.

[5]XUY,PARSPOURN,VOLLMERU.Torquerippleminimizationusingonlineestimationofthestatorresistanceswithconsiderationofmagneticsaturation[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2014,61(9):5105-5114.

[6] 孫明軒,畢宏博,周國(guó)良,等.反饋輔助PD型迭代學(xué)習(xí)控制:初值問(wèn)題及修正策略[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),2015,(1):157-164.

[7] 逄勃,邵誠(chéng).高階參數(shù)優(yōu)化迭代學(xué)習(xí)控制算法[J].控制理論與應(yīng)用,2015(4):561-567

[8] 亓立鋒,楊淑英,張興,等.基于滑模觀測(cè)器的PMSM無(wú)速度傳感器控制[J].電力電子技術(shù),2016,(1):102-104+108.

[9] 史婷娜,肖竹欣,肖有文,等.基于改進(jìn)型滑模觀測(cè)器的無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015(8):2043-2051.

[10] OUYANG P R,PIPATPAIBUL P I.Iterative learning control:a comparison study[C]//ASME 2010 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. American Society of Mechanical Engineers,2010:939-945.

[11] PINSKY M A.Introduction to Fourier analysis and wavelets[J].Graduate Studies in Mathematics,2009,32(9):376.

[12] XU J X,TAN Y.Robust optimal design and convergence properties analysis of iterative learning control approaches[J].Automatica, 2002,38(11):1867-1880.

[13] 魯家棟,劉景林,衛(wèi)麗超.永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,(7):105-111.