文摘
对轴承感应电动机控制性能低的问题(BIM)控制系统在大负载扰动的存在,一种新型负载转矩滑模观测器的基础上,提出了建立滑模速度控制系统。观察者选择的负载BIM的速度和负载转矩控制系统作为观察对象,使用速度误差积分滑模面设计,并添加低通滤波器减少转矩观测误差。与此同时,负载转矩的输出作为前馈补偿控制系统,它可以提供所需的电流负载变化和减少扰动对系统性能的不利影响。此外,考虑到不同转动惯量变化导致的负载,采用积分识别方法来识别BIM的转动惯量和负载的转动惯量可以更新实时观察。仿真和实验结果都表明,该方法可以准确跟踪负载转矩,提高抗扰动能力,改善BIM的操作质量控制系统。滑模抖振的同时有效地抑制。
1。介绍
基于相似性原理的磁轴承和交流电(AC)电机定子结构,女子就形成了。两套绕组的定子槽内嵌在女子,可分别产生电磁转矩和径向悬浮力。BIM达到快速旋转转子稳定悬浮的集成通过改变线圈中的电流,避免了机械轴承摩擦、磨损和润滑。它打破了传统异步电动机发展的瓶颈向更高精度和速度方向(1- - - - - -5]。女子有很多优势比传统的异步电动机,如结构简单、统一的气隙,机械强度高,高速和超高速运行的腐蚀或其他特殊环境。因此,它在医疗设备显示了广阔的发展前景,交通、国防等等(6- - - - - -9]。然而,BIM具有非线性的特点,multivariability和强耦合。传统的PI控制器不能获得高性能控制BIM被负载转矩控制系统时(10]。
滑模变结构控制作为一种特殊的非线性控制,可以按照轨迹设计的人,有目的地调整操作根据系统状态,可以获得优良的控制性能。由于滑模控制不仅可以设置的人,但也不需要高精度数学模型和扰动具有很强的鲁棒性,它成为一个热门研究课题11- - - - - -15),它正逐渐应用于交流伺服系统。在[16),一个新的达到法律旨在提高滑模的操作质量。同时,它是应用于速度控制,有效地提高了鲁棒性的永磁同步电动机永磁同步电动机系统。在[17),结合模型参考自适应滑模控制被用来获取速度。结果表明,它增加了永磁同步电动机的转子速度的估计精度和减少的嚷嚷起来。在[18),采用滑模控制发电机基于非线性的运动器材- - - - - -特性曲线。发电机输入电流谐波的数量大大减少。在[19),传统的滑模控制与自适应模糊逐步退焊法联合方案。仿真证明,该方法提高了不匹配不确定系统的性能。在[20.),滑模控制处理获得反电动势的难题,并最终实现无刷直流电机的直接转矩控制。在[21),滑模控制是用来检测永磁同步电动机的速度和位置。实验结果证明了该滑模观测器的有效性。在[22),基于非奇异终端滑模算法和逐步退焊法的方法,提出了滑模观测器和位置控制器,它可以迅速扭矩准确地估计和跟踪的位置。在[23),不确定的奇摄动非线性的自适应滑模控制系统设计。它不仅降低不确定性的影响,而且还保证了控制性能。在[24,25),加载滑模观察家提出了。他们减少的不利影响负载变化对永磁同步电动机和在某种程度上提高了控制系统的抗干扰能力。然而,他们都忽略了这个问题,导致不同的转动惯量和负载变化控制系统大嚷嚷起来。因此,系统不能达到最佳的动态性能。
一种新的滑模观测器的负载转矩,其中状态变量是速度和负载转矩,提出了抑制负载转矩变化的影响BIM控制系统。一个低通滤波器中使用观察者的观察误差降低扭矩。此外,《观察家报》作为给定的电流前馈补偿减轻滑模控制器的输出压力(SMC)。此外,采用积分识别方法有效识别BIM的转动惯量,提高精度。仿真和实验结果表明,该方法克服了不利影响调速系统生成的负载扰动和增强系统的抗干扰能力。
2。BIM的动力学模型
根据电磁场理论,径向悬浮力的女子可以建立坐标(6] 在哪里,,;和径向悬浮力的组件吗和的方向;下标““代表了转矩绕组,下标”“代表了径向悬浮力绕组,“代表定子,”“代表转子;和分别代表着极双转矩绕组和悬浮绕组;和是当前组件下的悬浮力绕组定子轴;是悬浮力绕组的互感;转子的有效长度;定子内径;是真空的渗透性;和分别显示的有效匝数转矩绕组和悬浮力绕组;和和的组件的转矩绕组磁链吗坐标,分别。
转矩绕组和悬浮力绕组,女子是一个非线性、强耦合和复杂的系统。为了简化BIM的分析,给出了一个假设,悬浮力绕组只创建一个旋转磁场。可以被描述为转子电压方程 在哪里和转矩绕组的转子电压吗坐标;转子电阻;和分别是气隙磁场速度和转子速度;和微分算子。
