滑模变结构控制在低速交流伺服系统的应用_图文

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滑模 变 结 构 控 制在 低 速 交 流 伺 服 系统 的应 用 
丁传 东, 王  军 , 卯泉  武
( 华大学 , 西 四川成都 60 3 ) 10 9 



要: 应用 MA L B仿真设计 滑模 变结构控制器 , TA 通过 在低 速伺 服系统中的仿真试验及 与经典 PD控 制器 比  I

较, 验证了滑模变结构控制器可 以较好地解 决零速度爬行问题 。  
关键词 : 交流伺服系统 ;I PD控制 ; 滑模 变结 构控 制 ( MC  S ) 中图分 类号 :M3 3 4 2 T 8 .    文献标识码 :   A 文章编号 :04— 08 2 O )2—03 0   10 7 1 (O 8 0 0 8— 2

T e Ap l a i n o   l i g Va i b e S r c u e Co t o  n Lo S e d AC S r o S s e   h   p i t   f S d n   ra l  t u t r   n r li   w  p e     e v   y t m c o i

DI   h a NG C u n一面 n W NG J n, g, A  u 删

Ma o—q a   un

( iu   nvr t, h n d  10 9 C i ) X h aU i sy C e g u6 0 3 , hn   ei a
Ab t a t T e si i g mo e v ra l  t c u e W S d sg e   n   i ltd b   s r c : h  l n   d   a ib e sr t r   a   e in d a d smua e   y MAT AB i  hs p p r C mp r g t e d u L  n t i a e . o a i  h     n

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W  e ov d t r u h si ig mo e v r l t c u e c n r l r s a rs le  h o g   l n   d   a i e sr t r   o t l . d b a u oe 

Ke  od :C sross m;I  ot lsdn  oevr l s cuecn o s c  yw rs A  ev yt PD cnr ; ii m  a a e t tr ot l( r ) e o l g d i  r b u   r d

0 引 言   
随 着微 电子 、 计算 机 、 电力 半导 体和 电机 制造 技  术 的 巨大进 步 , 流伺 服运 动控 制 系统 日益 成熟 , 交 应  用 更加 广泛 , 别 是 永 磁 同步 电 动 机 伺 服 系统 J  特 。
众 所周 知 , 流伺 服 系统 中 的电机 是一 个非 线性 、 交 强 

仿真实验验证了其可行性与有效性 。  

1伺服 系统低 速时的摩擦 系统 
摩擦是影响系统低速性能的重要因素, 它不但 
造成 系统 的稳 态误 差 , 使 系统 产 生 爬 行 、 荡 , 还 振 出  现严 重 的非线 性 现 象 。从 控 制 的 角度 来 说 , 出滑  提 模 变 结构 控制 是为 了克 服机 械伺 服 系统 中摩擦 环节  引起 的不 良影 响 。对 于机 械 伺 服 系统 , 擦环 节 会  摩
产 生 以下影 响 :  

耦 合及 时变 性 的控 制 对 象 , 之 系统 运 动 时易 受 到  加 不 同程度 的干扰 , 特 点 为 滑 模 变结 构 控 制 所提 供  其 了用 武之 地 。变结 构 控 制 是 一 种 非线 性 控 制 , 有  具 响应 速度 快 、 对系统 参 数和外 部 干扰 呈不 变性 , 用  利 滑模 控 制方式 , 迫 系统 状 态 变 量 沿 着 人 为 设 计 的  强 相轨 迹 滑到期 望 点 , 而使 得 系统 在 滑 模 面 上 运 动  从 时具 有 比鲁棒 性 更加 优 越 的不 变 性 , 保 证 系 统 是  可

( )零 速度 时存 在 的静态 摩擦 将使 系统 响应 表  1 现 出死 区特 性 , 系统稳 态 响应具 有 多个平 衡 点 , 一  为

条线段 , 使系统存在很大的静态误差。   ( )当输 入位 置为 斜坡信 号 时 , 2 系统会 出现静 、  
动 、 、 的跳 跃运 动 , 静 动 即低速 爬行 的现象 。   ( )在零 速 度时 , 3 由于静态摩 擦 不是 连续 的 , 并 

渐进稳定的, 其算法简单 , 易于工程实现 , 但它存在  抖 振 J 目前 , 内外 学 者 利 用 变结 构 技术 提 出 了  。 国


些交流伺服 系统 控制策 略, 如在文献 [ ] 出的  3提

是积 分变结 构控 制 方法 , 献 [ ] 究 了基 于极 点  文 4研 配置 的滑模 变结 构 控 制 , 献 [ ] 用 了模 糊 与滑  文 5利

且多值 , 系统在速度过零时的运动不平稳 , 使 出现平  顶现象。可用比较著名 的摩擦模型 S i c tb k曲线来  re
描述 伺 服系统 中摩 擦环 节 的影 响 。图 1 明 在不 同  表 的摩擦 阶段 , 擦力 矩与 速度 之间 的关 系 。 摩  

模控制相结合的策略等。本文针对交流伺服系统在  低 速时 的位 置控 制提 出 了一种 指数 趋近 率 的滑模 变  结构控制方法 , 只要参数选择合适 , 不仅能保证系统  滑动模 运动 的快 速 性 及 良好 鲁 棒 性 能 , 又可 以减 弱  系统抖振对实时控制带来 的不利影 响。最后给出的 
收 稿 日期 :0 7—0 20 5—2  2 改 稿 日期 :0 7—0 20 8一O  8



 

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图 1 S iek曲线    tbc r

Sr ek摩擦 曲线 模型 可表示 如 下 : tbc i  

基金项 目: 四川省教育厅重点项 目(0 5 1   20 A17)

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西华大学人才弓 进基金 ( 0 2 9 8  l R600 )

当I () <   t I 口时, 静摩擦力矩为:  

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低 速 时位置 控 制结 构 , 图 2所 示 。应 用 MA L B 如 TA  建 立滑模 控 制 器 的数 学 模 型式 (0 和 摩 擦 曲 线 的  1) 数 学模 型式 ( )~式 ( ) 从 而得 到 滑模 变结 构 控 制  1 3,

在低速伺服系统 的仿真试 验, 当把滑模控制器改写  为 PD控 制 的数学 模 型式 ( 1 , I 1 ) 即得 PD控 制 在 低  I
速伺 服系 统 的仿 真试 验 。  

图 2 伺服系统位置控制结构图 

3仿真试 验 
仿真 电机 参数 为 : 动惯 量 J= .   转 0 8X1 k   0~ g? m,   粘滞 摩擦 系数 B= . 1转 子磁场 等效 磁链  = 00 ,  
0 2Wb 极对 数 P= , 大静 摩擦 力矩 T 0 4N ? .  , 4最 m= .   

m, 库仑 摩擦 力 矩  = .  ? o=0 0 , 0 2N m, t . 1口=0 1 . 

[2 、 4 叫pJ  c   IL  】 _】     +I L j  I  J   【  3 + J I     _
3f p  < p }   (  5 )

X0 1 一。系统给定信号 为 0()= . s ( , ) 采   t 0 1i 2r , n t t

用 滑模控 制 器 时 , 验 最 终 取 c 0, =1 , 试 =3   0 k=5  。 采 用 PD控 制 时 : I  
J 一, .、  

( t 0() 2et t 5 )=5et + 』 ) +   (d
J  

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(1 1)  

由于指 数趋 近率 和切 换 函数 中的参 数  、 k和 c   的选择 没有 固定 的方 法 。一 般 来 说 , 小  , 大 k 减 增   可 使趋 近速 度加 快 , 抖振 削 弱 。s 0时 , ( ) 为  = 式 7称 切 换线 , 以 c的选 取 将 决定 变结 构 系统 的渐 进 稳  所 定 性 。在建 立 永磁 同步 电动 机伺 服 系统数 学模 型 的 

