CN115296562A - 基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法及系统 - Google Patents

基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN115296562A
CN115296562A CN202210978923.9A CN202210978923A CN115296562A CN 115296562 A CN115296562 A CN 115296562A CN 202210978923 A CN202210978923 A CN 202210978923A CN 115296562 A CN115296562 A CN 115296562A
Authority
CN
China
Prior art keywords
motor
disturbance
sliding mode
speed
compensation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210978923.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115296562B (zh
Inventor
李楠
王国政
韩兴超
李刚
徐红璐
胡瑞
王豪
李恒
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China Railway Engineering Equipment Group Shield Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
China Railway Engineering Equipment Group Shield Manufacturing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Railway Engineering Equipment Group Shield Manufacturing Co Ltd filed Critical China Railway Engineering Equipment Group Shield Manufacturing Co Ltd
Priority to CN202210978923.9A priority Critical patent/CN115296562B/zh
Publication of CN115296562A publication Critical patent/CN115296562A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115296562B publication Critical patent/CN115296562B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P5/00—Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors
    • H02P5/46—Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors for speed regulation of two or more dynamo-electric motors in relation to one another
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/0004—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/0004—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
    • H02P23/0009—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control using sliding mode control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/12—Observer control, e.g. using Luenberger observers or Kalman filters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/022—Synchronous motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P5/00—Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors
    • H02P5/46—Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors for speed regulation of two or more dynamo-electric motors in relation to one another
