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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6200 (2023) Citare questo articolo

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Per ottenere il controllo della velocità del motore sincrono a magneti permanenti ad alta velocità con elevata precisione, viene solitamente adottato il controllo della modalità scorrevole (SMC). Tuttavia, il fenomeno intrinseco del chattering influisce sulle prestazioni del controllo della velocità. Per risolvere questo problema, in questo articolo viene proposto un regolatore di velocità composito, composto da due parti: l'SMC adattivo di ordine completo e l'osservatore di stato esteso (ESO). La legge di adattamento del guadagno di commutazione viene proposta per ridurre al minimo le vibrazioni, garantendo al tempo stesso la robustezza del controllo della modalità scorrevole. Il disturbo totale viene stimato dall'ESO e tramite feedforward, migliorando così la capacità antidisturbo del sistema. Infine, l'efficacia del regolatore di velocità proposto è stata convalidata sul banco di prova.

Il motore sincrono a magneti permanenti ad alta velocità (PMSM) svolge un ruolo importante per le applicazioni automobilistiche grazie alle sue elevate prestazioni, efficienza e densità di potenza1. Nel controllo della velocità, i sistemi di azionamento saranno influenzati dalla modifica dei parametri interni (come la modifica della coppia di uscita causata dalla modifica dell'inerzia rotazionale e dell'induttanza) e dalla modifica della coppia di carico esterno del sistema. Sono state condotte numerose ricerche per migliorare la robustezza dell'anello di velocità nelle applicazioni ad alte prestazioni.

Il controllo PI è semplice e facile da implementare, che è il metodo di controllo tradizionale del loop di velocità 1. Sebbene il controller PI con un grado di libertà (1DOF) sia in grado di gestire la reiezione dei disturbi, è molto limitata, poiché esiste una contraddizione tra le prestazioni di superamento e reiezione dei disturbi. Inoltre, a causa dello zero introdotto dal regolatore PI, il superamento dell'anello di velocità è inevitabile. Questo problema può essere gestito sostituendolo con un controller IP, ma la larghezza di banda di tale struttura è inferiore a quella del controller PI2. Per risolvere la contraddizione tra superamento e reiezione dei disturbi, vengono sfruttati i controller PI a due gradi di libertà (2DOF)3,4,5. In Rif.3, i controller 2DOF PI sono progettati considerando la funzione di trasferimento dell'anello, prendendo in considerazione il comando di riferimento. Tali controllori possono gestire rispettivamente il tracciamento e l'antidisturbo. In Rif.5 viene proposto un nuovo controller di velocità di controllo PI 2DOF, che non solo può garantire le prestazioni di inseguimento della velocità, ma anche migliorare efficacemente la capacità di disturbo anti-carico del sistema e migliorare la robustezza del sistema al cambiamento di inerzia . Tuttavia la struttura è complessa rispetto ai controller PI 1DOF, il che significa che la regolazione dei parametri può essere difficile e anche gli algoritmi anti-windup6,7 sono diversi.

Tuttavia, il controllo PI ha scarsa robustezza a causa della mutazione della coppia e della variazione dei parametri, con conseguente ampia fluttuazione della velocità. Pertanto, il miglioramento della robustezza dell'anello di velocità diventa uno degli indici importanti per misurare le prestazioni dell'anello di velocità. Il controllo in modalità scorrevole (SMC) è molto popolare tra i ricercatori per la sua forte robustezza e struttura semplice8. Ma il problema più grande dell'SMC è la presenza di chattering, dovuto a diversi fattori indesiderati9. La teoria dello strato limite riduce il problema del chattering del sistema modificando la funzione di commutazione in una funzione continua, come ad esempio: funzione di saturazione10 o funzione tangente iperbolica11, ma questo metodo può solo ottenere la stabilizzazione pratica e l'accuratezza del controllo del sistema. cioè, l'errore a regime della velocità dipende dai parametri della funzione continua. Per eliminare il problema del chattering nel dato segnale del comando di coppia, viene utilizzata la legge di raggiungimento migliorata12,13 (ovvero, la legge di raggiungimento è progettata combinando lo stato dei sistemi), ma ciò riduce notevolmente la robustezza di SMC, riduce la precisione del controllo del regolatore di velocità e l'errore di tracciamento della velocità non possono convergere rigorosamente a zero. Un metodo di progettazione del controller adattivo con modalità scorrevole è proposto nel Rif.14, ma il termine di controllo della commutazione è apparso esplicitamente nella progettazione della legge di controllo e non è stata considerata alcuna strategia per indebolire o eliminare il chattering. Pertanto, nel segnale di controllo si verificavano vibrazioni ad alta frequenza, che influivano sulla stabilità del sistema. Gli SMC di ordine elevato sono stati introdotti in letteratura per ridurre il chattering inserendo i termini discontinui negli integrali, il che degrada sufficientemente il fenomeno del chattering15,16. Ma vengono prodotte la struttura complessa e la difficile prova di stabilità. Oltre al miglioramento del regolatore di velocità principale, vengono introdotti gli osservatori di disturbo17,18 per stimare il disturbo totale o parziale che verrà inviato all'uscita del regolatore. Grazie alla compensazione del disturbo, il regolatore di velocità può gestire la reiezione del disturbo e la dinamica del sistema verrà migliorata. Se la compensazione viene trasmessa all'SMC, il guadagno di commutazione determinato dal disturbo totale verrà ridotto e quindi anche il chattering verrà degradato.