基于改进滑模速度控制器的永磁直线同步电机直接推力控制

直接推力控制#向凡，许鸣珠（石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄 050043）摘 要：针对永磁直线同步电机（PMLSM）直接推力控制中存在的超调量大、抗负载扰动能力差、响应速 度慢等问题，提岀了一种改进的滑模控制速度调节器。该算法中滑模控制趋近律的设计在等速趋近律的基础 上

PI速度控制

的趋近律，能

,

不在滑动模态阶段时切换 的增大。仿真 ：与改进后的滑模速度控制器应用在PMLSM直接推力控制

提升, 了 PMLSM推力响应的抗扰动性能。中， 速度在负载时的响应时 、抗扰动能力

关键词：永磁直线同步电机；加权积分型增益趋近律；滑模控制；直接推力控制中图分类号：TM341

文献标志码：1 文章编号：1673-6540（2019）06-0038-06Direct Thrust Control of Permanent Magnet Linear Synchronous Motor

Based on Improved Sliding Mode Speed Controiler *XIANG Fan, XU Mingzhu(School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043 , China)Abstract: An improved sliding mode control speed sgulatos was proposed fos permaneny magnet lineas

synchronous motos (PMLSM) direcO thrusO control system which had the defectr such as laroe overshooO, poos load disturbance resistance, slow responss and so on. The weighted integal gain reaching law was combined with the

constant speed reaching law to reducc the increass of the switching gain when the system was not tn the sliding mode

phase. The simulation compared with PI controllcs showed that the response time of the system speed unde load

change was shortened, and the anti-disturbancc ability was improved obviousay when the improved sliding mode speed

conteoaeewasappaied tothePMLSM dieecttheustconteoasHstem.Key worUt: permanent magnet linear synchronout motor (PMLSM) ； weighted integral gain reaching law ； slining mode control ； direct thrst control0引言永磁直线同步电机（PMLSM）兼具永磁电机 节能直线电机的 大、响应迅速、

，

简、推力& ，直线电机驱动 的 负直接反应的

1比载扰动等不 的影响

PMLSM对控制

控制中〔%*,

电机 &在PMLSM直接推力控制 [

中，速度调节器一般采用常规PID控制，但 PMLSM

等 ， 在；机床、

、 、工 ⑴。PMLSM机 自动化等，无中间机械磁

时， 电机

、

对在时 ，生 〔3* ,直接推力PID对调动机构，直接产生直线运动,能大幅度 存在的磁 推力脉动问题，

*基金项目：国家自然科学基金面上项目（11472180）

作者简介：向 凡（1993-）,男，硕士研究生，研究方向为控制理论与电机控制。许鸣珠（1967-），女，教授，硕士生导师,研究方向为控制理论与控制工程&—38 —电机易抄制应用2019,46 (6)速系统的精准性和快速性控制稍显不足&

文献)6］提出一种基于不匹配干扰观测器的 新型滑模控制

，使电机速度快速跟随 超调&文献)7］设 了自适应反推滑模控制和多阶

段速度规划 合控制，保证了 的鲁棒 快速跟踪性&文献)8］过在滑模

控制器中快速幕次趋近律基础上 指数项

状态量来解决趋近速度慢和指数项

的抖振问题&文献［9］采用鲁棒滑模控制和自适应控制相

结合，解决PMLSM

不 外部扰动 ：抗扰动性能不佳的问题&文献［10］针对电

机的速度环路设计了

终端滑模控制器，以保证电机反馈速度信号在有限时间内收敛到给定

信号&上述控制方法虽然取得了较好的控制效

, 应于电机调速的矢量控制 ，在PMLSM直接推力控制

中，由于直接推力控制难以 推力脉动问题 负载扰动

，因此其对调速

的抗扰动能力和快速响应提出了更的 &针对PMLSM直接推力控制系统中推力响

应快、 、负载扰动等造成的推力和速度控制的脉动及抗扰动性弱等问题,本文提出了

一种改进的滑模控制速度调节器，代替

PI速度调节器&在趋近律的设计上，将等速趋近

律 的趋近律 合&改进滑模控制在滑动模态阶段，当滑模面函数趋近于

零时，其 趋近于零， 的滑模控制器即在 项中包含切换函数的 绝对值，

滑模面函数趋近于零时，切换项的增趋近于零，从而消除抖振；当不在滑动模态 阶段，滑模面函数值较大，其

较大，导致切换项的增益较大，抖振严重，此时在 项中负的 值0，

当

不在滑动模态阶段时切换项 的增大&为了进一步减小PMLSM直接推力控制的推力和速度的脉动，

把空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)技术

.PMLSM直接推力控制

，进行仿真分析&仿真 ： 改进的滑模速度控制器在PMLSM 直接推力控制 中， 速度响应

比常规PI速度控制器，

响应快、超调小、抗负载扰动能力强等

&控制与应用技术I EMCA1 PMLSM数学模型本文控制

边 长 的动 式PMLSM&两 12坐标系下的PMLSM电压方程［11］为一 ［ 叫二4!Fi + p!i-----\"

