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基于平滑切换机制的自适应积分终端SMC用于定子电压饱和与未知扰动的永磁同步电机伺服系统

已有 296 次阅读 2025-4-30 09:12 |个人分类:文章推荐|系统分类:博客资讯

基于平滑切换机制的自适应积分终端SMC用于定子电压饱和与未知扰动的永磁同步电机伺服系统

编辑荐语

本期将给大家分享的论文是“Smooth switching mechanism-based adaptive integral terminal SMC for PMSM servo system with stator voltage saturation and unknown disturbances(基于平滑切换机制的自适应积分终端SMC用于定子电压饱和与未知扰动的永磁同步电机伺服系统)”。如您对本期相关内容有好的理解与建议，欢迎评论区留言。

永磁同步电机(PMSM)伺服系统因其高功率密度、高可靠性等特点，在许多工业领域得到了广泛的应用，如工业自动化与精密制造中的数控机床、工业机器人和半导体制造设备，新能源汽车中的纯电动车、混动汽车和燃料电池车，家用电器与消费电子中的变频空调压缩机、滚筒洗衣机和无人机动力系统，以及医疗设备和高铁机车等诸多领域。然而，PMSM伺服系统是一个强耦合的多变量非线性系统，在不同工况下运行时不可避免地会受到各种未知扰动的影响，如模型参数不确定性、摩擦力以及外部负载扰动等。此外，由于逆变器的电压限制，存在电压饱和现象。电压饱和问题也可看作是一种输入饱和问题。如果控制输入超过逆变器所能提供的电压极限，就会引起d轴或q轴定子电压饱和，使系统发生故障，破坏系统稳定性，甚至导致安全事故。因此，如何在确保在这些复杂因素下的PMSM的安全稳定运行具有十分重要的意义。本文将提出一种非线性不确定PMSM在定子电压饱和与未知负载情况下的抗扰动控制方法来解决这一问题。

Smooth switching mechanism-based adaptive integral terminal SMC for PMSM servo system with stator voltage saturation and unknown disturbances基于平滑切换机制的自适应积分终端SMC用于定子电压饱和与未知扰动的永磁同步电机伺服系统Xiangxiang Meng, Haisheng Yu, Jie Zhang, Qing Yang

机构：青岛大学

引用：Meng, X., Yu, H., Zhang, J. et al. Smooth switching mechanism-based adaptive integral terminal SMC for PMSM servo system with stator voltage saturation and unknown disturbances. Control Theory Technol. (2025). https://doi.org/10.1007/s11768-025-00249-7

全文链接：https://rdcu.be/eh9Cu

摘要

本文研究了非线性不确定永磁同步电机(PMSM)在定子电压饱和与未知负载情况下的扰动抑制与镇定问题。提出一种平滑切换机制，构建自适应积分终端滑模控制(SMC)策略，削弱抖振影响。控制设计由补偿控制和标称控制组成，提高了轨迹跟踪的快速性和准确性。采用基于误差函数的平滑饱和模型来逼近电压饱和现象。此外，针对各种未知扰动(包括模型参数不确定性和未知的外部负载扰动)的不利影响，提出了一种改进的扰动观测器(DO)。该观测器有效地抑制了系统启动阶段固定增益引起的波动。最后，不同条件下的实验结果表明，所提出的策略具有良好的跟踪和扰动抑制性能。

引言

近年来，学者们提出了许多非线性算法来解决伺服系统的诸多控制问题，包括磁场定向控制(FOC)、直接转矩控制(DTC)、比例积分/比例积分微分(PI/PID)控制、模糊控制、模型预测控制、自适应控制和滑模控制(SMC)等。但仍然存在一些亟待解决的问题，如：(a) 如何保证调节过程的稳定性，避免过度调节是一个难点；(b) 如何在不牺牲扰动抑制性能的前提下减少SMC方法所附带的抖振现象；(c) 如何有效地利用自适应技术，并通过终端SMC确保系统在扰动和不确定性情况下的稳定性和收敛性是一个挑战。针对存在定子电压饱和与未知扰动的PMSM伺服系统，提出了一种基于平滑切换机制的自适应积分终端SMC，本文的贡献概括如下。