    • H02P5/50—Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors for speed regulation of two or more dynamo-electric motors in relation to one another by comparing electrical values representing the speeds
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/04—Arrangements for controlling or regulating the speed or torque of more than one motor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/04—Arrangements for controlling or regulating the speed or torque of more than one motor
    • H02P2006/045—Control of current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2207/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
    • H02P2207/05—Synchronous machines, e.g. with permanent magnets or DC excitation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Multiple Motors (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

本发明属于多电机协同控制技术领域，特别涉及一种基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法及系统，用于协调多台电机同步运动，系统包含：信号输入模块，用于设置各被控电机转速；多电机协同模块，用于将各被控电机实际转速进行耦合并输出各被控电机对应的补偿信号；多电机控制模块，用于将多电机协同模块输出的补偿信号作用在对应被控电机的电流环上行，使被控电机与其他电机同步运动。本发明基于滑模控制理论和多电机偏差耦合控制结构，并利用引入扰动补偿的混合非奇异终端滑模变结构控制策略来提高系统趋近滑模面的速度和精度，能够较好地抑制滑模控制固有的抖振现象，便于实际工程场景下的应用。

Description

基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法及系统
技术领域
本发明属于多电机协同控制技术领域，特别涉及一种基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法及系统。
背景技术
随着城市地下隧道建设的不断发展，隧道掘进机应用的环境越来越复杂多变，尤其是在狭窄空间内拆装隧道掘进机主体的问题亟待解决。在盾构机拆装装置底部行走系统种有较多电机驱动，在运动过程中要求电机之间协同工作。在高精度高转速的大型系统中，控制系统的可靠性对工程质量和安全起着决定性作用，因此研究多电机协同控制技术一直是学者们关注的课题之一。随着智能算法的深入研究，很多学者将智能算法与已有的协同控制策略结合，提出各种方法，针对如系统的协同控制精度、鲁棒性和稳定性等来提高系统性能，例如，基于神经网络智能算法和PID控制器与偏差耦合控制结构结合的控制方法，这种方法虽然减小了同步误差，但是在前期数据不充分的情况下，无法正常工作；利用模糊控制算法在系统运行过程中通过接收反馈信号实时调整电机的转矩给定值，这使得同步性能有一定的提高，但是由于模糊处理的方式过于简单，会导致接收的信号不全面，协同控制精度变差，动态追踪的能力减弱。
滑模变结构控制的本质是一种结构不固定可以随着系统状态变化而变化的非线性控制，具有鲁棒性好，自抗扰能力强的优点，国内外学者均做有大量研究，例如，GaoPeng等结合快速终端滑模面和非线性比例积分滑模面各自的优点，提出一种新型的分层滑模控制，很好的改善了系统的动态性能；朱庆华等设计了一种动态滑模姿态控制率，利用动态切换函数代替符号函数成功抑制了抖振问题；潘峰等设计出一种双滑模直接转矩的控制方法，减小了电机的转矩脉动，使得控制系统的抗干扰性和鲁棒性得到较大提升。但以上研究都无法同时改善系统的动态性能和抑制抖振，使得实际应用受到限制。
发明内容
为此，本发明提供一种基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法及系统，基于滑模控制理论和多电机偏差耦合控制结构，并利用引入扰动补偿的混合非奇异终端滑模变结构控制策略来提高系统趋近滑模面的速度和精度，能够较好地抑制滑模控制固有的抖振现象，便于实际工程场景下的应用。
按照本发明所提供的设计方案，提供一种基于扰动补偿的多电机滑模协同控制系统，用于协调多台电机同步运动，包含：信号输入模块、多电机协同模块及多电机控制模块，其中，
信号输入模块，用于设置各被控电机转速；
多电机协同模块，用于将各被控电机实际转速进行耦合并输出各被控电机对应的补偿信号；
多电机控制模块，用于将多电机协同模块输出的补偿信号作用在对应被控电机的电流环上行，使被控电机与其他电机同步运动。
