2024年4月21日发(作者：费凌青)
第29卷 第3期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.29 No.3 Jan.25, 2009
96 2009年1月25日 Proceedings of the CSEE ©2009 .
(2009) 03-0096-06
中图分类号：
TM 35
文献标志码：
A
学科分类号：
470
⋅
40
文章编号：
0258-8013
滑模控制的永磁同步电机伺服系统一体化设计
方斯琛，周波
(航空电源航空科技重点实验室(南京航空航天大学)，江苏省 南京市 210016)
Integrated Design for Permanent Magnet Synchronous Motor
Servo Systems Based on Sliding Mode Control
FANG Si-chen, ZHOU Bo
(Aero-Power Science-Technology Center(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics), Nanjing 210016, Jiangsu Province, China)
ABSTRACT: To solve the velocity control problem associated
with conventional sliding mode control of permanent magnet
synchronous motor (PMSM) servo systems, a compact
integrated design method for position and velocity loops was
proposed. The merits of conventional sliding mode control
approach and PID control technique were introduced to design
this novel integrated controller for the position and velocity
loops. Some integral and feedforward compensatory strategies
were applied to eliminate chattering induced by variable
structure control and improve robustness and dynamic
characteristics of the servo system. Both simulation analysis
and experimental results demonstrate the validity of the
proposed method and the feasibility of control strategies.
KEY WORDS: sliding mode control; permanent magnet
synchronous motor; velocity control; integrated design;
compensatory strategy
摘要：为解决传统滑模变结构控制的永磁同步电机
(permanent magnet synchronous motor，PMSM)位置伺服系统
中速度不控或控制律设计复杂的问题，提出一种简化的位
置、速度控制器一体化设计方法。分析常规变结构伺服系统
中位置、速度滑模控制器设计的思想和方法，并利用状态变
量间的对应关系改进传统滑模面。借鉴经典PID伺服系统
的控制思想，综合设计系统的外环控制器，实现精确的位置
定位及速度控制。在此基础上，采用积分及前馈等补偿策略
以消除变结构系统中固有的抖振现象，并提高了系统的动态
特性和鲁棒性。仿真和实验结果均验证了文中所提出方法的
正确性及控制策略的有效性。
关键词：滑模变结构控制；永磁同步电机；速度控制；一体
化设计；补偿策略
0 引言
随着交流电机设计和控制技术的不断成熟，其
基金项目：江苏省高技术项目(BG2004009)。
构成的交流伺服系统正逐步取代直流伺服系统，
并在高精度数控、机器人等众多领域得到了广泛
应用
[1-8]
。目前，交流伺服系统的控制仍普遍采用
PID控制，该控制器具有结构简单、可靠性高及易
于数字实现等优点，然而，普通PID控制下的伺服
系统，其性能易受参数变化及外部扰动的影响，即
使在参数匹配良好的条件下能取得较好的性能，一
旦系统参数发生变化或受到其它不确定性因素的
影响，仍可能导致伺服系统性能变差，因此，需要
寻找一种有效的控制策略以克服系统运行时参数
变化及外部扰动对其性能的影响。
近年来，一些现代控制理论的成果相继被引入
交流伺服系统的研究中
[9-11]
，其中滑模变结构控制
以其对参数变化及扰动不敏感、响应快速及物理实
现简单等优点而日益得到研究人员的重视
[12-15]
。从
现有文献来看，目前基于滑模变结构控制的交流伺
服系统的研究主要集中在各种滑模面及控制律的
设计优化、物理实现及系统抖振的抑制方面
[16-18]
。
文献[16]采用反馈线性化的思想构造了一种基于永
磁直线同步电机的准线性化模型，利用固定边界层
滑模控制技术以增强系统的鲁棒性，并抑制了一般
滑模控制中的抖振现象。文献[17]在传统滑模控制
