发明内容

本发明的目的是设计一种基于改进指数趋近律的永磁同步电机模糊滑模控制方法。为解决基于常规趋近律变结构滑模控制永磁同步电机调速系统动态性能差和鲁棒性低等缺点，抑制滑模控制策略中的抖振，进一步提高控制系统的控制性能，提出了一种基于变指数系数趋近律的滑模电机调速控制方法。在滑模控制中常规指数趋近律的基础上引入系统状态范数，使滑动运动阶段运动点趋近滑模面的速率以及滑动模态阶段抖振幅度与系统状态变量相关，使趋近速度与系统状态变化相关联，从而有效地增加了系统响应速度和趋近速度、减少了系统的抖振。改进后的控制方法有效地提高了系统的响应速度和精确度，削弱了系统抖振,对不确定扰动具有较强的鲁棒性,大大改善了调速系统的性能，使电机具有更好的动、静态性能。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案

一种基于改进指数趋近律的永磁同步电机模糊滑模控制方法，永磁同步电机控制策略采用速度、电流双闭环控制，电流环采用PI控制器，转速环采用基于改进指数趋近律的模糊滑模控制，其中，永磁同步电机速度环模糊滑模控制器用模糊控制算法在线调整趋近律参数，平滑控制信号，所述的改进趋近律是在传统指数趋近律的基础之上加入系统的状态变量，使滑动运动阶段运动点趋近滑模面的速率以及滑动模态阶段抖振幅度与系统状态变量相关；当系统运动点的轨迹距离滑模面较远时，系统状态变量的范数的值相对较大，此时趋近速率大，可以保证运动点在最短时间内的达到滑模面；当运动点轨迹靠近滑模面时，等速趋近项趋近于零，指数趋近项起主要作用，然后系统运动点在滑模面两侧来回穿越并趋近于原点，在此过程中，系统状态变量的值逐渐减小，则运动点在滑模面两侧的抖振幅度也随之减小，并最终在原点处趋于稳定；

具体步骤如下：

步骤1：在d-q坐标系下永磁同步电机数学模型为：

式中：u_d、u_q分别为定子电压的d-q轴分量；i_d、i_q分别为定子电流的d-q轴分量；R_s为定子电阻；ω_e为电角度；L_d、L_q分别为d-q轴电感分量；ψ_f为永磁体磁链；p_n为极对数；

结合i_d＝0的控制方法电机数学模型可等效变化为：

式中，L_s为定子电感；

步骤2：定义系统的状态变量为：

式中，ω_r为额定转速；ω为实际转速；e为电机转速误差；

可得：

步骤3：定义滑模面函数s为：

s＝qx₁+x₂

式中，q为常数，且＞0；

改进趋近律如下：

式中，为系统状态范数；s为系统滑模面函数；ε为趋近速率，k为趋近系数，ε，k＞0；

结合永磁同步电机机械运动方程及电磁转矩方程,得q轴电流参考值如下:

式中，P_n为电机转子极对数,ψ_f为永磁体磁链,J为电机转动惯量；

步骤4：为满足电机参数变化及干扰作用对电机运行稳定性的要求，将模糊控制与滑模控制相结合，以平稳控制信号。电机转速误差e及其变化率与滑模面s成正比，以s和ds/dt作为模糊控制器的输入，以趋近律参数k、ε为输出，设定s、ds/dt以及k、ε的值均量化到模糊论域区间[-3 3]内，模糊集合为 {NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},其中NB为负大、NM为负中、NS为负小、ZO为零、PS为正小、PM为正中、PB为正大，设置隶属度函数为三角形隶属函数，最终建立电机速度环模糊滑模控制器。

在一些实施方式中，所述的改进指数趋近律为：在传统的指数趋近律的基础上，引入系统状态范数||X||，使滑动运动阶段运动点趋近滑模面的速率以及滑动模态阶段抖振幅度与系统状态变量相关。

在一些实施方式中，所述的速度环模糊滑模控制，以电机转速误差e为输入，经过滑模控制算法得到q轴的参考电流分量i_qref，其中，以滑模面函数s和ds/dt 为模糊控制的输入，通过模糊逻辑对改进趋近律中的参数k、ε进行实时调节。

有益效果

本发明的一种基于改进指数趋近律的永磁同步电机模糊滑模控制方法，为了改善永磁同步电机的转矩输出性能以及调速性能，以减小滑模控制中传统指数趋近律抖振为目的，提出了一种改进指数趋近律，并结合模糊控制建立了电机转速环模糊滑模控制系统，改进后的指数趋近律相比于传统指数趋近律，系统运动点趋近滑模面时的速率更大，到达时间更短，且能改善传统指数趋近律在原点处产生较大稳态抖振的问题；改进指数趋近律能使系统在稳态时，系统运动点稳定于原点，大大减小了稳态时的抖振，使系统具有更好的稳态性能。在采用改进指数趋近律的调速系统控制下的永磁同步电机响应速度更快、抗扰动性更强，具有良好的调速性能和更平稳的转矩输出特性；相较于传统指数趋近律的方法，电机到达稳态的时间大大缩短，且不存在超调，转矩波动更小，在负载突变时可以快速精确的调整系统到稳定状态，动态响应性较好，鲁棒性有所提升。