本發(fā)明涉及滑?？刂?，尤其涉及一種基于pmsms的雙滑模無傳感器控制方法。

背景技術(shù)：

1、高速度電主軸集成了電機(jī)和機(jī)床主軸，是先進(jìn)數(shù)控機(jī)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(shí)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(duì)傳感器依賴性；控制精度和穩(wěn)定性不足；高速范圍內(nèi)滑?？刂坪陀^測(cè)器的不足。

3、目前常用的電主軸控制策略，如磁場(chǎng)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(fù)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(hào)注入法、載波頻率分量法、直接計(jì)算法、觀測(cè)器法和智能估計(jì)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(jìn)一步導(dǎo)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(shù)，盡管滑?？刂萍夹g(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性和抗干擾能力，但由于系統(tǒng)慣性帶來的切換時(shí)間滯后、空間時(shí)間滯后和控制切換時(shí)間滯后，滑?？刂仆鶗?huì)遭遇抖振問題。

5、文獻(xiàn)“永磁同步電機(jī)雙滑模無傳感器矢量控制研究”中提出的雙滑?？刂?，在設(shè)計(jì)觀測(cè)器時(shí)引入雙曲正切函數(shù)替代開關(guān)函數(shù)，并結(jié)合滑模速度控制器來增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，削弱系統(tǒng)抖動(dòng)；但其系統(tǒng)在啟動(dòng)階段仍存在嚴(yán)重超調(diào)。

6、文獻(xiàn)“基于雙滑模變結(jié)構(gòu)mras的pmsm矢量控制研究”用滑?？刂破鞔嬗^測(cè)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(dāng)跟蹤高速主軸時(shí)會(huì)因高頻抖振而造成系統(tǒng)無法收斂。

7、此外，現(xiàn)有技術(shù)中如分段指標(biāo)函數(shù)、模糊滑模觀測(cè)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(cè)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(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)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(shí)際應(yīng)用中存在控制系統(tǒng)的超調(diào)、抖振以及響應(yīng)遲緩等問題；以及滑?？刂坪陀^測(cè)器設(shè)計(jì)在處理系統(tǒng)中的奇異性問題時(shí)存在困難，且控制器的設(shè)計(jì)難以兼顧控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，導(dǎo)致輸出扭矩不穩(wěn)定問題。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)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(xué)模型建立終端滑模控制器模型，設(shè)置終端滑模面函數(shù)，以非線性控制項(xiàng)優(yōu)化轉(zhuǎn)速以改善扭矩特性，引入變?cè)鲆嫦禂?shù)；在速度控制器設(shè)計(jì)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(cè)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(shí)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?cè)鲆?；γ為任意?shí)數(shù)；sign為切換函數(shù)。

7、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)慣量；ψf為主軸轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；pn是電主軸極對(duì)數(shù)；ωm表示轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；b為粘性摩擦系數(shù)。

16、步驟二、對(duì)終端滑模面函數(shù)進(jìn)行有限時(shí)間收斂證明，并對(duì)速度環(huán)控制器進(jìn)行穩(wěn)定性分析；

17、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，利用lyapunov函數(shù)對(duì)速度環(huán)控制器進(jìn)行穩(wěn)定性分析，利用可達(dá)性準(zhǔn)則，判斷速度控制器是否達(dá)到滑模面。

18、步驟三、基于pmsms數(shù)學(xué)模型建立滑模觀測(cè)器模型，滑模觀測(cè)器以電流實(shí)際值與觀測(cè)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(jìn)滑模控制律的抖振，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(shí)施方式，sigmoid函數(shù)改進(jìn)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(cè)值與實(shí)際電流誤差；vα,vβ為滑?？刂坡伞?/p>

22、步驟四、對(duì)滑模觀測(cè)器設(shè)計(jì)進(jìn)行穩(wěn)定性判定；

23、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，利用layapunov函數(shù)對(duì)滑模觀測(cè)器進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

24、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，滑模觀測(cè)器進(jìn)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(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)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(dòng)：ntsmc的應(yīng)用有效減輕了控制系統(tǒng)中的抖振和扭矩脈動(dòng)，降低了超調(diào)，提升了系統(tǒng)響應(yīng)速度；

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

28、3、優(yōu)異的抗干擾能力：該策略在外部負(fù)載擾動(dòng)下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗干擾能力，確保了系統(tǒng)的動(dòng)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(fù)雜度方面都有明顯優(yōu)勢(shì)，能夠降低系統(tǒng)成本，提升運(yùn)行效率，相較于現(xiàn)有方案具有顯著改進(jìn)的控制性能。

技術(shù)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(quán)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(quán)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(quán)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(quán)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(quán)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(quán)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(duì)速度環(huán)控制器進(jìn)行穩(wěn)定性分析，利用可達(dá)性準(zhǔn)則，判斷速度控制器是否達(dá)到滑模面。

8.根據(jù)權(quán)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(jìn)滑?？刂坡傻墓綖椋?/p>

9.根據(jù)權(quán)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(duì)滑模觀測(cè)器進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

10.根據(jù)權(quán)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(cè)器進(jìn)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(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)分量。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及滑?？刂萍夹g(shù)領(lǐng)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(shè)置終端滑模面函數(shù)，以非線性控制項(xiàng)優(yōu)化轉(zhuǎn)速，引入變?cè)鲆嫦禂?shù)；在速度控制器設(shè)計(jì)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(cè)轉(zhuǎn)速誤差作為輸入，q軸電流作為輸出；對(duì)速度環(huán)控制器進(jìn)行穩(wěn)定性分析；滑模觀測(cè)器以電流實(shí)際值與觀測(cè)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(jìn)滑?？刂坡傻亩墩瘢⒓上辔绘i定環(huán)，用于提取轉(zhuǎn)子位置和速度；對(duì)滑模觀測(cè)器設(shè)計(jì)進(jìn)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(shí)際應(yīng)用中存在控制系統(tǒng)的超調(diào)、抖振以及響應(yīng)遲緩等問題。

技術(shù)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(hù)的技術(shù)使用者：江蘇理工學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19