!(\")“ 3 RFq + p! 5 ；叭式中：Ui、Ui-----1、2轴电压；rs——每相绕组电阻；------/、2轴电流；p---微分算子；!、！---1、2轴磁链；T----极距；”一

动速度&磁 方程为

b =式中：Li、Lq——1、2轴电感；!——次级永磁体磁链&PMLSM 状态方程为'C+--d 二----Rf 82 ! . Ud{ dt. L1, -I----------------I -I-----------i1 Li1 t 2 Li1 (3)d+2 = L1 ! . Rf U2 ! !I dt L2 \" L2 L2

L2 \"PMLSM电磁推力为=P; %\"［峽 + (L1-L2)也］(4)对于隐极型PMLSM，满足条件L1 =L,=LS，其 电磁推力可简化为［1%］&3P! 1j = ；石！嘉=P； %\" ~j~!i I !丨 sin 8 ( 5$

式中：P；——极对数；l!l —初级绕组磁链幅值；8—

绕组磁 永磁体磁链之间的 ， 或者负载角&PMLSM机械运动平衡方程为*不d7

=&(/ 6、J )式中：*---运动部分质量；/——负载；—39 —控制与应用技术I EMCA电机与控剧定用2019,46 (6)<——黏性摩擦因数。：2改进滑模变结构控制器设计2. 1改进趋近律滑模控制的提出与分析滑模控制

控制 的一种控制策? = 3 sC(Ax + Bu) (10)

滑模面以外的 以在有限时间内到达滑模面的 为卩3$s V 0 ( 11)

略，与 PID控制的根本区别在于控制的不连& 种不

及扰动不、对 速度快等 会造成

控制 对参数变在线 、响应当5 = 0， 理 的滑动模态控制时,u的解ue为 在滑动模态区内的等效控制&ueq 3 一 (CB厂1 CAx ( 12)u 3 ueq + ud， 种不 的的抖振。在于滑动模态的可设计性且滑模控制的

其中：与 及扰动 ,PMLSM直接推力控制系推力脉动

•ud 3_ Ktn@ - 0w I t$ 3 $J 0中，电机 的 作 扰动，设计合适的滑动模态， 较 的鲁 ( ( )(P n(，新的控制律设计为13@KP + s@d9 'K〉0，Ke V 0，K〉1(CB) -1 CAx |&棒性& 一的滑模控制 的

在满足下能够趋近滑模面，对于以何种方式趋近外加干扰的

在 项p的构造 式中，当$0时,K{p<0；p<0时,Kp>0& 在 项中 负的权值,动态的 不在滑模阶段时切换

不会不关丿L、，而趋近律控制可以保证趋近运动的动 态品质。针对 不

的控制律

，一大， 在较 平，从而消除抖振&等效控制及切换控制。为了减小、消除抖振，在等速趋近律的基础上控制律式(13 )代式(10),:? 3 5s 3 S(J( Ax + Bu) 3 sCAx + sCBu 二

sCAx + sCB[ - (CB) -1 CAx 一 Ksgn(s)-

，其中 项的 以消除外部扰动

的稳态误差，负的

换项 不

值保证趋近模态时切K $sgn( s* 3-KwCB| $ K-KCBl 訂 V 0( 14)

大)13-4&*以式# 7) 的

近律的基 上

为例，对在等速趋的 合趋近律由Lyapunov 7 理可知新型混合趋近律的控制器 进 的&Ld =Lq=Ls,对进 析研究：x = Ax + Bu

(7)(8)2.2滑模速度控制器的设计对于 PMLSM,满足

：定义滑模面的函数为% 二 Cx

PMLSM 取直接推力控制方法，经过简 理,其中,A、B、C均为不依赖状态x和输入u的d+It ：(满足滑模

_ a 11 -•-

' 1n \"，且CB〉0 &■=11 --=1n_；B 3Ld !.4s t uq !e !7d -----1 + -----—------------Lq \"L2 L L \"A31 3!.d733 *(:石叽、dt(15)

_ '(1 -•- 'nn --=n1

-•-=nnPMLSM

1的状态 量：37 * 67(16)

_ > …C3…>nn -&(9)

[%% 3 D1 3 - ?式中：7* 电机的给定速度，一般为常量对式# 16)求导，得：3-?3-M (孰‘厂/)1定义Lyapunov函数为2—40 —s22

D 二一 7 二

1

1 3!:：---!{qM 2\" q(17)

