永磁同步电动机的非线性扰动Observer-Based滑模控制与匹配和不匹配的干扰

文摘

高效永磁同步电机(永磁同步电动机)是一个关键技术,提高电池在电动汽车的练习场,而不匹配的干扰是由于外部干扰和参数摄动很容易导致永磁同步电动机的速度波动和过度,这进一步恶化电池的性能和效率。为了解决这个问题,一种新的非线性扰动observer-based滑模控制(NDO-SMC)提出。NDO-SMC计划与传统SMC方法相比,具有更好的抗干扰性能力的匹配和不匹配的不确定性和扰动通过引入非线性扰动观测器的估计价值在滑动面。此外,由于扰动观测器的补偿,只需要切换增益大于干扰估计误差的约束而不是干扰;因此,抖振问题是大大缓解。严格的整个闭环系统的稳定性证明详细给出了利用李雅普诺夫理论通过设计合适的李雅普诺夫函数。仿真结果证明了该NDO-SMC战略的可行性和优越性。

1。介绍

练习场的电池是制约电动汽车发展的一个关键问题(1,2),永磁同步电机(永磁同步电动机),作为耗能高组件的效率成为决定性因素的练习场电池(3]。

实现高性能永磁同步电动机的控制,两个电流控制器用于船机制允许一个永磁同步电动机来实现类似的他励直流电机转矩控制性能,在转矩和通量可以单独控制4]。在此基础上,PID自适应控制,同步控制、滑模控制(SMC),限定时间控制、预测控制和智能控制算法已经应用于从不同方面改善控制性能5- - - - - -7]。

在这些方法中,SMC法被认为是有效的方法,具有永磁同步电动机系统的抗干扰性和鲁棒性性能(8]。然而,抖振现象不连续控制项和频繁切换引起的滑动面附近的行动是不可避免的问题,自己的SMC的性质的方法。减少甚至消除抖振效应,一个简单的和有吸引力的方法是软化不连续控制项的饱和函数和双曲正切函数略有恶化的成本控制性能(9]。另一个选择是干扰observer-based滑模控制(DOBSMC),它提供了一种有前途的方案来处理抖振现象。自干扰精确地估计了扰动观测器,切换增益的设计只需要大于干扰估计误差,而不是干扰的大小(10]。通过这种方式,在一定程度上可以缓解抖振问题的名义保留滑模控制的性能。注意到,大多数现有DOBSMC方法只适用于干扰和不确定性满足所谓的匹配条件匹配扰动(因为传统SMC只是敏感11]。然而,不匹配的干扰出现在不同的渠道控制输入总是存在于实用的控制系统。在这种情况下,许多工作(12,13)提出了处理控制系统不匹配的干扰。具体地说,一个积分滑动面与一个高频开关增益设计,然后积分作用在滑动面驱动系统的状态所需的平衡不匹配不确定性的存在;应该指出,积分作用也带来一些不利影响到控制系统,如超调大,响应时间长(14]。处理不匹配不确定性的另一个方法是专注于黎卡提微分系统的鲁棒性的控制方案,它是建立在这样一个前提:不匹配扰动满足H₂规范约束(15]。

受到显著的好处在文献中提出的想法(16),非线性扰动observer-based滑模控制(NDO-SMC)方法,提出了处理匹配和不匹配的干扰在永磁同步电动机控制系统。总结了论文的主要贡献如下:(1)考虑到永磁同步电动机的参数摄动和外部干扰,一个新颖的二阶永磁同步电动机模型开发与匹配和不匹配的干扰;(2)引入扰动估计在滑动面是消除不匹配扰动的影响在永磁同步电动机系统尽可能多。此外,没有相关不利影响控制性能介绍;(3)由于反馈补偿匹配的干扰,高频开关增益的选择只是需要大于干扰估计误差的约束,而不是干扰,这大大减轻了喋喋不休的问题。

剩下的纸是组织如下:从高效电池在电动汽车的需求,永磁同步电动机控制的基本要求。考虑到外部干扰和参数摄动,二阶永磁同步电动机模型构造匹配和不匹配的干扰2。部分3给永磁同步电动机的NDO-SMC方案模型,并给出了闭环系统的稳定性证明的细节。模拟是进行的部分4,紧随其后的是结论。