作为本发明基于扰动补偿的多电机滑模协同控制系统中，进一步地，所述多电机协同模块包含：同步误差补偿器、抗扰动观测器及滑模速度控制器，其中，同步误差补偿器，用于通过整合各被动电机反馈的实际转速来获取各被动电机对应补偿量的同步误差补偿器；抗扰动观测器，用于将扰动量作为扩展变量引入至永磁同步电机运动过程中来获取系统扰动观测量；滑模速度控制器，用于依据系统扰动观测量及被动电机补偿量通过预设的混合非奇异终端滑模速度控制策略对永磁同步电机控制系统中的多个被控电机进行速度同步控制。
作为本发明基于扰动补偿的多电机滑模协同控制系统中，进一步地，所述同步误差补偿器包含：N-1个PI控制器，所述PI控制器用于将当前被动电机实际转速与其他被动电机实际转速做差并整定相加，以利用整定相加结果来获取当前被动电机的补偿量，其中，N为被控电机个数。
进一步地，基于上述的系统，本发明还提供一种基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，包含如下内容：
根据永磁同步电机数学模型中电机运动方程构建用于系统速度控制的滑模速度控制器模型及用于系统扰动观测的滑模扰动观测器模型，其中，滑模扰动观测器模型将由系统扰动构成的扩展变量引入永磁同步电机运动方程；
同步误差补偿器依据观测的系统扰动及各被控电机实际转速的反馈来耦合输出作用于各被控电机电流环的对应补偿信号，利用对应补偿信号来控制各被控电机之间的运动同步。
作为本发明中基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，进一步地，滑模速度控制器模型中，利用混合非奇异终端滑模控制策略对永磁同步电机系统进行速度控制，其中，混合非奇异终端滑模控制策略的滑模面表示为
Figure BDA0003799608270000021
r>0，a>0，β>0；p和q均为奇数，且q<p<2q，x1、x2为由电机转速构成的系统变量。
作为本发明中基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，进一步，利用混合非奇异终端滑模控制策略对永磁同步电机系统进行速度控制中，首先，依据系统趋近运动特性来选取指数趋近率；然后，根据滑模面及指数曲金律来获取滑模控制器模型的输出。
作为本发明中基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，进一步，选取指数趋近率表示为：
Figure BDA0003799608270000031
其中，a表示等速项参数，b表示影响系统运动点趋近速度的指数项参数，s表示滑模面。
作为本发明基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，进一步地，获取滑模控制器模型的输出iq1表示为：
Figure BDA0003799608270000032
其中，Pn为PMSM极对数、Ψf为PMSM永磁体的交链磁链、J是电机转动惯量、t为时间。
作为本发明基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，进一步地，滑模扰动观测器模型表示为：
Figure BDA0003799608270000033
其中，
Figure BDA0003799608270000034
为被控电机转速ω的估计值，
Figure BDA0003799608270000035
为系统扰动
Figure BDA0003799608270000036
总和r(t)估计值，iq为滑模控制器模型的输出，g为滑模系数，usmo为开关函数，an、cn为系统常规参数变量。
作为本发明基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，进一步地，利用滑模扰动观测器模型及永磁同步电机运动状态方程来获取速度估计误差和扰动估计误差，并通过构建等效低通滤波器的传递函数来抑制滑模扰动观测器模型的抖振信号，其中，传递函数表示为：
Figure BDA0003799608270000037
其中，s表示滑模切面，Z为抖振信号，e2为扰动估计误差，d(t)表示系统扰动量总和r(t)变化率，T表示的是拉普拉斯变换后的t(时间)，s是拉普拉斯变换中代表
Figure BDA0003799608270000038
本发明的有益效果：
本发明中，针对盾构机拆装装置底部多伺服电机协同控制易受非线性、外界扰动等不定因素干扰的问题，利用信号输入模块、多电机协同模块及多电机控制模块，并引入扰动补偿的混合非奇异终端滑模变结构控制策略来实现电机同步运动的控制，能够提高系统趋近滑模面的速度和精度，并且可较好抑制滑模控制固有的抖振现象。并利用试验仿真数据，启动时传统PI控制超调量很大，突加负载后传统PI控制与改进型控制方法相比，稳定前超调量相差约8.5％；电机转矩在受到扰动后改进型控制效果更加理想，起动转矩更小，几乎不存在迟滞时间就能达到新的负载转矩值；另外改进型控制方法在启动时各电机之间的同步误差更小，在受到负载扰动时上下波动区间更小，优于传统控制方法约8.83％；通过以上数据表明，本案方案引入扰动补偿后的混合非奇异终端滑模变结构控制可以明显提高系统的响应速度，并且动态性能和鲁棒性更好，便于实际工程场景中的应用。
附图说明：
图1为实施例中基于扰动补偿的多电机滑模协同控制流程示意；
图2为实施例中电机同步误差补偿器原理示意；
图3为实施例中扩展滑模扰动观测器原理示意；
