【摘 要】
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本文以车用永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor,PMSM)为研究对象,以提高其控制鲁棒性为研究目标,提出了基于广义预测控制及扰动观测器的驱动控制策略,通过仿真研究验证了所提控制策略的有效性。本文主要工作内容如下:(1)介绍了PMSM驱动系统和鲁棒控制技术的发展现状,并对考虑系统扰动的PMSM进行数学建模,为后续的控制算法设计奠定了基础。阐述了矢量控制(
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本文以车用永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor,PMSM)为研究对象,以提高其控制鲁棒性为研究目标,提出了基于广义预测控制及扰动观测器的驱动控制策略,通过仿真研究验证了所提控制策略的有效性。本文主要工作内容如下:(1)介绍了PMSM驱动系统和鲁棒控制技术的发展现状,并对考虑系统扰动的PMSM进行数学建模,为后续的控制算法设计奠定了基础。阐述了矢量控制(Field Oriented Control,FOC)和定子电流控制策略的原理及实现方法,建立了PMSM的FOC系统仿真模型。基于模型开展了仿真分析,结果表明:比例积分(Proportional integral,PI)控制器在系统扰动下很难达到理想的控制性能。(2)针对车用PMSM鲁棒控制,提出了一种基于非线性扰动观测器(Nonlinear disturbance observer,NDO)的广义预测电流控制策略。研究了非线性广义预测控制(Nonlinear generalized predictive control,NGPC)策略。基于连续时间PMSM数学模型,采用泰勒级数展开近似预测模型、优化目标函数设计了电流控制器。为提升系统鲁棒性,引入NDO对系统扰动估计并前馈补偿到控制器。最后基于模型开展了仿真分析,结果表明:在系统扰动下,所研究控制策略比PI控制器的电流控制性能更好。(3)针对车用PMSM转速鲁棒控制,提出了一种基于扩展状态观测器(Extended state observer,ESO)的广义预测转速控制策略。基于NGPC策略设计了PMSM转速控制器;针对外部扰动影响电机转速性能的问题,开发了ESO对系统扰动进行估计和补偿,提高了系统鲁棒性;基于模型开展了仿真分析,结果表明:所研究控制系统具有快转速响应和强抗扰动能力。(4)针对车用PMSM转速-电流鲁棒控制,提出了一种基于NGPC和滑模扰动观测器(Sliding mode disturbance observer,SMDO)的级联控制策略。基于前述设计的电流和转速预测控制器,设计了PMSM级联预测控制器;针对控制策略在外部扰动下存在稳态误差的问题,设计了一种新型趋近律的SMDO来估算系统扰动并前馈补偿到控制器中,充分抑制扰动对系统的影响。所设计的SMDO策略参数易调节,可靠性强;此外,能较易处理系统约束。基于模型开展了仿真分析,结果表明:所设计控制策略具有良好的静、动态性能和强鲁棒性。(5)针对级联控制结构较为复杂,计算量较大的问题,提出了一种基于NGPC的PMSM单环控制策略,实现了PMSM转速-电流鲁棒控制。基于连续时间PMSM模型设计了NGPC单环控制器,并基于无差拍控制原理设计了单环控制结构下电流约束;为提升电机在系统非匹配扰动下的控制性能,分别设计了基于优化目标函数的NGPC策略和基于SMDO的NGPC策略。两种控制策略的结构简单,控制系统稳定,易于工程实现。最后基于模型开展了仿真分析,结果表明:两种控制方法均能有效地消除系统扰动的影响,实现了系统快速动态响应和强鲁棒性。通过本文提出的控制策略可以获得动态性能优良且具有强鲁棒性的PMSM系统,为PMSM的NGPC鲁棒控制器设计提供了指导,为车用PMSM鲁棒控制提供了一种解决方案。
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