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随着电动助力转向系统(EPS)性能的不断提高,对助力电机及其控制策略也提出了更高的要求。由于助力用直流电机换向所带来的转矩波动较大、转矩惯量比不高等原因,限制了直流电机在EPS系统中的应用范围。永磁同步电机(PMSM)以其高转矩惯量比、低转矩脉动、低噪声、高功率密度比等优越性能,成为了高性能EPS系统的首选助力电机。PMSM鲁棒控制策略的研究将有助于进一步提高EPS的助力性能,满足高性能EPS系统的需求。
本文针对EPS用PMSM电流伺服控制系统中存在的技术问题:(1)PMSM力矩的响应性、(2)电机参数摄动、(3)电流检测噪声、(4)电机转速变化干扰、(5)Id波动干扰、(6)母线电压变化干扰、(7)算法实用性,设计并分析对比了多种控制策略的应用效果,并在实验中得到了验证。
本文在Matlab/Simulink中建立了PMSM电流伺服控制系统的仿真模型。针对技术问题(1)、(2)、(3),以理论推导、仿真和实验验证相结合的方式首先讨论了传统PI控制策略和内模二自由度控制策略的优缺点。虽然二自由度控制策略能对系统的跟随性、干扰及噪声抑制特性能进行独立设计,但无法将PMSM参数摄动的范围作为设计指标进行控制器的设计。于是本文进一步研究了基于H∞混合灵敏度鲁棒控制的设计方法,从而兼顾了系统的参数不确定性和对传感器噪声的抑制能力。针对技术问题(4)、(5)和(6),本文采用了解耦控制和变增益控制的算法,并通过仿真分析和台架实验验证了其有效性。针对技术问题(7),通过实验给出了PI控制、内模二自由度控制和H∞混合灵敏度鲁棒控制算法在存储空间和算法执行时间等方面的对比分析。基于以上的仿真分析和实验结果,本文提出了基于解耦控制和变增益控制的H∞混合灵敏度鲁棒综合控制策略。
H∞混合灵敏度鲁棒控制策略的不足之处在于无法将电流检测噪声的频率作为控制器的设计指标。本文最后针对电流检测噪声的特性进行了H∞鲁棒控制策略的设计,并进行了仿真验证。