图4为实施例中抑制扰动抖振原理示意；
图5为实施例中传统PI控制的四电机性能曲线示意；
图6为实施例中引入扰动补偿的HNTSM控制的四电机性能曲线示意。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明。
针对盾构机拆装装置底部多伺服电机协同控制易受非线性、外界扰动等不定因素干扰的问题，本发明实施例，提供一种基于扰动补偿的多电机滑模协同控制系统，用于协调多台电机同步运动，包含：信号输入模块、多电机协同模块及多电机控制模块，其中，
信号输入模块，用于设置各被控电机转速；
多电机协同模块，用于将各被控电机实际转速进行耦合并输出各被控电机对应的补偿信号；
多电机控制模块，用于将多电机协同模块输出的补偿信号作用在对应被控电机的电流环上行，使被控电机与其他电机同步运动。
将被控电机实际转速耦合并输出对应被控电机补偿信号，利用该补充信号作用在被控电机上，使其与其他被控电机进行同步运转，能够在多电机驱动系统中使各被控电机协同工作，提升多电机系统同步控制性能。
进一步地，本案实施例中，所述多电机协同模块包含：同步误差补偿器、抗扰动观测器及滑模速度控制器，其中，同步误差补偿器，用于通过整合各被动电机反馈的实际转速来获取各被动电机对应补偿量的同步误差补偿器；抗扰动观测器，用于将扰动量作为扩展变量引入至永磁同步电机运动过程中来获取系统扰动观测量；滑模速度控制器，用于依据系统扰动观测量及被动电机补偿量通过预设的混合非奇异终端滑模速度控制策略对永磁同步电机控制系统中的多个被控电机进行速度同步控制。
盾构机拆装装置底部行走系统主要由链条系统、电机、伺服控制器、导轨、测距轮等组成。底部行走系统是由四台伺服电机驱动，靠链条带动轮子，主要实现转运变位，按照设定路线前进、倒退、测距等功能。可根据行走距离和路线要求，实现底部行走的启动、停止、调速、测距等功能。结合中铁工程装备集团在盾构机主机洞内快速拆装装置底部多电机系统的工程实际背景下，针对盾构机拆装装置底部多电机控制系统，本案实施例中，采用偏差耦合控制结构，四台永磁同步电机(Permanent Magnetic Synchronous Machin，PMSM)偏差耦合控制结构图如1所示，其中Tj(j＝1，2，3，4)为电机负载；ωi(i＝1，2，3，4)为电机输出转速；ωi *(i＝1，2，3，4)为输入转速；βi(i＝1，2，3，4)为同步误差速度补偿器的补偿信号。速度补偿器式偏差耦合控制作用是将各个被控电机的转速反馈并进行耦合，最后输出合适的补偿信号βi。
作为优选方案，进一步地，所述同步误差补偿器包含：N-1个PI控制器，所述PI控制器用于将当前被动电机实际转速与其他被动电机实际转速做差并整定相加，以利用整定相加结果来获取当前被动电机的补偿量，其中，N为被控电机个数。
由于机械时间常数远大于电磁时间常数，所以转速环的响应速度相较于电流环来说明显更慢一些，因此电机受到的外界干扰时，将误差干扰的补偿信号直接反馈到电流环上进行调节处理，并不经过转速环。这样可以更快更好的抑制系统各电机单元的不协同问题。从而提高系统的跟踪能力，削弱了各个电机之间发生差速震荡的可能性，提高系统的可控性。本案实施例中，多电机控制是以偏差耦合控制结构为基础，现以电机1的速度误差补偿器为例，当电机负载出现扰动发生变化时，采用PI控制器取代传统速度补偿器设置的固定补偿增益，实现电机之间误差跟踪的快速收敛，提高系统的动态性能。参见图2所示，同步误差补偿器的工作原理可总结如下：当其中一个电机与其他电机的转速在系统运行过程中出现误差造成各电机差速运行时，将该电机的实际转速与其余电机输出转速做差，通过PI控制器整定后再相加整合输出，作为电机的输入补偿量作用该电机的电流环，使得该电机单元能够与其他电机单元互通关联，能够及时反应电机的转速变化和结合误差跟踪信号反馈，进而使整个系统获得良好的协同控制性能。
进一步地，基于上述的系统，本发明实施例还提供一种基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，包含如下内容：
根据永磁同步电机数学模型中电机运动方程构建用于系统速度控制的滑模速度控制器模型及用于系统扰动观测的滑模扰动观测器模型，其中，滑模扰动观测器模型将由系统扰动构成的扩展变量引入永磁同步电机运动方程；
同步误差补偿器依据观测的系统扰动及各被控电机实际转速的反馈来耦合输出作用于各被控电机电流环的对应补偿信号，利用对应补偿信号来控制各被控电机之间的运动同步。
非奇异终端滑模(Nonsingular Terminal Sliding Mode,NTSM)速度控制策略具有动态响应速度快、可在有限时间内收敛，而且系统状态变量与滑模面距离越近收敛的速度越快，与之相反的是二者距离越远时，收敛的速度就相对较慢，所用时间就越长。为了提升NTSM控制策略的快速收敛，本案实施例中采用混合非奇异终端滑模(HybridNonsingular Terminal Sliding Mode,HNTSM)速度控制策略实现PMSM控制系统的速度控制，解决了NTSM控制中状态变量距滑模切换面越远时动态响应速度越慢的问题，使得动态系统具有较快的收敛速度。
由PMSM数学模型可知，PMSM运动方程为：
Figure BDA0003799608270000061
定义系统变量为：
Figure BDA0003799608270000062
式中：
Figure BDA0003799608270000063
和ωm分别是电机给定转速和电机实际转速。
