李铭峰1，王磊2，龙小东3，宗俊超4，赵新媛2，林洋5

(1.    国石油艮庆油田公司，陕西定边718600；2中国石油长庆油田公司第一采气厂，宁夏银川750006；3中国石油天然气股份公司管道公司长庆输油气分公司，宁夏银川750006；4中国石油天然气股份公司长庆油田分公司，宁夏银川750006；5中国石油长庆油田公司第二采油厂，宁夏银川7500006)

    摘要：针对永磁同步电动机磁场定向控制策略，研究了一种新颖的滑模变结构控制器，以代替传统控制策略中的电流PI调节器。该控制器对系统参数摄动、外于扰、测量误差以及测量噪声具有较强鲁棒性。仿真实验验证了所提出方法的有效性，滑模变结构控制优于常规PI控制器，系统的动、静态运行性和鲁棒性明显提高。

关键字：永磁同步电动机；磁场定向控制；变结构；滑模控制；H调制器

    0引  言永磁同步电动机(以下简称PMsM)因其体积小、重量轻、运行效率高、动态性能好、结构紧凑、运行可靠等特点广泛地应用于数控机床、工业机器人以及航空航天等需要伺服调速的领域。其伺服单元一般通过由I)sP、FPcA等高速数字信号处理芯并采用矢量控制算法完成。但在实际应用中也存在以下不足：电机控制需要精确的转子位置信息和电流无法解耦。经过研究人员不断努力，霍尔效应器件、光学编码器、旋转变压器等的成功研发解决r电机转子位置信号检测问题。

    磁场定向控制(以下简称FOc)策略[1]于1972年由德国研究人员F Blaschke和一些其他研究人员提出，也是人们通常指的矢量控制[1]在磁场定向控制中，电流被解耦为转矩电流和励磁电流，使得交流电机的控制得以接近或达到他励直流电机控制特性。后来这种控制技术成功运用于永磁同步电机上。该策略在实际应用中，当电机参数变化或有外来干扰时，PI调节器不能实时调整控制器参数，极大降低了系统的控制性能，国内外许多学者为此展开了大量研究，B zhang[2-10]等使用模糊控制、人工神经网络、滑模变结构控制和鲁棒控制等先进控制手段优化了传统策略中的位置控制器和速度控制器以提高控制性能。为了简化控制算法并有效提高系统鲁棒性，本文在PMsM—FOc策略的基础上研究了一种滑模变结构控制器设计方法，所设计的控制器替代传统策略中的电流PI控制器。仿真研究进一步验证了所提出策略的有效性，研究结果表明该控制器较常规的PI控制器性能更优，鲁棒性更强。

    1控制方案

    基于滑模变结构控制的PMsM—FOc系统原理框图如图1所示。新控制方案在传统的FOc原理[2]的基础上，采用直轴电流id=0电流和转速双闭环控制方式，并设计了一种滑模变结构控制器代替了传统策略电流环中的PI控制器。

 

 

 

    1 .1滑模变结构控制器

    控制器有三个输入量：估计转速ωe、参考直电流与实际直轴电流的误差id1=id和参考交轴电与实际交轴电流的误差iq1=iq。。两个输出量：参考轴电压vd和参考交轴电压vq。

    1. 1. l电机模型

    在建立PMsM模型过程中，做以下假设：

    (1)三相绕组完全对称，气隙磁场为正弦分布定子电流、转子磁场分布对称。

    (2)忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响(3)电枢绕组在定子内表面均匀连续分布。

    (4)磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。

    (5)驱动二极管和续流二极管为理想元件。

    在参考坐标系dq中：

 

 

 

 

       1．1．5鲁棒性证明

    考虑系统参数摄动和外部干扰等因素，定义各

 

 

    2仿真实验及分析

    为了验证所提出的控制策略，分别对常规的PMsM磁场定向控制和基于滑模变结构控制器的PMsM磁场定向控制两种控制策略进行仿真实验研究。仿真中两种策略中的电机参数都按表1设定，设定系统仿真时间为1．5 s，系统给定参考转速300r／min，电机以空载起动，在O.8 s突加负载转矩5 N—m，在1 2 s时电机定子电阻突变为5R。=14 375Ω，系统采样时间设定为20us，仿真中两种策略中控制参数设定相同。图2为系统动态性能仿真响应，图3为系统稳态性能仿真响应，图4为系统中PMsM参数突变时的仿真响应。

 

 

 

    在图2中，当负载在O．8 s突变为5 N·m时，两种控制策略电流、转速和转矩都能迅速响应，电流响应差别不大，但是在转速响应中，滑模变结构策略中转速突变幅度小于常规策略，且在相同的稳定时间过程中滑模变结构控制策略响应曲线较常规策略平滑；在转矩响应中，滑模变结构策略转矩响应时间为3．6 ms，转矩响应稳定时间为10 ms，转矩超调2 O N·m，常规策略转矩响应时间为4.3 ms，转矩响应稳定时间为11 ms，转矩超调2 8 N。m。

    在图3中，当负载为5 N·m时系统稳定运行阶段，对转速响应和转矩响应放大，两种策略转速和转矩响应稳定，他们都围绕参考值作极小范围的上下波动，从脉动幅值上可以明显看出，滑模变结构策略转速脉动明显小于常规策略，转速响应更为稳定，但在转矩响应E两种策略差别不大。

    在图4中．电机定子电阻在1 2 s突变为5R。

 时，两种策略都能很快达到稳定状态，但由图中也可以明显看出，在电机参数发生变化后，滑模变结构策略电流变化为O 8 A，转速变化O 2 r／min，转速稳定时间为5ms，转矩变化为O 4 N.m，转矩稳定时间为0．5 ms；常规策略中，电流变化为1．5 A，转速变化0．5 r／mfn，转速稳定时间为10 ms，转矩变化为1．5 N.m，转矩稳定时间为1.4 ms。

    3结语

    通过对两种控制策略的对比研究，从两种策略动态性能、稳态性能和电机参数摄动时的响应性能上呵以看出，本文所提出的滑模变结构控制器明显优于常规的PI控制器，而分别在所应用的控制系统中，PMsM滑模变结构磁场定向控制策略较常规策略叮以更好地适应电机参数的变化和外来干扰，滑模变结构系统在保持原系统所具备的优良性能的基础上，其动态性能和稳态性能得到明显提高。