2。问题公式化和永磁同步电动机模型

电动汽车主要由电力驱动系统、电池系统及相关辅助系统;电动汽车的简单结构如图1。的效率和安全性17- - - - - -19电池系统的关键技术。电力驱动系统是电动汽车能源消耗的核心组成部分。高效电池的操作建议,高质量的电机控制器是一个至关重要的问题由于电动机是一个耗能高的组件在整个电力驱动系统。此外,驱动电动机应该有以下指标:高可靠性、高精度扭矩,实现车辆的处理和更好的动态性能稳定性和驾驶舒适性。然而,外部干扰和参数摄动的存在总是影响控制器的永磁同步电动机系统的性能。因此,高性能永磁同步电动机控制系统的实现已经成为一个重要问题来改善电动汽车的练习场。针对这个问题,一个二阶永磁同步电动机模型匹配和不匹配的干扰是制定在这一节中,考虑到外部干扰和参数摄动引起的控制精度。

表面贴装的永磁同步电动机的数学模型dq框架可以制定如下(20.]: 在哪里和是和轴定子电流,和相应的衍生品,定子电感,和是和轴定子电压, , ,和定子电阻,极数对,和角速度,分别和 , , ,和磁链,有界的负载转矩、粘滞摩擦系数和转动惯量。

在dq坐标系统中,永磁同步电动机系统的动力学方程 在哪里 和 是名义上的参数和负载扰动。此外, , ,和永磁同步电动机的额定参数模型。为便于写作和分析,我们定义 ;永磁同步电动机系统的动力学方程可以表示如下:

在本文中,考虑到参数摄动和外部干扰的影响,参数不确定性边界定义如下: 在哪里 , ,和是参数摄动的上界。考虑到参数摄动和外部扰动、动态系统(3)是写成 在哪里意味着不匹配的干扰,出现在不同的渠道控制输入,其中可能包括负载扰动、未建模动态和系统扰动参数摄动引起的。同样,得到系统状态的动态约束如下: 在哪里是满足匹配条件的干扰。控制变量 需要设计。因此,二阶永磁同步电动机模型匹配和不匹配的干扰是干扰

注意,上述参数摄动的控制性能有很大的影响在现实。尤其是传统的滑模控制方法处理的外观没有能力不匹配的干扰。因此,永磁同步电动机控制系统应设计成受不匹配的干扰影响。此外,控制系统应表现出快速响应速度和沉降时间短。串级控制结构的永磁同步电动机系统图2。此外,参考价值的d设在电流设置为零来实现解耦控制。控制的目标是解决问题速度跟踪系统(7);与此同时,消除扰动对控制系统的影响。

备注1。我们可以看到从(5),不匹配的干扰包括复杂的参数摄动和负载扰动。参数扰动主要结果的转动惯量、粘滞摩擦系数,分别和永磁同步电动机的磁链。此外,电动汽车的转矩负载介绍了外部负载扰动的永磁同步电动机系统。应该注意到,上述参数摄动的控制性能有很大的影响在现实。一方面,不匹配的扰动总是未知或很难获得,在电动汽车的操作;另一方面,传统的滑模控制方法对不匹配的干扰。因此,处理不匹配的干扰和提高控制精度在电动汽车一直是一个至关重要的问题。

3所示。滑模控制器设计基于非线性扰动观测器

3.1。非线性扰动观测器的设计

由于存在参数摄动引起的不匹配的扰动总是在实践中,传统SMC控制方法是不匹配的干扰不敏感。因此,我们首先开发一个非线性扰动观测器(NDO)估计匹配和不匹配的干扰,这是控制器设计的基础。根据系统模型(7),NDO设计 在哪里和速度误差和偏差;和干扰的评估价值;和是中间变量;和 , , ,和严格正收益的非线性扰动观测器。

观察者错误 , , ,和 ,观察者方程作为制定

它遵循的证明(21),所有的评估术语及其派生总是有限的,和积极的成果 , , ,和存在驱动观察者有限定时间收敛性能。换句话说,有一个样品时间 ,和 , , ,和是有界的,当 。当 ,观察者可以视为错误 , , ,和 。