再对系统状态变量求导：
Figure BDA0003799608270000064
因此，混合非奇异终端滑模面为：
Figure BDA0003799608270000065
式中：
Figure BDA0003799608270000066
r>0，a>0，β>0；p和q均为奇数，且q<p<2q。
由式(4)可知，本案实施例中混合非奇异终端滑模HNTSM控制策略中是由线性滑模(LSM)和NTSM组成。当系统运动点距滑模面越远时(即|x1|≥1)，NTSM对运动点趋近滑模面的速度影响越小，此时LSM起到主要作用，运动点距滑模面越远时收敛速度越快；当运动点距滑模面较近时(即|x1|＜1)，LSM对趋近速度影响减小，此时NTSM起主要作用，使得系统全局加速收敛。
作为优选方案，进一步，利用混合非奇异终端滑模控制策略对永磁同步电机系统进行速度控制中，首先，依据系统趋近运动特性来选取指数趋近率；然后，根据滑模面及指数曲金律来获取滑模控制器模型的输出。
考虑实际系统趋近的运动品质，本案实施例中选取指数趋近率，表达式如下：
Figure BDA0003799608270000071
式中：a>0、b>0。
当s(x)＞0时，式(5)可以简化为：
Figure BDA0003799608270000072
解得：
Figure BDA0003799608270000073
由式(6)可知，指数项参数b是影响系统运动点趋近速度的主要参数，b值越大，运动点趋近速度越快。当运动点接近滑模面时(即s(x)＝0)，指数项的速度趋近于0，此时等速项参数a起主要作用，a值越大，运动点趋近滑模面的速度越快，随之穿越滑模面后的距离和切换滞后越大，因此抖振加强。
根据式(4)和式(5)求得滑模控制器输出iq1为：
Figure BDA0003799608270000074
为验证混合非奇异终端滑模速度控制器的稳定性，可选取Lyapunov函数为：
Figure BDA0003799608270000075
根据Lyapunov稳定性理论可知，系统变量均在有效时间内达到滑模切面，且运动稳定。
由于在复杂环境中系统会受到各种扰动，如果不能对扰动进行有效的抑制，使系统性能降低，本案实施例中，利用扩展滑模扰动观测器进行前馈补偿，以实时在线估计系统扰动。
由PMSM的机械运动方程和电磁转矩方程可知：
Figure BDA0003799608270000081
在考虑电机内部参数变化和外部扰动的情况下，式(9)可以表达为：
Figure BDA0003799608270000082
式中：△a、△b、△c为参数变化量；an、bn、cn为常规参数变量，并满足：
Figure BDA0003799608270000083
r(t)为系统的扰动总和，其中包括有参数变化、内部参数变化和外部负载扰动等。
假设系统的扰动总和满足以下限制：
|r(t)|≤l
式中：l是系统扰动限定值。
根据式(9)所示PMSM动态方程，将系统扰动量作为扩展变量，则可以得到PMSM扩展动态方程：
Figure BDA0003799608270000084
式中：d(t)表示系统扰动量总和r(t)变化率。
总和以上各式可构建扩展滑模扰动观测器如下：
Figure BDA0003799608270000085
式中：
Figure BDA0003799608270000086
为ω的估计值；
Figure BDA0003799608270000087
为系统扰动总和r(t)估计值；g为滑模系数；usmo为开关函数。其中开关函数usmo表达式为：
usmo＝η·sgn(S) (13)
式中：η为开关系数，且η＜0；S为滑模切面，且
Figure BDA0003799608270000091
模块扰动观测器的原理如图3所示，式(12)减去扩展状态式(11)得误差方程：
Figure BDA0003799608270000092
式中：e1为速度估计误差，且
Figure BDA0003799608270000093
e2为扰动估计误差，且
Figure BDA0003799608270000094
抖振问题是所有滑模变结构控制不可能完全消除的固有特性，若是完全消除抖振，则该控制将失去强鲁棒性的优点。但是控制系统中存在抖振会给系统带来很多不安定因素，因此，抑制抖振是滑模变结构控制系统必不可少的组成部分。
为了研究抖振问题，本案实施例中，针对扩展滑模扰动观测器的影响，将扰动估计误差可改写成：
e2＝-usmo+Z (15)
其中：Z为抖振信号。可得到下式：
Figure BDA0003799608270000095
则可得观测误差e2的传递函数：
Figure BDA0003799608270000098
由式(17)可知，该传递函数为能够有效抑制高频信号，相当于一个低通滤波器，截止信号为：
Figure BDA0003799608270000096
如图4所示，该滤波器有效抑制了扩展滑模扰动观测器的抖振信号。因此，无需增加其他低通滤波器对抖振问题进行有效抑制，避免了系统扰动估计值
Figure BDA0003799608270000097
的相幅变化。
本案实施例中，基于滑模控制理论和多电机偏差耦合控制结构，并引入扰动补偿的混合非奇异终端滑模变结构控制来提高系统趋近滑模面的速度和精度，并能够抑制滑模控制固有的抖振现象。
为验证本案方案有效性，下面结合仿真数据做进一步解释说明：
以四台西门子SIMOTICS S-1FL6型号的伺服电机为被控对象，使用MATLAB/SIMULINK仿真平台对盾构机拆装装置底部多电机系统进行仿真验证，参照实际使用电机参数，具体参数如表1所示。
