单定子双转子盘式对转永磁同步电机动态滑模控制
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
湖南大学国家电能变换与控制工程技术研究中心、华中科技大学电气与信息工程学院的研究人员罗德荣、贺锐智、黄守道、贺声涛、钟义长，在2019年第9期《电工技术学报》上撰文指出，单定子双转子盘式对转永磁同步电机在不平衡负载及扰动情况下运行时会出现运行不稳定、鲁棒性差的问题。
针对此问题，该文在双转子两边不同负载的情况下，分析了电机运行的稳定性，提出一种实时切换参考坐标系的动态滑模控制策略。该控制策略通过实时比较转矩角的大小以切换控制所需的坐标系来实现双转子的动态控制。同时，针对动态控制系统易受到负载扰动影响的问题，构建非奇异快速终端滑模速度控制器以提高系统的鲁棒性。实验结果表明，该文所提出的动态滑模控制策略能够使系统运行稳定可靠。
基于对转螺旋桨的电力推进技术因具有体积小、布置灵活及自动化程度高等优点而受到广泛关注。文献[4-6]提出了一种基于径向磁场单定子双转子对转电机设计模型及相应的控制方法，但该电机在实际运行时控制较困难。文献[7-8]分别提出了基于矢量控制和基于直接转矩控制的径向磁场单定子双转子电机控制方法，仿真结果表明，该电机在双转子两边负载一致时，运行效果较好，但当负载出现不平衡时，系统运行不稳定。
文献[9]提出了一种直接驱动对转螺旋桨用单定子双转子盘式对转永磁同步电机。文献[10]结合单定子双转子盘式对转永磁同步电机的特点，提出了一种分时控制的双转子控制策略，该方法能够有效实现该单定子双转子盘式对转永磁同步电机的同步运行，但负载突变时处于跟随状态的转子转矩脉动较大。
文献[11]研究了盘式单定子双转子对转永磁同步电机在双转子不平衡负载下的运行情况，提出了主从控制策略，该控制策略能够使得系统在两边转子负载小幅度不平衡或负载突变情况下稳定运行，由于所提出的主从控制策略采用的是基于PI控制器的矢量控制，处于跟随状态的转子会出现转矩、转速波动大等问题，而且系统的鲁棒性较差。滑模控制能够克服系统的不确定性，对于干扰和未建模动态具有很强的鲁棒性，尤其是对非线性系统的控制具有良好的效果，因而被广泛应用于永磁同步电机控制领域。
文献[14]针对永磁同步电机调速系统中存在稳态误差的问题，提出了积分滑模控制策略，但该策略在初始误差较大和系统存在干扰的情况下容易产生积分饱和，从而导致阶跃超调量较大。文献[15]针对永磁同步电机系统中采用滑模控制器存在抖振的问题，提出了非奇异快速终端可变边界层滑模控制策略，实现了抖振和跟踪精度的协调控制，提高了永磁同步电机控制系统的调速精度和鲁棒性。
根据目前水下航行器用单定子双转子盘式对转永磁同步电机控制的研究情况来看，该特殊电机在两边转子存在少许不平衡负载情况下能够初步实现稳定运行，但转速、转矩的动态响应特性不理想，转速、转矩脉动大，系统的鲁棒性较差。
本文在双转子两边不同负载的情况下，分析了电机运行的稳定性，提出一种实时切换参考坐标系的动态滑模控制策略。通过实时比较转矩角大小以切换控制所需的坐标系来实现双转子的动态控制。同时，针对动态控制系统易受到负载扰动影响的问题，构建非奇异快速终端滑模速度控制器以提高系统的鲁棒性。最后，在2.2kW的单定子双转子盘式对转永磁同步电机实验平台上对所提出的控制策略进行实验验证。
图1 单定子双转子盘式对转永磁同步电机结构
图6 单定子双转子盘式对转永磁同步电机动态滑模控制框图
图7单定子双转子盘式对转永磁同步电机实验平台
针对单定子双转子盘式对转永磁同步电机在不平衡负载及扰动情况下运行时会出现运行不稳定、鲁棒性差的问题，本文提出一种实时切换参考坐标系的动态滑模控制策略。该控制策略通过实时比较转矩角大小以切换控制所需的坐标系来实现双转子的动态控制。同时，针对采用传统PI速度控制器时系统动态性能易受到负载扰动影响的问题，构建非奇异快速终端滑模速度控制器以提高系统的鲁棒性。
实验结果表明，本文所提出的控制策略能够使系统运行稳定、可靠，而且在两个转子上的负载发生突变时，单定子双转子盘式对转永磁同步电机采用该控制策略与采用传统PI控制器相比，转子转速的超调量小，系统的鲁棒性强。