原理的基础上提出一种简化设计方案，减少了控制
器的设计变量，同时将适应性遗传算法引入到滑模
变结构控制策略中，优化了感应电机伺服控制系统
的参数。文献[18]在感应电机无速度传感器系统中
设计一种滑模变结构磁链观测器，克服了外部扰动
和参数变化对系统的影响；文中还采用饱和函数代
替常规滑模控制器中的符号函数，从而削弱了变结
构控制中的抖振现象。
与此同时，针对传统位置滑模控制器中速度不
第3期 方斯琛等： 滑模控制的永磁同步电机伺服系统一体化设计 97
可控的问题，国外一些学者陆续提出一些解决思
路，并取得一定的成果
[19-20]
。文献[19]在感应电机
位置滑模控制器中提出一种速度控制方案，即在保
证系统快速定位及准确跟踪的情况下，将伺服系统
的速度运行曲线划分为最大加速、恒速、最大减速
3个部分，初步解决了位置滑模控制器中速度不控
的问题。文献[20]则在文献[19]的基础上，将该控制
思想成功地运用到永磁交流伺服系统中，并详细地
给出了三段式速度曲线的设计方法，但在该类型的
实现方案中均需涉及较多的滑模面，这给系统的物
理实现带来了一定难度，且众多滑模面间的切换也
易使系统产生振荡。同时，文献[19-20]中也未对伺
服系统采取有效的消抖控制策略。此外，部分文献
中控制器的设计还需要采集加速度信号，而由于系
统噪音和参数不确定性的影响，加速度信号很难被
精确测量或估计。
本文在文献[19-20]的基础上提出了一种简化
的滑模变结构位置、速度控制器一体化设计方法。
在该实现方案中，滑模面个数较少且无需采集加速
度信号，简化了设计步骤，较好地实现了永磁同步
电机伺服系统的精确定位及其速度控制。文中还运
用积分及前馈补偿策略以消除变结构系统中固有
的抖振现象，并提高系统的动态特性和鲁棒性，仿
真和实验结果均表明所设计控制器的有效性。
ω
=d
θ
/dt
(6)
式中：
T
e
为伺服系统的输出电磁转矩；
T
L
为负载转
矩；
B
为阻尼系数；
J
为转动惯量；
p
为转子极对数；
ω
为转子角速度；
θ
为转子位置角。
2 伺服系统位置、速度一体化控制器的设计
2.1 一体化控制器设计思想的提出
从
20
世纪
80
年代中期开始，先后有国外学者
提出将滑模变结构控制的直流、交流伺服系统进行
位置、速度环的综合设计
[19-20]
，本文以文献
[20]
为
例，阐述其主要的实现思想。
伺服系统的控制原理框图如图
1
所示，其中系
统的电流内环仍采用
PID
调节，同时运用滑模变结
构技术将伺服系统位置、速度环综合设计成为系统
的外环调节器，外环调节器的输入变量为位置给定
θ
ref
、位置反馈
θ
及速度反馈
ω
。在滑模面的选取时，
采取先速度控制后位置控制的思想，如图
2
所示。
θ
U
DC
−
θ
滑模控制
i
q
ref
i
q
i
d
ref
=
0
−
i
d
−
PID
PID
派克
逆变换
电压空
间脉宽
调制
i
a
i
b
i
c
三相
逆变换
U
a
U
b
U
c
ref
ω
θ
派克
变换
3/2
变换
d/dt
位置
传感器
PMSM
1 永磁同步电机的数学方程
所研究的永磁同步电机的定子绕组为星型接
法，三相交流供电，转子为平面式永磁结构。可作
如下假设：1）磁路不饱和，磁滞和涡流损耗忽略不
计；2）空间磁势及磁通呈正弦规律分布，则其动态
方程为
di
u
d
=
ri
d
−
ω
e
L
q
i
q
+
L
d
d
(1)
dt
d
i
q
(2)
u
q
=
ri
q
+
ω
e
ψ
f
+
ω
L
d
i
d
+
L
q
d
t
式中：r为定子绕组电阻；
ψ
f
为永磁体的励磁磁链；
L
d
、L
q
、u
d
、u
q
、i
d
、i
q
为电机交、直轴的电感、电
压和电流；
ω
e
为转子电角速度。
采用i
d
=
0
的磁场定向控制技术，则机械运动方
程为：
d
ω
T
e
−
T
L
=
J
+
B
ω
(3)
d
t
T
e
=p
ψ
f
i
q
(4)
图1 一体化设计的变结构伺服系统实现思想
Fig. 1 Integrated design for variable
structure servo systems
ω
速度控制
位置控制
ω
max
s
1
⋅
=
αω
1
t
1
s
2
ω
=
ω
max
⋅
=
α
ω
t
2
s
3
s
4
t
3
t
0
图2 4段式变结构位置伺服系统控制模式
Fig. 2 Four-section control mode for variable
structure position servo systems
文献
[20]
利用多个滑模面将系统的运行轨迹设
计为：先进入速度滑模控制范围，并由加速区域
s
1
、
恒速区域
s
2
、减速区域
s
3
3
个阶段组成，并有：
1
2
s
1
=
x
1
−
x
2
−
x
10
(7)
2
α
1
s
2
=x
2
−
ω
d
(8)
1
2
s
3
=
x
1
+
x
2
(9)
2
α
2
式中：
x
10
、
x
1
、
x
2
为系统的状态变量，并有
x
10
=
θ
0
−
θ
ω
e
=p
ω
(5)
2024年4月21日发(作者：费凌青)
第29卷 第3期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.29 No.3 Jan.25, 2009
96 2009年1月25日 Proceedings of the CSEE ©2009 .