表1电机参数表
Figure BDA0003799608270000101
利用一组四台电机控制系统，采用偏差耦合控制结构的同时选取扰动滑模控制方法并加入扰动观测器，四台电机的期望转速为2000r/min。空载启动后，0.45s时突加3N额定负载，仿真波形如图5所示。
由图5可知，传统的PI控制电机启动后到达额定转速大约需要0.1s，此时具有较大的超调量并需要一定时间调整到额定值，当在0.5s突加负载时，转速变化量最大为250r/min,转速降低约12.5％，恢复所需时间约0.06s；突加负载后，电机负载转矩需要约0.02s追踪到变化后的实际负载转矩，在0.5s从约2N·m变化到10N·m左右；传统PI控制电机启动时的同步误差在±100r/min之间，在突加负载时，同步转速误差在±17r/min之间，在传统结构中同步误差的调节时间约为0.06s；电机在启动时的电流很大，可能致使电机输入电压下降过多，使得电机启动转矩减小，从而影响到电机本身性能。
由图6可知，引入扰动补偿的HNTSM速度控制器后电机由空载启动达到2000r/min需要约0.1s，在0.5s突加负载时，转速变化量最大为20r/min，转速降低约4％，恢复额定转速所需约0.02s；突加负载后，扰动观测器极快的追踪并调整到电机的实际负载转矩，转矩从2N·m变化到10N·m，几乎不存在迟滞时间；引入扰动补偿的HNTSM速度控制电机启动时同步误差在±1.5r/min之间，0.5s时突加负载扰动，同步转速误差在±1.5r/min之间，同步误差调节时间约0.05s；电机在启动时电流较小，不会影响到电机的正常启动。
表2两种控制策略下4台PMSM性能
Figure BDA0003799608270000102
Figure BDA0003799608270000111
本案实施例中的偏差耦合控制结构可适用于3台及以上的对协同控制性能要求较高的多电机协同控制。结合表2的实验结果表明：启动时引入扰动补偿的HNTSM速度控制响应时间较快，几乎没有超调量；电机转矩在受到扰动后引入扰动补偿的HNTSM控制效果更加理想，起动转矩更小，几乎不存在迟滞时间就能够追踪到变化后的实际负载转矩；另外引入扰动补偿后控制方法在启动时各电机之间的同步误差更小，在受到负载扰动时上下波动区间更小。引入扰动补偿后的HNTSM速度控制可以明显提高系统的响应速度，通过补偿扰动带来的参数变化，在加快滑模面趋近速度的同时削弱了系统的抖振，因此，本案方案动态性能和鲁棒性更好。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
结合本文中所公开的实施例描述的各实例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能是以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域普通技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不认为超出本发明的范围。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如：只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现，相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于扰动补偿的多电机滑模协同控制系统，用于协调多台电机同步运动，其特征在于，包含：信号输入模块、多电机协同模块及多电机控制模块，其中，
信号输入模块，用于设置各被控电机转速；
多电机协同模块，用于将各被控电机实际转速进行耦合并输出各被控电机对应的补偿信号；
多电机控制模块，用于将多电机协同模块输出的补偿信号作用在对应被控电机的电流环上行，使被控电机与其他电机同步运动。
2.根据权利要求1所述的基于扰动补偿的多电机滑模协同控制系统，其特征在于，所述多电机协同模块包含：同步误差补偿器、抗扰动观测器及滑模速度控制器，其中，同步误差补偿器，用于通过整合各被动电机反馈的实际转速来获取各被动电机对应补偿量的同步误差补偿器；抗扰动观测器，用于将扰动量作为扩展变量引入至永磁同步电机运动过程中来获取系统扰动观测量；滑模速度控制器，用于依据系统扰动观测量及被动电机补偿量通过预设的混合非奇异终端滑模速度控制策略对永磁同步电机控制系统中的多个被控电机进行速度同步控制。
3.根据权利要求2所述的基于扰动补偿的多电机滑模协同控制系统，其特征在于，所述同步误差补偿器包含：N-1个PI控制器，所述PI控制器用于将当前被动电机实际转速与其他被动电机实际转速做差并整定相加，以利用整定相加结果来获取当前被动电机的补偿量，其中，N为被控电机个数。
4.一种基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，其特征在于，基于权利要求1所述的系统实现，该实现过程包含如下内容：
根据永磁同步电机数学模型中电机运动方程构建用于系统速度控制的滑模速度控制器模型及用于系统扰动观测的滑模扰动观测器模型，其中，滑模扰动观测器模型将由系统扰动构成的扩展变量引入永磁同步电机运动方程；
同步误差补偿器依据观测的系统扰动及各被控电机实际转速的反馈来耦合输出作用于各被控电机电流环的对应补偿信号，利用对应补偿信号来控制各被控电机之间的运动同步。