本文提出了一种用于永磁同步电机伺服系统调速的单环自适应积分终端SMC策略，与其他双环方法相比简化了控制结构。
首次提出了基于平滑切换机制的自适应积分终端SMC。与传统SMC方法相比，所提出的算法减少了抖振并消除了超调。控制设计包括补偿控制和标称控制，以提高轨迹跟踪的快速性和准确性。
基于平滑函数提出了改进的DO，有效地消除了永磁同步电机伺服系统启动期间固定增益引起的波动，因此它具有比传统DO更好的估计性能。同时，将平滑饱和模型近似误差表示为不确定项或未知干扰项，设计观测器对其估计，显著地提高了抑制干扰的能力。此外，开发了自适应双层超扭曲算法来减少抖振并补偿估计的干扰误差。

Fig. 1

图1(原文Fig. 1) 所提控制策略的永磁同步电机(PMSM)伺服系统闭环结构

Fig. 6

图2(原文Fig.6)PMSM伺服系统实验平台

结论

针对具有定子电压饱和与未知扰动的PMSM伺服系统，提出了一种基于平滑切换机制的自适应积分端SMC策略。控制系统设计包含补偿控制和标称控制，提高了轨迹跟踪的快速性和准确性。采用平滑饱和模型逼近，避免了电压饱和的负面影响。考虑到各种未知干扰的不利影响，设计了改进的DO，也有效地抑制了系统启动期间固定增益引起的波动。此外，基于Lyapunov准则保证了闭环系统稳定性，且系统中的所有信号都是半全局一致有界。实验结果表明，该策略与其他方法相比具有更好的跟踪和扰动抑制性能。

作者介绍

Xiangxiang Meng

于2021年获得青岛大学控制科学与工程硕士学位。他目前正在青岛大学攻读系统科学博士学位。他的研究兴趣包括机电系统运动控制、能量转换与优化、智能控制、鲁棒控制等。

Haisheng Yu

于1985年获得哈尔滨建筑工程学院（已并入哈尔滨工业大学）电气自动化学士学位，1988年获得中国科学院自动化研究所（由清华大学计算机系培养）硕士学位，2006年获得山东大学控制科学与工程博士学位。他是青岛大学首席教授，二级教授，博导，国家“万人计划”教学名师，主持国家自然科学基金面上项目、山东省自然科学基金面上以及企业横向科研项目等30余项。发表SCI、EI、CSCD等源刊论文400余篇；获中国自动化学会技术发明奖、山东省技术发明奖、山东省自然科学奖等多项。他目前的研究方向包括电机驱动与运动控制，智能装备与机器人控制，智能测控与网络系统。

Jie Zhang

分别于2018年和2021年获得烟台大学文经学院机械制造与自动化专业学士学位和烟台大学机械工程硕士学位。她目前正在青岛大学攻读系统科学博士学位。她目前的研究兴趣包括机器人的控制和优化、应用非线性控制和智能控制系统。

Qing Yang

于2019年获得曲阜师范大学自动化学士学位，并于2021年获得青岛大学控制科学与工程硕士学位。他目前正在青岛大学攻读系统科学博士学位。他目前的研究兴趣包括电机系统和机械手系统的非线性控制和智能控制。

期刊简介

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Control Theory and Technology (CTT), 中文名《控制理论与技术》, 创刊于2003年，原刊名为Journal of Control Theory and Applications，2014年刊名更改为Control Theory and Technology。由华南理工大学与中国科学院数学与系统科学研究院联合主办，主要报道系统控制科学中具有新观念、新思想的理论研究成果及其在各个领域中的应用。目前被 ESCI (JIF 1.7)、EI、Scopus (CiteScore 3.1，更新于2025年4月5日)、CSCD、INSPEC、ACM 等众多数据库收录, 并于2013–2018年获得两期中国科技期刊国际影响力提升计划项目资助。2017–2021年连续获得“中国最具国际影响力学术期刊”和“中国国际影响力优秀学术期刊”称号，获得广东省高水平科技期刊建设项目(2021-2024年)，2022-2024年进入中国科协自动化学科领域高质量科技期刊目录。

官网：https://link.springer.com/journal/11768 (即http://www.springer.com/11768)

https://jcta.ijournals.cn/cta_en/ch/index.aspx

投稿：https://mc03.manuscriptcentral.com/ctt

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