磁链可以表示为 在哪里和定子漏电感和转子转矩绕组的漏电感,分别。
建立了电磁转矩方程
运动方程写成 在哪里负载转矩和吗转动惯量。
坐标转换后,转子磁通可以表示为轴 使轴的旋转坐标转矩绕组与转子磁链,它是写成。公式(6)可以简化为
将公式(7)到公式(2),励磁电流和滑动速度可以得到如下: 在哪里和是转子时间常数。
电磁转矩方程变成 在哪里转子自感。图1转子磁场定向解耦控制的框图。
3所示。SMC BIM的速度
系统状态变量被定义为 在哪里给定的速度和吗是实际的速度。
滑模面的选择
本文选择趋近律(16]削弱固有的抖振:
根据李雅普诺夫稳定性理论,广义滑模存在条件是写成12]
区分(14关于时间,就15)用(13): 公式(15)总是站起来。因此,该系统可以在有限的时间内到达滑模面。
区分关于时间,就可以了
选择避免了微分干涉,设计滑模控制器 从(18),可以看出,当前可以消除稳态误差,提高系统的准确性。
4所示。小说负载转矩滑模观测器的设计
4.1。负载转矩滑模观测器的设计
考虑到控制器的开关频率高,负载转矩可以被视为一个恒值控制循环。考虑负载转矩为一个扩展,女子的状态方程可以表示为
基于上面的方程中,扩展负载转矩观测器写成 在哪里;滑模增益;反馈增益;和和是电角速度和负载转矩的估计,分别。
的估计误差被定义为速度和负载
因为速度的形式表达的转矩变化是最后,设计滑模面由状态变量。建立了滑模面(23),以减少系统超调:
区分滑模面,结合(13)和(5),它可以获得 因为系统负载转矩是一个未知的变量,是记录为零负载转矩的估算时间。
为了降低滑模抖振,符号功能由饱和函数代替吗(25]:
公式(24)可以表示为
为了改善滑模观测器的观测精度,一个低通滤波器7]所示(27)添加到观察:
负载转矩观测器的输出作为前馈扰动补偿和给定的电流被描述为 在哪里是转矩观测的前馈增益。
从(18)和(28),它可以知道和在公式(18)需要足够大,满足负载扰动,而大和增加离散的振幅大小和导致大嚷嚷起来。然而,在(28),观察到的干扰是用来提供所需的电流干扰,不需要大变化和。因此,负载转矩前馈补偿方案降低了滑模的增益幅度,降低控制系统的负面影响造成的干扰。
4.2。负载力矩与转动惯量滑模观测器在线识别
当一个滑模观测器设计,系统的转动惯量通常被看作一个已知数量。然而,在实践中应用,负载的变化会导致惯性变化。因此,在线识别惯性和及时更新到观察者的整体控制性能将大大提高BIM系统。与高精度和强鲁棒性的特点,整体识别算法用于识别网上的转动惯量。BIM的速度循环图结构基于积分识别如图2。
方程(5)是写成 在哪里转动惯量的估计和吗是集干扰及其具体表达式如下: 在哪里是惯性错误,。
由上面的公式中,可以发现,干扰的输出扭矩的形式。与此同时,观察扭矩可以获得。使用和不断递归修正基于惯性选择初始值,递归方程可以表示为
因此,识别精度的惯性依赖。为了获得高的精度,本文选择一个周期速度信号,并使用积分消除转矩扰动对转动惯量的影响。
由于采样频率高,负载转矩被认为是和速度信号满足。经过双方的公式(30.)乘以和集成,方程写成
由于负载转矩恒定在一个周期中,负载转矩的定积分(32)可以计算如下:
因此,(32)可以简化为
从(34),可以发现,在惯性负载扰动的影响已经得到了解决。
方程(34)可以表示为
结合(35惯性),递归方程识别可用
惯性识别,可以实现自动更新到负载观测器。
5。仿真和实验研究
5.1。仿真的结果和分析
验证的有效性小说惯性负载转矩观测器与功能识别在线和前馈补偿方案BIM调速系统,控制系统构建的模拟模式。BIM的控制框图包括两个部分:旋转部分和悬架部分。在旋转部分,SMC输出给定的电流通过输入速度误差。结合给定的气隙磁通收到,励磁组件。用坐标变换的方法,给出的两相励磁电流转换成三相电流。获得与当前监管,三相的电流用于控制转子的旋转。悬架部分的径向悬浮力的BIM输出PID控制器。与,悬浮绕组中的电流可以计算。通过坐标变换和电流调节所需的三相电流。转子的稳定悬浮和快速旋转是最终实现的。BIM的整个控制框图如图3和女子的具体参数如表所示1。
在仿真中,转动惯量设置为0.00769 /公斤·m2和给定的速度r / min。基于积分的跟踪特征识别算法,信号一步选为给定速度的幅度是10000 r / min和采样周期的定义是年代。4显示了转动惯量的波形识别当系统负载扰动。可以看出,转动惯量收敛于给定的值在一个采样周期。当系统受到负载扰动(8 N·m),有小波动,迅速恢复稳定。因此,积分识别算法具有更好的跟踪能力和展示了干扰良好的鲁棒性。