基础上进行 了数次 的仿真试验 , 验证 了基于指 数趋 
近率 的滑模 变结构 控 制 方 法 的可行 性 ; 述参 数 是  上 在这 些仿 真试 验后 得 到 比较理 想 的一组 。 比较 图 3   和 图 4可 以看 出 低 速位 置 跟 踪 的效 果 ,I 位 置 跟  PD 踪 出现 了平 顶现 象 , 滑 模 变结 构 控 制 位 置 跟 踪 在  而 很 短时 间 内几乎 达 到一 致 ; 5和 图 6是 两 种 控 制  图 下 速度 跟踪 ,I PD控制 在零 速度 时 出现 了爬行 现象 ,  
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驱 控 
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同的 t,  从而实现电动机不 同的起动时间 。  

4结

语 
() 1 起动 电 流 的抑 制 是 无 刷直 流 电动 机 起动 过  、.  

3应 用 实例 
3 1实 例  .

程 究 重 内 ,文 斜 电 控 的 动 i 研 的 要 容本 对 坡 压 制 电 机  
起 动过 程 电流进 行 了分 析 , 到 了影 响起 动 电流 的  得 参数 , 同时得 到 了电流 峰 值 与 斜 坡 有 效 控 制 时 间之 间 的关 系 。   i   i  

作 者设 计 的一 台稀 土永 磁 无 刷直 流 电动 机 , 三  相 六 状 态 工 作 , N:1  0   , N:2 0 V, N: P   0 0W U 1 7  n   80 0r mi。 子 绕组 Y形 连接 , 子 两 对极 结 构 。   0  / n 定 转  

电动 机参 数 : 相绕 组 电阻 R :0 1  转 动 惯  。 .7Q,
量 -: .0  k m , 电时间常数  : . 1  , , O023 g? 机   O 074s 电  磁 转矩 系数K : .5N ? / 负 载T : .  ?   t 0 1  m A, L 0 5N m。

() 2 斜坡电压控制方法有效地抑制了起动电 i  
流, 实现了电动机快速起动。   芦   ( ) 坡 电压 可 以 通 过 软 件 的编 制 调 节 P   j 3斜 WM   占空 比实 现 , 从而 可 以实现 电动 机 的软起 动 , 不需要  对系 统 的硬件 进行 改动 。   j  
() 4 电动 机 的起 动 效 率 对 应 于 起 动 过 程 的 发 

32起动 过程 仿真 分 析  . t: .  时 的起 动 电流 和 转 速仿 真结 果 , 图    05S 如
4所示 。  
40  

2  0

热因 对 频 起 的 机 以 据 际 择 i  ,此 于 繁 动 电 可 根 实 选 起 :
动 时 间。  
参 考 文献 
[ ] LeB o n 1 e  yu g—kk E sn  e ra . d acdSmuai   o e u , ha iM hdd A vn e  i l 。 M dl tn  
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( )起 动 电 流  a

f rhs I Mt re []E ci P e Cmoes   oB se  ] or is J. lt o r op n i r u lsX oDv er w   c nt

[玉冉 于的无流机策! 2 庆冉 永刷电起略   ] ,. 磁直动动    王基 刘   篓
)8 .
DS   P

流…



略 

[ ] 山东大学学报 ,04,4 1 :7— 0  J. 20 3 ( ) 4 5 .