电机与披制应用2019,46 (6). 1

3 定义U = Aq，F=*PFn牙！f，则式(17 )可写成:定义滑模面函数：

@ = >1 + d2

(19)式中：c---待设计参数,c〉0。对式# 19)求导， ：s = cc1 + d2 =〉2 一 Du (20)改进控制律用等速趋近律与加权相结合，：U = D[ c〉2 + 0sgn(s) + Kw\\$sgn(s) * ( 21)

可得：以=D$ >2 + Ksn(s + Kl I$sgn(s) * dt( 22)

由直接推力控制系统设计,速度调节器输出

为给 推力,即：1( 23)3系统仿真分析利用 MATLAB/Simulink仿真平台搭建

PMLSM直接推力控制系统&在直接推力控制中,

取消磁 推力滞环调节模块与 模块， SVPWM调制合成的

空间电压矢量控制

器脉冲宽度调制(PWM)的 出，来减小推力和磁链脉动问题。图1所示为PMLSM直

接推力控制

&图1 PMLSM直接推力控制系统结构框图控制与应用技术I EMCA在控制系统中，速度调节器的作 给速度和PMLSM

速度进行调节，输出作为直接推力控制模块的推力给定值,其控制性能的

对

电机控制性能影响重大。速度调节器PI控制和改进滑模

控制进了 PMLSM在空载起动加载

负载起动减速的两种不同

状态下的对

真。真用PMLSM 为：直电压二

300 V, 质量 *二30 kg,绕组电阻Rs R3.54 \",

永磁体磁链！二0.28 Wb, 1、g轴电感Ld =Lq =

0.008 6 H,极对数：；=3,

t二0.032 j，黏 摩擦因数 <二0.1。改进滑模控制器参数设置为:>

50,0 二 600,0二5,0二-5 &为了 证改进滑模速度控制器在PMLSM直接推力控制

的控制性能，仿真过程包括了从空载起动

态 负载 负载态 速度 两种

状态，即状态1:真时间2 s,给

速度7二0.32 rn/s( 5 Hz),磁链给定值! =0.28 Wb, PMLSM空载起

动，1 F 载100 N；状态2：真时间2 s,给速度7=0.32m/s,给

磁 值二0.28 Wb，带负载100 N 动，1 s丿 速至

0.192 m/s(3 Hz)。状态1 时,对速度调节器 PI与改进滑模速度控制, PMLSM 直接推力控制 的 推力响应曲线和速度响应曲线

2〜图5&状态2

时， 的推力响应曲线和速度响应曲线

6〜图9

&400tioo0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0t/s 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

图2状态1 PI速度调节器控制的系统推力曲线0.2 0.4 0.6 0.8 1.0t/s 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0图3状态1改进滑模速度调节器控制的系统推力曲线—41 —控制与应用技术I EMCA图4状态1 PI速度调节器控制的系统速度曲线O.3(-SUI)/AO. O.2 超 1咚

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0t/s 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

5状态1改进滑模速度调节器控制的系统速度曲线图6状态2 PI速度调节器控制的系统推力曲线t/s7状态 2 改进滑模速度调节器控制的

推力 线37SO. •O.旦

O.2

个超1

咚

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0t/s 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

图8状态2 PI速度调节器控制的系统速度曲线03- 0-20 -1

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0t/s9状态2改进滑模速度调节器控制的系统速度曲线—42 —电机与控剧定用2019,46 (6)由图2〜图5 , PI速度控制速度、推力曲线在0.06 s时 态，1.00 s时,负载由空载加载到100 N,PMLSM的控制系统在1.05 s时给定值，且推力的波动约在±4 N,