5.根据权利要求4所述的基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，其特征在于，滑模速度控制器模型中，利用混合非奇异终端滑模控制策略对永磁同步电机系统进行速度控制，其中，混合非奇异终端滑模控制策略的滑模面表示为
Figure FDA0003799608260000011
r>0，a>0，β>0；p和q均为奇数，且q<p<2q，x1、x2为由电机转速构成的系统变量。
6.根据权利要求5所述的基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，其特征在于，利用混合非奇异终端滑模控制策略对永磁同步电机系统进行速度控制中，首先，依据系统趋近运动特性来选取指数趋近率；然后，根据滑模面及指数曲金律来获取滑模控制器模型的输出。
7.根据权利要求6所述的基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，其特征在于，选取指数趋近率表示为：
Figure FDA0003799608260000021
其中，a表示等速项参数，b表示影响系统运动点趋近速度的指数项参数，s表示滑模面。
8.根据权利要求7所述的基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，其特征在于，获取滑模控制器模型的输出iq1表示为：
Figure FDA0003799608260000022
其中，Pn为PMSM极对数、Ψf为PMSM永磁体的交链磁链、J是电机转动惯量、t为时间。
9.根据权利要求4或5所述的基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，其特征在于，滑模扰动观测器模型表示为：
Figure FDA0003799608260000023
其中，
Figure FDA0003799608260000024
为被控电机转速ω的估计值，
Figure FDA0003799608260000026
为系统扰动总和r(t)估计值，iq为滑模控制器模型的输出，g为滑模系数，usmo为开关函数，an、cn为系统常规参数变量。
10.根据权利要求9所述的基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法，其特征在于，利用滑模扰动观测器模型及永磁同步电机运动状态方程来获取速度估计误差和扰动估计误差，并通过构建等效低通滤波器的传递函数来抑制滑模扰动观测器模型的抖振信号，其中，传递函数表示为：
Figure FDA0003799608260000027
其中，Z为抖振信号，e2为扰动估计误差，d(t)表示系统扰动量总和r(t)变化率，T表示的是拉普拉斯变换后的时间，s为拉普拉斯变换中的
Figure FDA0003799608260000028
CN202210978923.9A 2022-08-16 2022-08-16 基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法及系统 Active CN115296562B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210978923.9A CN115296562B (zh) 2022-08-16 2022-08-16 基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210978923.9A CN115296562B (zh) 2022-08-16 2022-08-16 基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115296562A true CN115296562A (zh) 2022-11-04
CN115296562B CN115296562B (zh) 2023-10-31

Family

ID=83830828

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210978923.9A Active CN115296562B (zh) 2022-08-16 2022-08-16 基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115296562B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116827188A (zh) * 2023-07-06 2023-09-29 南京航空航天大学 基于动态切换滑模观测器的sdsem扰动估计方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103647490A (zh) * 2013-09-27 2014-03-19 天津大学 一种永磁电机的滑模控制策略
CN104753406A (zh) * 2013-12-30 2015-07-01 南京理工大学常熟研究院有限公司 一种多电机协同控制方法
CN111431440A (zh) * 2020-03-25 2020-07-17 湖南工业大学 一种基于改进型偏差耦合的多电机滑模协同控制方法
CN113271042A (zh) * 2021-05-18 2021-08-17 湖南工业大学 一种多电机固定时间优化协同控制方法