(2009) 03-0096-06
中图分类号：
TM 35
文献标志码：
A
学科分类号：
470
⋅
40
文章编号：
0258-8013
滑模控制的永磁同步电机伺服系统一体化设计
方斯琛，周波
(航空电源航空科技重点实验室(南京航空航天大学)，江苏省 南京市 210016)
Integrated Design for Permanent Magnet Synchronous Motor
Servo Systems Based on Sliding Mode Control
FANG Si-chen, ZHOU Bo
(Aero-Power Science-Technology Center(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics), Nanjing 210016, Jiangsu Province, China)
ABSTRACT: To solve the velocity control problem associated
with conventional sliding mode control of permanent magnet
synchronous motor (PMSM) servo systems, a compact
integrated design method for position and velocity loops was
proposed. The merits of conventional sliding mode control
approach and PID control technique were introduced to design
this novel integrated controller for the position and velocity
loops. Some integral and feedforward compensatory strategies
were applied to eliminate chattering induced by variable
structure control and improve robustness and dynamic
characteristics of the servo system. Both simulation analysis
and experimental results demonstrate the validity of the
proposed method and the feasibility of control strategies.
KEY WORDS: sliding mode control; permanent magnet
synchronous motor; velocity control; integrated design;
compensatory strategy
摘要：为解决传统滑模变结构控制的永磁同步电机
(permanent magnet synchronous motor，PMSM)位置伺服系统
中速度不控或控制律设计复杂的问题，提出一种简化的位
置、速度控制器一体化设计方法。分析常规变结构伺服系统
中位置、速度滑模控制器设计的思想和方法，并利用状态变
量间的对应关系改进传统滑模面。借鉴经典PID伺服系统
的控制思想，综合设计系统的外环控制器，实现精确的位置
定位及速度控制。在此基础上，采用积分及前馈等补偿策略
以消除变结构系统中固有的抖振现象，并提高了系统的动态
特性和鲁棒性。仿真和实验结果均验证了文中所提出方法的
正确性及控制策略的有效性。
关键词：滑模变结构控制；永磁同步电机；速度控制；一体
化设计；补偿策略
0 引言
随着交流电机设计和控制技术的不断成熟，其
基金项目：江苏省高技术项目(BG2004009)。
构成的交流伺服系统正逐步取代直流伺服系统，
并在高精度数控、机器人等众多领域得到了广泛
应用
[1-8]
。目前，交流伺服系统的控制仍普遍采用
PID控制，该控制器具有结构简单、可靠性高及易
于数字实现等优点，然而，普通PID控制下的伺服
系统，其性能易受参数变化及外部扰动的影响，即
使在参数匹配良好的条件下能取得较好的性能，一
旦系统参数发生变化或受到其它不确定性因素的
影响，仍可能导致伺服系统性能变差，因此，需要
寻找一种有效的控制策略以克服系统运行时参数
变化及外部扰动对其性能的影响。
近年来，一些现代控制理论的成果相继被引入
交流伺服系统的研究中
[9-11]
，其中滑模变结构控制
以其对参数变化及扰动不敏感、响应快速及物理实
现简单等优点而日益得到研究人员的重视
[12-15]
。从
现有文献来看，目前基于滑模变结构控制的交流伺
服系统的研究主要集中在各种滑模面及控制律的
设计优化、物理实现及系统抖振的抑制方面
[16-18]
。
文献[16]采用反馈线性化的思想构造了一种基于永
磁直线同步电机的准线性化模型，利用固定边界层
滑模控制技术以增强系统的鲁棒性，并抑制了一般
滑模控制中的抖振现象。文献[17]在传统滑模控制
原理的基础上提出一种简化设计方案，减少了控制
器的设计变量，同时将适应性遗传算法引入到滑模
变结构控制策略中，优化了感应电机伺服控制系统
的参数。文献[18]在感应电机无速度传感器系统中
设计一种滑模变结构磁链观测器，克服了外部扰动
和参数变化对系统的影响；文中还采用饱和函数代
替常规滑模控制器中的符号函数，从而削弱了变结
构控制中的抖振现象。
与此同时，针对传统位置滑模控制器中速度不
第3期 方斯琛等： 滑模控制的永磁同步电机伺服系统一体化设计 97
可控的问题，国外一些学者陆续提出一些解决思
路，并取得一定的成果
[19-20]
。文献[19]在感应电机
位置滑模控制器中提出一种速度控制方案，即在保
证系统快速定位及准确跟踪的情况下，将伺服系统
的速度运行曲线划分为最大加速、恒速、最大减速
3个部分，初步解决了位置滑模控制器中速度不控
的问题。文献[20]则在文献[19]的基础上，将该控制
思想成功地运用到永磁交流伺服系统中，并详细地
给出了三段式速度曲线的设计方法，但在该类型的
实现方案中均需涉及较多的滑模面，这给系统的物
理实现带来了一定难度，且众多滑模面间的切换也
易使系统产生振荡。同时，文献[19-20]中也未对伺
服系统采取有效的消抖控制策略。此外，部分文献
中控制器的设计还需要采集加速度信号，而由于系
统噪音和参数不确定性的影响，加速度信号很难被
精确测量或估计。
本文在文献[19-20]的基础上提出了一种简化
的滑模变结构位置、速度控制器一体化设计方法。
在该实现方案中，滑模面个数较少且无需采集加速
度信号，简化了设计步骤，较好地实现了永磁同步
电机伺服系统的精确定位及其速度控制。文中还运
用积分及前馈补偿策略以消除变结构系统中固有
的抖振现象，并提高系统的动态特性和鲁棒性，仿
真和实验结果均表明所设计控制器的有效性。
ω
=d
θ
/dt
(6)
式中：
T
e
为伺服系统的输出电磁转矩；
T
L
为负载转
矩；
B
为阻尼系数；
J
为转动惯量；
p
为转子极对数；
ω
为转子角速度；
θ
为转子位置角。
2 伺服系统位置、速度一体化控制器的设计
2.1 一体化控制器设计思想的提出
从
20
世纪
80
年代中期开始，先后有国外学者
提出将滑模变结构控制的直流、交流伺服系统进行
位置、速度环的综合设计
[19-20]
，本文以文献
[20]
为
例，阐述其主要的实现思想。
伺服系统的控制原理框图如图
1
所示，其中系
统的电流内环仍采用
PID
调节，同时运用滑模变结
构技术将伺服系统位置、速度环综合设计成为系统
的外环调节器，外环调节器的输入变量为位置给定
θ
ref
、位置反馈
θ
及速度反馈
ω
。在滑模面的选取时，
采取先速度控制后位置控制的思想，如图
2
所示。
θ
U
DC
−
θ
滑模控制
i
q
ref
i
q
i
d
ref
=
0
−
i
d
−
PID
PID
派克
逆变换
电压空
间脉宽
调制
i
a
i
b
i
c
三相
逆变换
U
a
U
b
U
c
ref
ω
θ
派克
变换
3/2
变换
d/dt
位置
传感器
PMSM
1 永磁同步电机的数学方程
所研究的永磁同步电机的定子绕组为星型接
法，三相交流供电，转子为平面式永磁结构。可作
如下假设：1）磁路不饱和，磁滞和涡流损耗忽略不
计；2）空间磁势及磁通呈正弦规律分布，则其动态
方程为
di
u
d
=
ri
d
−
ω
e
L
q
i
q
+
L
d
d
(1)
dt
d
i
q
(2)
u
q
=
ri
q
+
ω
e
ψ
f
+
ω
L
d
i
d
+
L
q
d
t
式中：r为定子绕组电阻；
ψ
f
为永磁体的励磁磁链；
L
d
、L
q
、u
d
、u
q
、i
d
、i
q
为电机交、直轴的电感、电
压和电流；
ω
e
为转子电角速度。
采用i
d
=
0
的磁场定向控制技术，则机械运动方
程为：
d
ω
T
e
−
T
L
=
J
+
B
ω
(3)
d
t
T
e
=p
ψ
f
i
q
(4)
图1 一体化设计的变结构伺服系统实现思想
Fig. 1 Integrated design for variable
structure servo systems
ω
速度控制
位置控制
ω
max
s
1
⋅
=
αω
1
t
1
s
2
ω
=
ω
max
⋅
=
α
ω
t
2
s
3
s
4
t
3
t
0
图2 4段式变结构位置伺服系统控制模式
Fig. 2 Four-section control mode for variable
structure position servo systems
文献
[20]
利用多个滑模面将系统的运行轨迹设
计为：先进入速度滑模控制范围，并由加速区域
s
1
、
恒速区域
s
2
、减速区域
s
3
3
个阶段组成，并有：
1
2
s
1
=
x
1
−
x
2
−
x
10
(7)
2
α
1
s
2
=x
2
−
ω
d
(8)
1
2
s
3
=
x
1
+
x
2
(9)
2
α
2
式中：
x
10
、
x
1
、
x
2
为系统的状态变量，并有
x
10
=
θ
0
−
θ
ω
e
=p
ω
(5)