【摘 要】
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永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）由于其具有结构简单、功率密度高、可靠性高、维护方便等优势,而在现代交流驱动系统中得到了广泛的应用,特别是在机器人、航空航天、数控机床等对电机性能和控制精度要求高的领域。然而PMSM是一个典型的非线性多变量强耦合系统,会受到外部扰动、参数摄动和磁场非线性等因素的影响,因此PMSM控制系统需要在鲁棒性、抗扰动
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永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）由于其具有结构简单、功率密度高、可靠性高、维护方便等优势,而在现代交流驱动系统中得到了广泛的应用,特别是在机器人、航空航天、数控机床等对电机性能和控制精度要求高的领域。然而PMSM是一个典型的非线性多变量强耦合系统,会受到外部扰动、参数摄动和磁场非线性等因素的影响,因此PMSM控制系统需要在鲁棒性、抗扰动方面得到进一步优化。自抗扰控制不依赖于受控对象的精确模型,其内部扩张状态观测器能实现在线扰动估算,具有出色的抗扰动能力,从而受到国内外学者的广泛关注。本文基于自抗扰控制开展PMSM转速控制、电流控制和无传感器控制的相关研究,旨在提升PMSM驱动系统在鲁棒性、动态抗扰动能力等方面的性能,此外还研究了PMSM电流谐波抑制策略来进一步优化PMSM转速电流控制和无传感器控制。首先,本文为了提高PMSM转速控制鲁棒性并充分发挥线性自抗扰控制和非线性自抗扰控制的优势,提出了一种基于线性非线性切换型自抗扰控制的PMSM控制策略。线性非线性切换型自抗扰控制具有大误差快速响应的线性自抗扰控制特性和小误差大增益的非线性自抗扰控制特性,能够在不同工况下保持对电机扰动的估算和补偿能力,有效地提高了电机系统的鲁棒性和控制精度。考虑到PMSM的非线性机制,构造了适用于PMSM的线性非线性切换型自抗扰控制器,并对其抗干扰机理进行了深入分析。通过比较分析参数变化对系统性能的影响,借助频域方法和系统仿真,总结了切换型自抗扰控制器参数的物理意义和整定方向。通过与比例积分控制、线性自抗扰控制和非线性自抗扰控制的比较实验,验证了该方法的可行性和有效性。其次,本文为了提高PMSM的电流控制性能、鲁棒性和预测精度,提出了一种基于切换自抗扰的无差拍预测电流控制,用于PMSM电流控制器设计。基于切换自抗扰的无差拍预测电流控制将无差拍预测电流控制和切换型扩张状态观测器集成在一起,而切换型扩张状态观测器是线性非线性切换型自抗扰控制的核心部分,可将PMSM的参数失配和外部扰动作为估算的总扰动,再将其代入PMSM的预测电流模型中,并由切换型扩张状态观测器实时估算扰动来提高PMSM的电流预测精度。此观测器采用适当的切换策略将线性扩张状态观测器和非线性扩张状态观测器相结合,使其具有两者的优点,同时又规避了它们的缺点。此外,所提出的切换策略简化了非线性扩张状态观测器的参数整定和稳定性分析,还可以减弱稳态和动态情况下扰动对电流预测性能的影响。通过与传统无差拍预测电流控制和基于自抗扰的无差拍预测电流控制的对比实验,验证了本文所提出方法在鲁棒性以及控制精度上的优越性。再次,本文为了提高PMSM无传感器控制的鲁棒性和自适应性,提出了一种基于模糊自抗扰观测器的PMSM无传感器控制。由于反电动势可以被视为估算电流扰动,自抗扰观测器能够实时辨识包含反电动势信息的扰动变化,再根据观测的扰动准确估算电机转速。该方法可处理未建模动态、模型参数不确定和外部扰动等,由于系统不确定性和外部扰动可被在线估算,所以自抗扰观测器对外部扰动和模型误差具有鲁棒性。然而自抗扰观测器参数整定较困难,同时固定参数也难以实现不同工况下的最优控制,因此本文将模糊控制和自抗扰观测器相结合以实现自抗扰观测器的自适应参数整定,提出了一种新颖的PMSM模糊自抗扰观测器,结合了模糊控制参数自适应调整和自抗扰观测器扰动估算的特点,能够准确辨识反电动势并消除参数整定和系统不确定性扰动的影响。实验结果表明,所设计的无传感器控制系统能够获得良好的转速估算和控制性能,且对系统参数失配和外部扰动具有较好的鲁棒性。最后,本文为了抑制PMSM的电流谐波和噪声问题,提出了一种基于改进谐振控制器的谐波抑制策略来进一步优化PMSM的转速电流控制和无传感器控制。采用线性二次型调节器优化的谐振电流控制回路,将谐波电压与直流电压分离,谐波补偿电压可用来抑制电流谐波,并通过无谐波分量的直流电压和采样电流估算转速,从而减小了估算速度谐波分量。然后从灵敏度函数的角度分析了改进谐振控制器的稳定性,并提出了对应的参数整定策略,可实现具有良好电流谐波抑制效果的稳定控制。实验结果表明,该方案具有优越的电流谐波和噪声抑制效果,并在一定程度上提高了系统效率。
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