CN113472242A (zh) * 2021-07-05 2021-10-01 江南大学 基于多智能体的抗干扰自适应模糊滑膜协同控制方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103647490A (zh) * 2013-09-27 2014-03-19 天津大学 一种永磁电机的滑模控制策略
CN104753406A (zh) * 2013-12-30 2015-07-01 南京理工大学常熟研究院有限公司 一种多电机协同控制方法
CN111431440A (zh) * 2020-03-25 2020-07-17 湖南工业大学 一种基于改进型偏差耦合的多电机滑模协同控制方法
CN113271042A (zh) * 2021-05-18 2021-08-17 湖南工业大学 一种多电机固定时间优化协同控制方法
CN113472242A (zh) * 2021-07-05 2021-10-01 江南大学 基于多智能体的抗干扰自适应模糊滑膜协同控制方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
仝光 等: "基于非奇异快速终端滑模的非线性轮胎力控制研究", 中国工程机械学报, vol. 14, no. 3, pages 244 - 248 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116827188A (zh) * 2023-07-06 2023-09-29 南京航空航天大学 基于动态切换滑模观测器的sdsem扰动估计方法
CN116827188B (zh) * 2023-07-06 2024-02-09 南京航空航天大学 基于动态切换滑模观测器的sdsem扰动估计方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN115296562B (zh) 2023-10-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gao et al. An adaptive super twisting nonlinear fractional order PID sliding mode control of permanent magnet synchronous motor speed regulation system based on extended state observer
CN103647490B (zh) 一种永磁电机的滑模控制策略
CN108832863B (zh) 一种双观测器的伺服系统谐振抑制方法
CN103401501A (zh) 一种基于模糊自抗扰控制的pmsm伺服系统控制方法
CN110784149B (zh) 交流伺服系统机械谐振抑制方法以及系统
CN110323974B (zh) 一种基于比例谐振控制器优化的自抗扰控制方法
CN107992681A (zh) 一种电动汽车主动前轮转向系统的复合控制策略
CN115296562A (zh) 基于扰动补偿的多电机滑模协同控制方法及系统
CN114421835A (zh) 一种基于模糊偏差耦合反步滑模策略的多电机控制方法
CN104716883B (zh) 永磁同步电机低速性能的提升方法
CN107134796B (zh) 一种基于改进自抗扰的光火打捆次同步振荡抑制方法
CN112152539A (zh) 一种神经网络补偿电机负载力矩观测器实现方法
CN115580189B (zh) 具有扰动抑制的高速龙门双驱同步控制方法及系统
CN113872477B (zh) 一种永磁同步电机滑模控制方法及其应用
CN115102443A (zh) 一种永磁同步直线电机的控制方法、装置及存储介质
CN113037174B (zh) 一种基于模糊切换策略的永磁同步电机复合变结构控制方法
CN113949315A (zh) 基于有限时间扰动观测器的模糊滑模协同反推方法及系统
CN115102432A (zh) 一种多永磁同步电机列车牵引系统的协同控制器及方法
Zhou et al. Improved Active Disturbance Rejection Control for PMSM Based on Modified Extended State Observer
CN111130104B (zh) 一种电力系统混沌振荡的无源性滑模控制方法
CN113890424A (zh) 基于参数辨识的永磁同步电机速度环pi控制器调谐方法
CN113489408A (zh) 一种永磁直线电机无速度传感器控制系统
CN112737456A (zh) 牵引异步电机控制方法
CN112702058A (zh) 一种基于线性自抗扰技术的锁相环控制方法
Li et al. Backstepping integral nonsingular terminal sliding mode based fault-tolerant control of dual-motor synchronous anti-backlash servo system with extended state observer

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant