本發(fā)明涉及滑?？刂疲绕渖婕耙环N基于pmsms的雙滑模無傳感器控制方法。

背景技術：

1、高速度電主軸集成了電機和機床主軸，是先進數(shù)控機床的核心組件，使用永磁材料可以減小主軸的體積和重量，從而實現(xiàn)高功率密度、高可靠性和高效率的電主軸。在電主軸控制中，扭矩控制具有重要意義。

2、然而，傳統(tǒng)的電主軸控制策略存在以下問題：對傳感器依賴性；控制精度和穩(wěn)定性不足；高速范圍內(nèi)滑模控制和觀測器的不足。

3、目前常用的電主軸控制策略，如磁場定向控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，依賴于傳感器來獲取轉(zhuǎn)子位置和速度信息；這不僅增加了系統(tǒng)的復雜性和成本，還可能受到操作環(huán)境限制，降低系統(tǒng)的可靠性。而現(xiàn)有的無傳感器控制策略包括高頻信號注入法、載波頻率分量法、直接計算法、觀測器法和智能估計法等，這些方法由于原理限制分別在零低速范圍內(nèi)和中高速度范圍內(nèi)較為有效，反之則受限，并且在控制過程中存在較大超調(diào)和抖振，進一步導致電主軸輸出扭矩的不穩(wěn)定。

4、滑?？刂剖且环N常用的非線性控制技術，盡管滑?？刂萍夹g具有較強的魯棒性和抗干擾能力，但由于系統(tǒng)慣性帶來的切換時間滯后、空間時間滯后和控制切換時間滯后，滑?？刂仆鶗庥龆墩駟栴}。

5、文獻“永磁同步電機雙滑模無傳感器矢量控制研究”中提出的雙滑模控制，在設計觀測器時引入雙曲正切函數(shù)替代開關函數(shù)，并結(jié)合滑模速度控制器來增強系統(tǒng)的魯棒性，削弱系統(tǒng)抖動；但其系統(tǒng)在啟動階段仍存在嚴重超調(diào)。

6、文獻“基于雙滑模變結(jié)構(gòu)mras的pmsm矢量控制研究”用滑模控制器代替觀測器中的pi環(huán)節(jié)和pi速度調(diào)節(jié)器，但控制系統(tǒng)仍存在抖振，當跟蹤高速主軸時會因高頻抖振而造成系統(tǒng)無法收斂。

7、此外，現(xiàn)有技術中如分段指標函數(shù)、模糊滑模觀測器、積分非奇異終端滑模表面和變化增益超扭轉(zhuǎn)滑模觀測器，雖然在一定程度上改善了系統(tǒng)性能，但仍未能完全解決超調(diào)、抖振和抗干擾能力不足的問題。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有方法的不足，本發(fā)明解決傳統(tǒng)的無傳感器控制方案在實際應用中存在控制系統(tǒng)的超調(diào)、抖振以及響應遲緩等問題；以及滑?？刂坪陀^測器設計在處理系統(tǒng)中的奇異性問題時存在困難，且控制器的設計難以兼顧控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，導致輸出扭矩不穩(wěn)定問題。

2、本發(fā)明所采用的技術方案是：一種基于pmsms的雙滑模無傳感器控制方法包括以下步驟：

3、步驟一、基于pmsms數(shù)學模型建立終端滑?？刂破髂Ｐ停O置終端滑模面函數(shù)，以非線性控制項優(yōu)化轉(zhuǎn)速以改善扭矩特性，引入變增益系數(shù)；在速度控制器設計中結(jié)合趨近律，引入sigmoid函數(shù)改善控制中的不連續(xù)性；終端滑?？刂破饕噪娭鬏S給定速度和估測轉(zhuǎn)速誤差作為輸入，q軸電流iq作為輸出；

4、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，終端滑模面函數(shù)的公式為：

5、

6、其中，x1和x2為跟蹤誤差；參數(shù)α>0；p、q為正奇數(shù)；h(x1)為可變增益；γ為任意實數(shù)；sign為切換函數(shù)。

7、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，將終端滑模面函數(shù)中的切換函數(shù)sign替換為sigmoid函數(shù)。

8、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，sigmoid函數(shù)的公式為：

9、

10、其中，b為控制參數(shù)。

11、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，趨近律的公式為：

12、

13、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，q軸電流iq作為輸出的公式為：

14、

15、其中，d＝1.5pnψf/j；j為電主軸轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量；ψf為主軸轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；pn是電主軸極對數(shù)；ωm表示轉(zhuǎn)子機械角速度；b為粘性摩擦系數(shù)。

16、步驟二、對終端滑模面函數(shù)進行有限時間收斂證明，并對速度環(huán)控制器進行穩(wěn)定性分析；

17、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，利用lyapunov函數(shù)對速度環(huán)控制器進行穩(wěn)定性分析，利用可達性準則，判斷速度控制器是否達到滑模面。