备注2。非线性扰动观测器的参数应该在实际实现中精心挑选的。一般来说,大的值 , , ,和可以提高收敛性能的非线性扰动观测器,但太大的会诱发严重的喋喋不休的滑动面,这进一步削弱了永磁同步电动机系统的跟踪性能。结果,我们应该仔细研究失谐干扰引起的不确定性因素及其振幅在电动汽车的操作。在这种情况下,可以选择NDO参数在实际中正确实现。

3.2。新颖的设计滑模控制器

为了有效地抑制系统的不匹配的干扰(7)和提高永磁同步电动机系统的鲁棒性,一个观察者的价值NDO引入滑动面。因此,PID-type滑动面扰动观测器的设计: 在哪里和是积极的收益和的估计是不匹配的干扰。

备注3。一般来说,大的涨幅和可以提高响应速度和精度,但太大的会引起大的喋喋不休和控制过度。对于实际应用,我们需要仔细调查闭环系统的特点,考虑响应速度和超调之间的权衡。
根据李雅普诺夫稳定性理论,以确保系统的稳定性和性能,一个新的基于不匹配的扰动观测器的滑模控制律设计 在哪里切换增益是设计在达到设计参数法。的详细控制块实现NDO-SMC如图3。

假设1。不匹配的干扰及其偏差是有界的。因此。我们有 在哪里是一个正数。值得一提的是,我们只需要知道干扰的有界性,而不是绑定值 。此外,这种假设是合理的。从上面的分析,我们可以看到,参数摄动和负载扰动的影响都是有限的,这将不可避免地导致不匹配干扰的有界性。

定理1。假设的假设1成立。考虑系统(7提出了控制律(下)11),闭环系统是稳定的,如果转换获得满足 ,在限定时间的前提下收敛的非线性扰动观测器,在那里 , ,和 。

证明。求导的滑动面中定义的(10)的收益率 用控制律(11)(13)给 考虑到匹配和不匹配的有界性障碍,公式(14)可以写成 考虑一个候选人李雅普诺夫函数如下: 李雅普诺夫函数的导数在(16)给 在哪里 , ,和 。根据限定时间观察者理论,观察误差的有界性必须导致的存在 。它表明, 是满意,当 。在这种情况下,滑动模态的存在和可达性满足,这确保了滑动模式不变的不匹配和匹配的干扰,并证明整个系统的鲁棒性。因此,提出NDO-SMC策略对干扰具有很强的鲁棒性。

4所示。仿真和结果分析

验证的有效性提出NDO-SMC战略,全面模拟都是在这一节中进行的,并总结了永磁同步电动机的主要参数表1。应该提到,模拟的采样频率设置为10⁵保证公平的比较。说明的优越性和有效性提出的控制器,模拟从两个方面进行:(1)外部干扰抑制能力;(2)鲁棒性对模型的不确定性;(3)验证与ISMC方法相比优势。模拟如下所示。

4.1。外部干扰抑制能力

在电动汽车的操作过程中,永磁同步电动机是容易受到外部负载扰动的影响。因此,抑制外部干扰的能力成为一个重要的性能指标。在本节中,永磁同步电动机系统的外部干扰抑制能力下NDO-SMC方案研究,和控制器参数如表所示2。考虑外部负载扰动的情况下 对系统吗 ,相应的永磁同步电动机系统的响应曲线如图所示4。

图4(一)展示了速度响应与SMC NDO-SMC策略。短暂的观察(之前没有外部干扰0.2 s)表明,提出的方法会导致更好的响应的基线SMC方法,验证名义性能恢复的方法。在外部负载扰动的情况下,SMC策略没有扰动补偿导致大的速度波动和过度;这进一步导致解决永磁同步电动机系统的时间更长。虽然NDO-SMC策略获得好的抗干扰性属性,控制系统有一个更好的瞬态和动态性能,如超调小,沉降时间短。尤其是控制器的切换增益大大减少是由于非线性扰动观测器的补偿;它还会导致减少系统抖振,如图所示4 (b)。两种方法的相轨迹如图5。可以看出,两种控制方案可以收敛到原点,这与我们的分析是一致的。另外,喋喋不休的相轨迹在NDO-SMC方法是添加不匹配造成的干扰。因此,与SMC策略相比,NDO-SMC可以有效地抑制外部负载扰动,而且还具有较强的鲁棒性和良好的动态性能。

