湖南工业大学科研团队提出一种永磁同步电机无模型高阶滑模控制算法

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永磁同步牵引电机在复杂牵引工况下容易受到未知扰动、参数摄动等不确定因素影响，采用传统PI控制难以抑制内外扰动，导致永磁牵引系统整体控制性能下降，电机无法在高性能应用场合达到满意的控制效果。

湖南工业大学电气与信息工程学院与轨道交通学院的赵凯辉、刘文昌、刘智诚、贾林和黄刚在2023年第6期《电工技术学报》上撰文，结合扰动观测器和无模型高阶滑模技术，提出了基于扩展非奇异终端滑模扰动观测器（Extended Nonsingular Terminal Sliding Mode Disturbance Observer, ENTSMDO）的无模型非奇异快速终端滑模控制（Model-Free Non-singular Fast Terminal Sliding Mode Control, MFNFTSMC）方法来实现容错控制，以解决高转矩永磁同步牵引电机因参数摄动和未知扰动等不确定因素造成控制性能下降的问题。

所提出的基于ENTSMDO转速环新型MFNFTSMC方法，其依据永磁同步牵引电机转速环的输入输出建立新型超局部模型，继而设计转速环的MFNFTSMC控制器；同时结合高阶滑模和非奇异终端滑模设计ENTSMDO，来实时精准估计新型超局部模型的未知部分，通过对MFNFTSMC控制器进行前馈补偿，进而实现永磁同步牵引系统在复杂工况下的容错控制，增强了系统的鲁棒性，减少了系统抖振。最后，通过仿真和实验验证了所提出的方法的有效性和优越性。

研究背景

永磁同步牵引系统因功率密度高、过载能力强、动态转矩快等优势，已广泛应用在高速列车、城市轨道交通、矿用机车等相关领域。然而，考虑到牵引系统中永磁同步电机控制受到未知扰动、参数摄动等不确定因素影响，如何在复杂牵引工况下使牵引电机仍保持高性能控制正成为学者研究重点。

论文所解决的问题和意义

经典磁场定向控制的双PI闭环控制在牵引系统广泛使用，但当计及参数摄动和未知扰动等不确定因素，PI控制难以抑制扰动，导致电机整体控制性能下降。因此，设计一种无模型高阶滑模控制算法能减少参数依赖，进而提高牵引系统鲁棒容错性能。

论文方法及创新点

1）提出一种无模型非奇异快速终端滑模控制方法

基于永磁同步牵引电机新型超局部模型，将无模型控制算法和非奇异快速终端滑模相结合，来设计MFNFTSMC控制器，在参数摄动和未知扰动下，电机的转速、电流、转矩能在极短时间内恢复到给定值，系统的动态响应速度和鲁棒性均得到提升。

2）设计扩展非奇异终端滑模扰动观测器估计新型超局部模型的不确定部分

将高阶滑模和非奇异终端滑模结相合，来设计ENTSMDO，实时精准观测新型超局部模型的未知部分，并通过对MFNFTSMC控制器前馈补偿，实现牵引电机在参数摄动和未知扰动下的容错控制，保证了牵引电机的高性能控制。

图1为基于ENTSMDO的MFNFTSMC方法结构图；图2为基于ENTSMDO的MFNFTSMC永磁同步牵引电机驱动系统整体框图。

图1 基于ENTSMDO的MFNFTSMC结构图

图2 基于ENTSMDO的MFNFTSMC永磁同步牵引电机驱动系统整体框图

实验验证

本文采用RT-LAB半实物系统，实现永磁同步牵引电机的硬件在环实验。图4为参数摄动和未知扰动下，所提出的MFNFTSMC方法与现有PI控制、传统无模型滑模控制（MFSMC）方法的实验对比图。

图3 与现有方法的实验对比图

实验结果表明：所提出的MFNFTSMC方法波形变化平稳，能有效抑制电流和转矩脉动，这归因于ENTSMDO能精准观测超局部模型中的未知部分并进行前馈补偿，使电流和转矩变化迅速，抖动明显减小。

结论

本文提出一种基于ENTSMDO的转速环新型MFNFTSMC方法。通过仿真和实验综合比较，在参数摄动和未知扰动情况下，所提方法的动态响应速度和鲁棒性均得到提升，并有效抑制了电流和转矩脉动，实现了参数摄动下的容错控制。

团队介绍

本文由湖南工业大学电气与信息工程学院“先进轨道交通装备与控制”科研团队完成。该团队面向大型工程核心装备的高性能驱动及可靠运行需求，重点服务株洲先进轨道交通产业链，开展电气传动的系统建模、故障检测与诊断、容错控制、协同控制等方面的理论研究与工程应用。

依托轨道交通自动化技术及装备湖南省2011协同创新中心，聚焦轨道交通电机控制与故障诊断理论与技术创新，在大功率牵引电机控制、驱动系统故障诊断、多电机网络控制等领域成果突出，建立了考虑模型不确定性的多电机系统精准容错协同控制方法。近五年承担国家重点研发课题1项、国家自然科学基金3项，获国家技术发明二等奖1项、湖南省技术发明奖一等奖、科技进步二等奖、科技进步三等奖和湖南省教学成果一等奖各1项。课题组在已发表SCI/EI论文100余篇，申请及授权发明专利30余项。

本文编自2023年第6期《电工技术学报》，论文标题为“一种永磁同步电机无模型高阶滑模控制算法”。本工作得到国家自然科学基金项目、湖南省自然科学基金项目、湖南省教学改革研究项目、湖南省教育厅科学研究项目和湖南工业大学研究生科研创新项目的支持。

引用本文

赵凯辉, 刘文昌, 刘智诚, 贾林, 黄刚. 一种永磁同步电机无模型高阶滑模控制算法[J]. 电工技术学报, 2023, 38(6): 1472-1485. ZHAO Kaihui, LIU Wenchang, LIU Zhicheng, JIA Lin, HUANG Gang. Model-Free High Sliding Mode Control for Permanent Magnet Synchronous Motor. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(6): 1472-1485.

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