18、步驟三、基于pmsms數(shù)學模型建立滑模觀測器模型，滑模觀測器以電流實際值與觀測器電流誤差作為輸入，以電主軸轉(zhuǎn)子速度和位置信息作為輸出，結(jié)合sigmoid函數(shù)改進滑?？刂坡傻亩墩?，并集成相位鎖定環(huán)，用于提取轉(zhuǎn)子位置和速度；

19、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，sigmoid函數(shù)改進滑模控制律的公式為：

20、

21、其中，δ,λ,μ均為不為零的常系數(shù)；表示觀測值與實際電流誤差；vα,vβ為滑?？刂坡?。

22、步驟四、對滑模觀測器設計進行穩(wěn)定性判定；

23、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，利用layapunov函數(shù)對滑模觀測器進行穩(wěn)定性分析。

24、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，滑模觀測器進行穩(wěn)定性分析的條件為：δ≥max(|eα，eβ|)，eα，eβ分別表示α-β軸向的擴展反電動勢分量。

25、本發(fā)明的有益效果：

26、1、有效減輕抖振和扭矩脈動：ntsmc的應用有效減輕了控制系統(tǒng)中的抖振和扭矩脈動，降低了超調(diào)，提升了系統(tǒng)響應速度；

27、2、準確的轉(zhuǎn)子速度和位置跟蹤：該策略能夠準確跟蹤轉(zhuǎn)子速度和位置，成為機械傳感器的可行替代方案，拓寬了電主軸的潛在應用領域；

28、3、優(yōu)異的抗干擾能力：該策略在外部負載擾動下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗干擾能力，確保了系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性；

29、4、本發(fā)明方法在控制精度、速度以及調(diào)參復雜度方面都有明顯優(yōu)勢，能夠降低系統(tǒng)成本，提升運行效率，相較于現(xiàn)有方案具有顯著改進的控制性能。

技術特征：

1.一種基于pmsms的雙滑模無傳感器控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的基于pmsms的雙滑模無傳感器控制方法，其特征在于，終端滑模面函數(shù)的公式為：

3.根據(jù)權利要求2所述的基于pmsms的雙滑模無傳感器控制方法，其特征在于，將終端滑模面函數(shù)中的切換函數(shù)sign替換為sigmoid函數(shù)。

4.根據(jù)權利要求3所述的基于pmsms的雙滑模無傳感器控制方法，其特征在于，sigmoid函數(shù)的公式為：

5.根據(jù)權利要求1所述的基于pmsms的雙滑模無傳感器控制方法，其特征在于，趨近律的公式為：

6.根據(jù)權利要求1所述的基于pmsms的雙滑模無傳感器控制方法，其特征在于，q軸電流的公式為：

7.根據(jù)權利要求1所述的基于pmsms的雙滑模無傳感器控制方法，其特征在于，利用lyapunov函數(shù)對速度環(huán)控制器進行穩(wěn)定性分析，利用可達性準則，判斷速度控制器是否達到滑模面。

8.根據(jù)權利要求1所述的基于pmsms的雙滑模無傳感器控制方法，其特征在于，sigmoid函數(shù)改進滑?？刂坡傻墓綖椋?/p>

9.根據(jù)權利要求1所述的基于pmsms的雙滑模無傳感器控制方法，其特征在于，利用layapunov函數(shù)對滑模觀測器進行穩(wěn)定性分析。

10.根據(jù)權利要求9所述的基于pmsms的雙滑模無傳感器控制方法，其特征在于，滑模觀測器進行穩(wěn)定性分析的條件為：δ≥max(|eα，eβ|)，eα，eβ分別表示α-β軸向的擴展反電動勢分量。

技術總結(jié)
本發(fā)明涉及滑模控制技術領域，尤其涉及一種基于PMSMS的雙滑模無傳感器控制方法，包括設置終端滑模面函數(shù)，以非線性控制項優(yōu)化轉(zhuǎn)速，引入變增益系數(shù)；在速度控制器設計中結(jié)合趨近律，引入Sigmoid函數(shù)；終端滑?？刂破饕噪娭鬏S給定速度和估測轉(zhuǎn)速誤差作為輸入，q軸電流作為輸出；對速度環(huán)控制器進行穩(wěn)定性分析；滑模觀測器以電流實際值與觀測器電流誤差作為輸入，以電主軸轉(zhuǎn)子速度和位置信息作為輸出，結(jié)合Sigmoid函數(shù)改進滑?？刂坡傻亩墩?，并集成相位鎖定環(huán)，用于提取轉(zhuǎn)子位置和速度；對滑模觀測器設計進行穩(wěn)定性判定。本發(fā)明解決傳統(tǒng)的無傳感器控制方案在實際應用中存在控制系統(tǒng)的超調(diào)、抖振以及響應遲緩等問題。

技術研發(fā)人員：單文桃,趙婧倩,朱建平,韓振華,談齊峰,巢淵,李坤,李成真
受保護的技術使用者：江蘇理工學院
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/19