论文部分内容阅读
永磁同步电机（Permanent magnet synchronous motor,PMSM）被广泛应用于航空航天、新能源发电、电动汽车、数控机床和工业机器人等领域,但是由于PMSM系统的复杂性和非线性,系统中不可避免地存在参数不确定、多源干扰和未建模动态等问题,影响了系统的控制品质（响应速度、控制精度、鲁棒性等）,严重时甚至会造成系统失稳。所以,提高PMSM系统抑制多源干扰及不确定性的能力是设计控制器的重要目标,而且确保PMSM系统工作在安全值范围内对于保障安全生产具有重要意义。从控制策略角度来讲,可以通过设计控制器和干扰前馈补偿两个方面来提高非级联结构控制的PMSM系统的控制品质。论文主要研究了采用干扰观测器+反馈控制器的二自由度控制策略来提高非级联结构控制的PMSM系统的抗干扰能力和过电流保护能力。论文概括了影响PMSM控制性能的因素,根据PMSM驱动系统的组成部分分析系统存在的干扰源,总结了为提高PMSM系统控制品质所做的研究工作。1.基于反步滑模和三阶扩张状态观测器的PMSM非级联结构控制。随着PMSM速度环和电流环的控制周期差异逐渐减小,推动了PMSM非级联结构控制策略的发展。为提高非级联结构控制的PMSM系统的响应速度和抗干扰能力,提出了一种反步滑模（Backstepping sliding mode control,BSMC）和三阶扩张状态观测器（Third order extended state observer,TOESO）的复合控制策略。设计基于反步滑模控制的PMSM控制器,实现速度和电流的单环控制。采用TOESO估计并补偿PMSM系统的干扰,以提高PMSM系统的抗干扰能力。进一步对所设计的基于反步滑模和三阶扩张状态观测器的PMSM系统进行严格的稳定性分析。与传统的PI控制和滑模控制（Sliding mode control,SMC）进行仿真和实验对比,验证了所提方法具有更好的鲁棒性。2.含积分项的反步控制和自适应快速扩张状态观测器的PMSM控制研究。一方面考虑到前述设计的控制器未引入误差积分项,降低了系统的抗干扰性能和稳态效果;另一方面三阶扩张状态观测器在初始时刻易产生估计尖峰,不利于系统稳定。为了提高非级联结构控制的PMSM系统的控制性能,提出了一种自适应快速扩张状态观测器（Adaptive extended state observer,AESO）和含积分项的反步控制器的复合控制策略。首先,众所周知,高增益系数能够保证扩张状态观测器（Extended state observer,ESO）的估计精度,然而增益系数越大引起的初始估计尖峰越严重,若估计尖峰前馈给系统则会降低系统的稳定性,严重时甚至会造成系统崩溃。为此,推导了用于PMSM系统的扩张状态观测器的增益系数与收敛精度和估计尖峰的数值关系,为了削弱估计尖峰、提高收敛速度,设计了一种自适应快速扩张状态观测器用于补偿PMSM系统的负载转矩。设计了含速度误差积分项的非级联结构反步速度控制器,提升了PMSM系统的响应速度和抗干扰能力。对所设计的自适应快速扩张状态观测器和含速度误差积分项的反步控制器进行了稳定性分析。将本章所提控制策略与传统的PI控制器和PI-ESO控制策略进行了仿真和实验对比,结果验证了所提方法的有效性。3.基于时变二阶非线性扰动观测器和有限时间控制的PMSM过流保护控制。上述研究考虑了ESO的估计尖峰、控制器设计未引入误差积分项等问题,但是所设计的控制器无法像传统级联结构控制器那样通过设置速度环控制器输出幅值来约束q轴电流,为了保证非级联结构控制的PMSM系统具有过电流保护能力,进行了更进一步的研究。为了提高永磁同步电机驱动系统的过流保护和抗干扰性能,研究了基于时变二阶非线性扰动观测器（Second order nonlinear disturbance observer,SONDO）和具有q轴电流约束能力的有限时间控制（Finite time control,FTC）方法。首先,PMSM初始启动时会产生较大的瞬态电压和瞬态电流,对硬件系统造成冲击,严重时甚至会损坏硬件。为此,提出了一种含q轴电流约束因子的有限时间控制器同时控制PMSM的速度和电流,该控制器能够很好地平衡过流保护和系统的动态性能。其次,在保证非线性扰动观测器估计精度的前提下,为了削弱初始时刻产生的估计尖峰,设计了时变二阶非线性扰动观测器用于估计并补偿PMSM系统的参数不确定性部分、未建立模型部分以及负载扰动。然后,对所提出的复合策略进行了严格的稳定性分析。最后,分别采用PI、SMC和所设计的控制策略进行了仿真和实验对比。结果表明,所提复合控制策略具有较好的鲁棒性和过流保护性能。4.基于PID和误差补偿ESO的PMSM状态约束控制。上述非级联结构控制的PMSM系统的抗干扰和过电流保护问题得到了深入研究,但是在实际工程应用中,我们期望所设计的控制器具有简单易用,跟踪速度快和抗干扰性能强的特点,为此,针对非级联结构控制的PMSM系统,进一步研究具有结构简单,响应速度快和鲁棒性强的控制策略。研究了非级联结构控制的PMSM系统的状态约束问题及非匹配扰动补偿技术。首先,在非级联结构控制方式下,设计了一种单环PID控制器同时调节PMSM的速度和电流,通过设置q轴电流约束因子保障控制器中的隐含状态—q轴电流工作在安全值范围内。其次,提出了具有误差补偿的自适应扩张状态观测器（Adaptive extended state observer,AESO）用于补偿PMSM系统的非匹配扰动,包括:1.通过推导传统ESO的稳态误差与扩张阶数的数值关系,得知随着扩张阶数的增加稳态误差正比于扩张增益系数,提出了一种稳态误差前馈补偿方案,以提高ESO的估计精度,弥补了高阶ESO工程实践较难应用的缺陷;2.为了削弱初始估计尖峰设计了自适应增益系数,确保ESO更平滑的过渡到稳态值。对所设计的基于具有q轴电流约束能力的PID和AESO控制的PMSM系统进行了严格的收敛性分析。最后,将所提复合控制策略、PI控制器和PI+扩张状态观测器进行了仿真和实验对比,结果验证了所提控制策略具有较好的电流约束效果和鲁棒性。