的速度响应有8.75%的超调量，且在0.60 s时

：到速度给定值0.32 m/s,当1.00 s时负载 时,速

度曲线

生扰动，直 1.50 s时重新

给定值,扰动的 值为0.297 5 m/s,即速度最大偏

值为0.022 5 m/s； ,控制 的推力响应在改进滑模速度控制器 0.10 s 时 状态,1.00 s时 100 N负载,1.03 s时即

到给定值，且推力波动约为±4 N, 的速度曲线超调，0.15 s时即 给定值0.32 m/s,1.00 s加载时,1.08 s时即 新

给定值，且最低扰动速度值为0.31 m/s,即速度最大

值为0.01 j/加由 , 滑模速度控制时，相较于PI速度控制，速度曲线消除了超调量，系统

态的时

的1/4,抗负载扰动能力大大提升，突然 载时，重新 速度给定值的时 PI控制时的约1/6,且扰动程度大幅度减小。推力的性能控制在状态1 时大

致相当。由图6〜图9可知，当系统带额定负载起动运

行,1.00 s 时由0.320 m/s减速至 0.192 m/s,PI 速度

控制时，推力曲线在0.06 s时达到稳态,1.00 s时系

速,负载发生扰动,1.05 s时重新

给定值,扰动值 为-400 N, 推力输出波动约为±3 N,而速度曲线，有4.69%的超调量,0.50 s时达

到给定速度0.320 m/s,1.00 s时减速，约1.50 s时达

给 速值，且减速的最低值为0.185 m/s。采改进滑模控制时,0.10 s时即

给 值0.320 m/s, 1.00 s 时减速至0.192 m/s, 1.15 s 时达到

给定减速值,且减速 为0.320〜0.192 m/s,系统的推力曲线0.10 t

态,1.00 s时速度发生改变，推力曲线相应发生波动,1•56 st

新回到给值，最低推力波动为-100 N&由 以分析出,PMLSM 在状态 2

时, 滑模速度控制时,较于 P 速度控制, 速度 线 超调, 态时为 的 1 s3, 速时, 新 速度 态的

时间仅为 的30%； 推力曲线，速度发生扰动时,改进滑模控制的速度扰动的程度比PI控制

下减少了 75%。电机易抄制应用2019,46 (6)控制与应用技术I EMCA由PMLSM在两种不同状态的运行状态下，

模控制系统[J* .电机与控制应用，2017,44 (10)： 8.[5 *蔡满军，赵晓东，于彬，等.带跟踪微分器的永磁直

采用改进滑模速度控制

PMLSM直接推力控制

PI速度控制，中， 的速度控制性于

PI控能在快速跟随和抗负载扰动上

线同步电机的PID神经元网络控制[J*.电机与控 制应用，2017,44(2) : 18.[6 *周华伟，于晓东,高猛虎，等.基于不匹配干扰观测

制，在 推力响应中，改进的滑模控制在稳态时PI控制相当，但速度改对推力波动的抑制

器的圆筒型永磁直线电机新型滑模速度控制[J* ■

变时，负载抗扰动能力提高了 3倍&中国电机工程学报,2018,38(7) : 2163.[7 *赵希梅，吴勇慷.基于多阶段速度规划的PMLSM

4结语本文针对PMLSM直接推力控制中传统PI速 度调节器存在的超调量大、抗负载扰动能力差、响

自适应反推滑模控制[J*.电工技术学报,2018,33

(3) : 662.[8 *戴鹏，徐楠，谢后晴，等.永磁同步电机调速系统的

应速度慢等问题，提出了一种基于等速趋近律和

合的滑模 控制器。并

针对

快速幕次趋近律控制[J *.电机与控制学报,2017,

21( 11) : 32.[9 * PANAH P G, ATAEI M, MIRZAEINN B, et al. A

直接推力控制中推力和磁 环控制带的 出脉动问题， SVPWM模；择robust adaptive sliding mode control for PMLSM with

variable velocity profile over wide range) J *. Research

电压参考矢量，并且利用MATLAB/Simulink仿真

Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology,2015,10(9) : 997.平台进行研究分析。仿真 较于

扰动

： 改进滑模控制的PMLSM直接推力控制系统的速度响应

*)10陈东博.基于积分型终端滑模控制的永磁同步电

PI控制，无超调，快速

&【参考文献】跟随 '机伺服控制系统研究)D* .合肥：合肥工业大学， 2018.，抗负载扰动能力 提升，推力响应对速度的)11*王旭.永磁同步直线电机推力波动优化及驱动器

设计)D* .芜湖：安徽工程大学,2017.)12*马桂新.永磁直线同步电机无速度传感器直接推

[1 * TING C S，CHANG Y N，SHI B W，et al. Adaptive

backstepping control for permanent magnet linear

力控制方法研究)D* .沈阳：沈阳工业大学,2017.)13*焦尚彬，席振强，刘丁，等.基于

52( 10) : 93.项的模糊滑synchronous motro serve drive [ J *. INT Electriv

Poweo Applications，2015，9(3) : 265.模超导电源控制器研究)J* .电力电子技术,2018,

)14*牛雪梅，高国琴,鲍智达，等.基于加权积分增益的

[2 *李月凡.永磁直线同步电机直接转矩控制系统的

研究与实现[D].上海：上海电机学院，2016.温室移动机器人滑模控制研究)J* .控制工程，

2013,20(6) : 1203.[3 *张可明.基于模糊-PIN的永磁同步直线电机控制

方法研究)D* .长春:长春工业大学，2018.收稿日期：2019-01-30[4 *车志远，陈军强,杨春雨，等.永磁直线同步电机滑

声明本刊已许可万方 、重庆普、中国学术

络传播本刊全文。该社著作

费与本刊相期刊(光盘版)电杂志社、北京世纪超星信息

技术发展有限责任公司在其网站及其系列

费用抵消。如作者不同意文章被收录，请在来稿时向本刊 ，本刊 适当处理。《电机与控制应用》编辑部库 中以数字化方式复制、汇编、 、信息网

—43 —