[ 天 ,守 ,军 .位 传 器 刷 流 机 环  i 3 ]李 舒谢 勇刘 等无 置 感 无 直 电 开 起  
动 的实现方法 [ ?  ] 西南 师 范大 学 学报 ,0 7,2( :2   20 3  ) 10一
0. 0 3   4  4, 0.  55 3 . 5 0. 0. 5 0.  0. 0 6 u.  6 ., ,
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1 3. 2  

:  

( )转 速 曲线  b

[ ] 罗隆福 , 4  杨艳 . L C 无位置 传感器换 相 检测和开 环起 动 的  BD M

图 4   0 5 时仿真结果   t: .s

软件实现[]微特电机, 0 ,03 , 4 . J. 2 23 ()3 1 0 9—  
[ ] 窦满峰 , 全喜. 5  林 无刷直 流电机 P WM 斩波频率计算 方法研究  [ ] 微电机,0 53 ( ) 3 3 1 . J. 20 ,8 1 :4— 6,5 

:  

图 4表 明 : 动电流 峰值 与 t有 关 ; 起   在整 个起 动 

过程中, 起动电流可以一直保持最大允许值 , 此时电  动 机 以最大 转矩 起动 , 速迅速 以直线规 律 上升 , 转 以  缩 短起 动 时间 ; 起动 结束 后 , 电流从 最 大值迅 速下 降 
为负载 电流值且 保 持 不变 ; : .  的起 动 效 率  t 0 5S时  
为 1.2 。  9%   1

[ ] 李强 , 明耀 , 海文等. 用逐周 期 电流控制 改善无 刷直 流  6  林 李 采

电机起动性能f]微电机, 0 。 ( )1 —1.  . J 2 43 4 : 0 7 3 5  
作 者简介 : 李伟 (9 2一) 男 , 士研究 生 , 18 , 硕 专业 为 电力 电子 及 
电力传动 。  

j  

( 接第 3 上 9页 ) 滑模 变结 构 控 制 在 速度 跟 踪 时虽 然  出现 抖 动但并 不 明显 , 明利 用 指 数 趋 近 率 有 效地  说
削弱 了变 结构 带来 的抖 振 问题 , 达到 了预期 的效果 ,   能 够很 好地解 决 零速 度爬行 问题 。  

动化专业中的应用 [ . 京 : M]北 清华大学 出版社 ,07  20 .

舒志兵. 交流伺服运动控制系统 [ . M] 北京 : 清华 大学 出版社 ,  
2 0   0 6.

任敏 , 郭庆鼎 , 宁玉. 梁 交流伺 服 系统的新 型滑模 速度控 制器  研究 [ ] 沈阳工业大学学报 ,0 12 ( :5 J. 2 0 ,3 2) 10—13 5.  

4结  语 
理 论 分 析 和仿 真 结 果表 明 , 用 指 数趋 近 率 和  采

姜静 , 清河 . 伍 滑模变结构控制在跟踪伺服 系统中的应用 [ ] J.  
电 机 与控 制 学报 ,0 59 6 52—55  20 ,( ):6 6.

谢 成祥 , 曾庆军 , 徐绍芬 . 交流伺 服系统模 糊滑 模控 制器设计  [ ]控制 与决策 ,0 3 1 ( ) l3一l5 l9  J. 20 ,8 1 : l l , l.

滑模变结构控制相结合的方法 , 在低速伺服 系统对  永磁 同步 电动 机位 置控 制不 仅克 服 了经典 PD控制  I 的缺 陷 , 而且 可 以有 效地 削弱 变 结 构 本 身带 来 的抖 
振 问题 。系统 响应 速度快 , 无超 调 , 置控 制精 度较  位 高, 可达 到预 期 的控制 效果 。  
参考 文献 
[ ] 王忠礼 , 1   段慧达 , 高玉峰. A L B应用技 术在 电气工 程与 自 M TA  

邹伟全 , 姚锡凡. 滑模变结构控 制的抖 振问题研究 [ ] 控 制与  J.
检 测 ,0 6 1 :3— 5  2 0 ( )5 5 .

胡跃明. 非线性控 制 系统理 论与应 用 [ . M] 北京 : 国防工 业 出 
版 社 ,0 5  20 .

作者简介 : 丁传东 (9 5一) 男 , 17 , 硕士 研究 生, 研究 方 向为交流 

永同电的频速 磁步机变调。  

一 


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