数据5(一个)和5 (b)显示估计的负载和实际负载在负载突变。所示(a)和(b),突然负载(8 N·m)添加到系统中年代。然后,负载下降至0 N·m年代。从图可以看出5滑模观测器可以准确地跟踪负载转矩和具有较强的鲁棒性。
(一)
(b)
图6显示BIM的突然的模拟负载(8 N·m)。数据6(一)和6 (b)SMC的输出电流和负载转矩观测器,分别。图6 (c)显示的速度响应BIM在本文提出的控制策略和传统SMC。图6(一)显示当前从SMC稍微增加,迅速返回到稳定值。图6 (b)表明,负载转矩观测器的补偿电流迅速上升,它提供了足够的电流干扰。图6 (c)表明BIM的速度控制的传统SMC较大的波动,需要更多的时间来经营以原来的速度比该方法时受到负载突变。基于上述分析,可以得到以下两个结论:(1)负载转矩观测器的前馈补偿方案可以为负载提供所需的电流变化。它可以降低SMC的输出压力,使SMC的输出几乎不变。(2)基于新型负载观测器和前馈补偿策略,BIM大扰动下的速度没有波动,可以快速收敛到原来的值。该方法有效地削弱系统的抖振,提高系统的稳定性。
(一)
(b)
(c)
数据7(一)和7 (b)显示转子径向位移的速度r / min。它可以知道转子可以到达稳定点迅速与本文提出的控制策略。实现集成的快速旋转和稳定悬浮。系统具有良好的控制性能。
(一)
(b)
5.2。实验的结果和分析
为了进一步验证该控制方法的有效性,实验原型与两个自由度是用于构建实验平台。由于光电编码器测量的极限速度,速度设置为2000 r / min的实验。电机的气隙辅助轴承是0.4毫米。此外,负载突变进行检测BIM的抗干扰性能。实验结果如图所示8。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
图8(一个)显示了径向位移当系统控制的方法。转子在运行平衡点和最大偏移值远小于辅助轴承的气隙。这表明,提出的控制策略下的转子稳定悬浮。数据8 (b)- - - - - -8 (e)显示响应负载突变的荡妇。图8 (b)转动惯量的识别结果。针对优秀的整体识别算法的鲁棒性,转动惯量返回回到稳定值后轻微的波动。负载转矩给定的观察波形图8 (c)。从波形可以看出,滑模观测器跟踪加载精确。数据8 (d)和8 (e)目前的实验结果基于普通SMC的控制策略,该方法分别介绍。从图8 (d),可以发现,当前有很大的波动。速度减少40 r / min和需要20 ms恢复稳定。从图8 (e),负载突变并不影响SMC的输出和速度是光滑的。通过比较(d) (e),可以发现,使用新的负载转矩滑模观测器和前馈补偿方案可以使BIM准确和稳定操作。此外,它有低灵敏度干扰。
6。结论
小说提出了负载转矩滑模观测器消除负载扰动造成的不利影响BIM控制系统。拥有一个低通滤波器的应用在滑模观测器,负载转矩的测量误差是有效地减少。同时,负载转矩观测器的输出的振幅扰动补偿大大减少离散数量和削弱了抖振。整体识别方法,提出了滑模观测器可以准确识别转动惯量,提高转动惯量对扰动的鲁棒性。仿真和实验结果都表明,本文提出的控制方案有效地改善了BIM控制系统的动态和静态性能,抑制系统抖振,并提高系统的鲁棒性。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突。
作者的贡献
Zebin杨和凌Wan提出新想法的滑模控制轴承感应电动机负载转矩观测器基于一本小说。凌Wan导出方程。小东阳光建立了仿真模型。林陈负责分析数据。郑陈检查语言。所有作者都参与准备手稿。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金支持项目下51475214,61104016,51305170,2015年中国博士后科学基金会资助项目t80508,江苏省自然科学基金项目下的中国BK20130515, BK20141301, BK20150524,江苏大学的专业研究基金会高级人才在项目12 jdg057 14 jdg076,江苏省六大人才高峰下项目zbzz - 017和2015 - xnyqc - 003和优先级的学术程序开发(PAPD)江苏高等教育机构。