无刷直流电机转速伺服系统高阶滑模控制研究

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1、学校代码10699分类号TM351密级学号2010100491题目无刷直流电机转速伺服系统高阶滑模控制研究作者张庆超学科、专业电机与电器指导教师马瑞卿申请学位日期2017年6月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：无刷直流电机转速伺服系统高阶滑模控制研究作者：张庆超学科专业：电机与电器指导教师：马瑞卿2017年6月Title:High-orderSlidingModeControlforBrushlessDCMotorSpeedServoSystemByZhangQing-chaoUndertheSupervisionofProfessorMaRi-q

2、ingADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofElectricMachineandEquipmentXi’anP.R.ChinaJune2017摘要摘要无刷直流电机（BrushlessDCMotor，BLDCM）因其结构简单、性能优异、可靠性高等优点，在多电/全电飞机、高超声速飞行器、纯电动汽车、伺服机器人等高科技装备领域中得到了愈加广泛地应用，而且对其控制系统的性能

3、要求也越来越高。BLDCM转速伺服控制系统作为BLDCM系统在这些应用领域中的核心，提高其鲁棒性是保证系统具备较高动、静态性能和扩大应用场合的关键所在。本文在全面把握BLDCM控制技术和高阶滑模控制理论研究现状的基础上，以BLDCM非线性建模为基础，将提高BLDCM转速伺服控制鲁棒性的研究重点，放置于基于Super-TwistingAlgorithm（STA）和PrescribedConvergenceLaw（PCL）两种二阶滑模算法的转速伺服控制律的设计上，并兼顾研究在减小转矩脉动、减小铜耗和减小转速超调等多方面提高系统综合性能的方法。首先，建立了基于两相

4、导通回路的BLDCM纯反馈非线性模型，在此基础上，结合反步控制设计方法和STA，提出了二级滑模反步自适应二阶滑模BLDCM转速伺服控制方法，与传统二阶滑模控制方法相比，所提方法无需对滑模变量求导，避免了因求导而导致的噪声及信号干扰等对系统的不利影响。在控制律设计中，针对第一级转速子系统，提出了一种新型的自适应STA二阶滑模算法——SSTA，相比采用标准STA进一步提高了系统对阶跃负载扰动的鲁棒性，并减小了转速超调；针对第二级电流子系统，考虑了BLDCM梯形波反电势的非理想性和关断相续流对转矩控制的影响，并进行了相应的补偿设计，减小了转矩脉动，提高了转矩控制精

5、度。为进一步简化控制律，将BLDCM以转速控制为目的的二阶系统模型降阶分解为两个一阶动力环节——转速环节和转矩环节，在此基础上，提出了一阶和二阶滑模级联式BLDCM转速转矩双闭环转速伺服控制方法。针对转速外环STA控制，通过分析得出了系统本身存在的比例滑模项不影响STA控制稳定性的结论，在此基础上，提出了一种具备比例滑模项的STA——PSTA，将其用于转速外环二阶滑模控制律设计，相比标准STA，提高了系统的收敛速度和对阶跃负载扰动的鲁棒性，减小了转速超调；针对转矩内环，结合非理想梯形波反电势、一阶滑模算法、两相导通非零电压矢量和三相同时关断的零电压矢量，提出

6、了带电流直接限幅的BLDCM磁链不控一阶滑模直接转矩控制（DirectTorqueControl，DTC）方案，减小了转矩脉动，提高了转矩响应的动态性能。研究结果表明，与传统的转速电流双闭环PI控制相比，上述两种方法均能够有效提高系统在不确定负载扰动下的鲁棒性和控制精度，并减小转速超调和转矩脉动；但二者相比，所提的一阶和二阶滑模级联式BLDCM双闭环转速伺服控制方法的控制律更简单，控制参数更少，同时仍具备无需对滑模变量求导的优点。尽管上述的BLDCM磁链不控一阶滑模DTC方案可消除由反电势非理想性带来的I西北工业大学博士学位论文转矩脉动，但仍属于两相导通控制

7、方式，无法消除BLDCM高速运行时的换相转矩脉动；此外，由于无磁链闭环，也无法通过设计磁链跟踪轨迹进一步优化系统性能。针对以上问题，本文结合坐标变换和BLDCM最大转矩电流比（MaximumTorquePerAmpere，MTPA）矢量控制原理，提出了基于三相导通电压矢量的BLDCM-MTPA磁链跟踪-DTC方法，并揭示了定子磁链MTPA跟踪轨迹随负载变化的机理。与传统的电流PI控制和BLDCM-磁链不控DTC方法相比，所提出的新型BLDCM-DTC方法能够同时消除反电势非理想性带来的转矩脉动和换相转矩脉动，进一步提高了转矩控制精度，而且所提方法中定子磁链的

8、MTPA轨迹跟踪控制还可令BLDCM在输出相同转矩的