4.2。模型不确定性的鲁棒性

我们都知道,使用电动汽车,汽车的名义参数会改变。因此,为了验证模型参数摄动的影响在永磁同步电动机系统的准确性,我们设置模型参数作为系统中90%的额定参数,例如, 。此外,控制器参数设置为永磁同步电动机的额定参数。参考速度变化从500 r / min - 550 r / min。控制器的仿真结果如图所示6。

从图可以看出6NDO-SMC方案能够有效地提高收敛速度,降低系统的超调在初创阶段由于NDO的补偿。此外,当系统的参考速度增加,SMC控制方案的响应时间明显增加,系统的超调较大,这显然不能满足电动汽车的控制精度,在复杂的驾驶周期,而提出NDO-SMC方案可以提供更高的扭矩提高系统的动态响应,如设置时间短和小超调。

此外,为了验证算法的有效性不同程度的参数摄动下,使用相同的方案,我们定义参数扰动的振幅为70%,80%,90%,100%,110%,和120%的额定参数 ,在保持不变的控制器参数。

数据7(一)和7 (b)显示SMC方法下的控制效果。数据7 (c)和7 (d)显示NDO-SMC方案下的控制性能。从数据可以看出,不同程度的参数摄动具有不同对SMC方案下的系统响应的影响。参数摄动范围越小,越小对控制性能的影响。当参数摄动范围达到一定边界值的70%,系统中会引起剧烈的变化,甚至导致不稳定的控制系统。然而,NDO-SMC方案下,对系统响应的影响所造成的不同的参数摄动范围将会抑制甚至被淘汰。参数摄动范围很大时,系统响应会略有不同。仿真结果表明,该NDO-SMC方法对模型不确定性引起的参数摄动具有较强的鲁棒性的系统模型。这个方案可以有效地降低参数摄动的影响在电动汽车的实际运行和提高运动控制的鲁棒性。

为了直观地展示NDO-SMC方法的性能,过度和沉降时间永磁同步电动机系统的稳态误差(3%)用于演示。仿真结果如表所示3。

从表可以看出3,当系统参数摄动范围,提出的过度和沉降时间NDO-SMC方案明显低于SMC的方法。此外,当参数摄动范围大于30%,SMC的沉淀时间计划不再能满足实时控制系统的要求,而NDO-SMC方案还可以满足永磁同步电动机系统的基本要求。

4.3。NDO-SMC方案的优越性

优势为目的的验证、NDO-SMC方案和ISMC [14)进行了比较。在本节中,我们设置模型参数系统中90%的额定参数,例如, 。此外,控制器参数设置为永磁同步电动机的额定参数。参考速度增加从500 r / min - 550 r / min 。两个控制器的比较结果如图所示8。

一般来说,该NDO-SMC方案具有积分项的特点,滑动面被定义为 。NDO-SMC方法消除了通过添加估计的值不匹配的干扰不匹配的干扰的滑动变量 。通过这种方式,可以消除不匹配扰动的影响,一旦不匹配的干扰可以精确地估计,而ISMC主要依赖于积分作用驱动系统状态接近原点和消除不匹配的干扰。然而,积分作用将导致严重的过度的系统,这将影响系统的动态性能。作为显示在图8,提出NDO-SMC方法可以抑制超调,提高永磁同步电动机系统的动态性能,这与上面的分析是一致的。总之,该方案提供了一种简单而有效的方法来处理不匹配的干扰。

5。结论

本文提出了NDO-SMC方案为永磁同步电动机系统匹配和不匹配的干扰,在观察者估计是参与了滑动面驱动系统状态到所需的平衡点的存在不匹配的干扰。主要贡献是开发一种新的永磁同步电动机的高性能方案减弱干扰和提高电池的效率,考虑到电动汽车的操作的干扰问题。该控制器不仅展示一个优秀的鲁棒性性能对减少外部干扰和参数摄动,还揭示了喋喋不休的补偿非线性扰动观测器。进行了一系列的模拟证明了该控制方案的可行性以及优越性。仿真结果显示,该方案已经喋喋不休的性质以及良好的动态性能,减少与SMC的方法。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

信息披露

作者声明,描述的工作是原始研究没有发表之前,而不是在考虑发表在其他地方,在全部或部分。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

所有作者批准了手稿,是封闭的。

确认

这项工作是由美国国家科学和技术支持项目(批准号2014 bag06b02)和中央大学基础研究基金(批准号2014 hgch0003)。

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