永磁同步电机交流伺服系统的非线性控制算法研究

摘要

随着电力电子技术、微电子技术、DSP技术和现代电机控制理论的发展，采用高性能控制策略的全数字化永磁同步电机伺服系统得以迅速推广。由于交流永磁同步电机为强耦合的非线性多变量系统，经典线性控制方法不能满足高性能系统的控制要求。因此非线性控制算法在永磁同步电机伺服系统中的应用引起了国内外学者的广泛关注。
　　 论文首先介绍了当前交流伺服系统的发展概况，简要分析了当前永磁同步电机伺服系统典型的一些控制算法的特点及存在的问题。然后在分析永磁同步电机数学模型的基础上，讨论了永磁同步电机伺服系统的矢量控制方案，同时介绍了本文使用的实验平台。论文的主要工作概括如下:
　　 (1)在永磁同步电机伺服系统的实际应用中，总是存在不同的扰动作用。如果采用的控制器不能有效地消除扰动影响，就会造成系统性能的下降。与一般纯反馈控制方案相比，在控制器设计中加入前馈补偿控制是抑制扰动的更有效方法。而且实际系统中，扰动一般是不能直接测量的，所以需要利用扰动观测器技术提高系统的抗扰动性能。我们对典型的扰动估计技术-扩张状态观测器(ESO)和扰动观测器(DOB)进行了研究。采用仿真手段，分别研究了系统在正弦和方波这两种形式较复杂的扰动作用下，两种扰动观测器的扰动观测效果。结果表明，ESO和DOB都能够精确观测出扰动。最后，分别将自抗扰技术和比例加扰动观测器应用于永磁同步电机调速系统，通过实验数据分析了观测器参数变化对系统性能的影响。
　　 (2)研究了永磁同步电机伺服系统的速度调节问题。为了优化PMSM调速系统的控制性能，速度环采用了预测函数控制器(PFC)。控制器的设计包括两个步骤:首先，采用一个简化的线性模型来预测永磁同步电机系统q轴电流;接着，通过引入二次型性能指标得到滚动优化的控制律。与抗积分饱和的PI控制相比，仿真和实验结果都表明了PFC算法的有效性。
　　 然而，需要指出的是在强扰动存在的情况下，该PFC控制系统的抗干扰性能不够突出。因此，为了提高抗扰动能力，提出了两种改进方案。
　　 (3)第一种方案是基于预测函数控制和扩张状态观测器(ESO)的复合控制器，在PFC反馈控制的基础上，引入了ESO来观测系统存在的集总扰动并进行前馈补偿，即PFC+ESO。与标准PFC和抗积分饱和的PI控制比较，仿真和实验结果都验证了该方法的有效性。为了更好地优化PMSM伺服系统的控制性能，第二种方案考虑了基于扰动模型的预测函数控制方案，引入扰动观测器(DOB)对系统的扰动进行观测。与前面复合PFC+ESO方案不同的是，在预测模型中引入了扰动估计，进而在优化性能指标的过程中可以得到更准确的控制律，从而得到了更好的控制效果。仿真和实验结果表明系统的抗扰动性能得到了进一步提升。
　　 以上工作从前馈补偿方面提高了系统的抗扰动性能，另外的工作是从反馈控制角度进行研究。分别针对永磁同步电机伺服系统的位置和速度控制问题，对有限时间反馈控制及其与扰动观测器前馈补偿的复合控制技术进行了如下的研究。
　　 (4)基于有限时间控制技术，对永磁同步电机伺服系统的位置控制问题进行了研究。利用反步构造法，对系统的位置环提出了一种基于反馈线性化和有限时间控制技术的策略。对干扰情况下闭环系统的性能进行了严格的数学分析。结果表明:与传统的基于PD和反馈线性化的控制方案相比，该控制方案不仅使得闭环系统的位置跟踪误差具有更快的收敛速度，而且通过调节控制器参数可以使稳态误差的边界更小，系统具有更强的抗干扰能力。仿真结果验证了该方法的有效性。
　　 (5)研究了永磁同步电机伺服系统的位置跟踪问题。利用反馈线性化的思想，对永磁同步电机的数学模型进行分析，实现了电机模型的精确线性化和解耦。首先，将永磁同步电机位置跟踪系统采用反馈线性化技术变换为两个线性子系统，分别对其设计相应的基于连续状态反馈线性化的有限时间控制器，并设计了有限时间负载观测器来观测估计外部负载扰动。对永磁同步电机位置跟踪的闭环系统进行了稳定性的分析。与对应的渐近稳定控制的方案相比，基于有限时间的控制方案实现了永磁同步电机对期望信号的有限时间跟踪，获得了更好的动态响应和抗扰动性能。仿真结果表明了该控制方案的有效性。
　　 (6)为了提高永磁同步电机伺服系统的抗扰动性能，对速度环提出了一种新的复合控制器。首先，引入扩张状态观测器估计系统的集总扰动，且将这个估计值用于前馈补偿。其次，反馈设计部分基于连续有限时间控制技术。该复合速度控制器可被认为是有限时间比例反馈加基-ESO的前馈补偿(FTP+ESO)，这样速度误差的闭环系统就是一个带有有界扰动的一阶有限时间系统。严格的理论分析表明提出的方案可加强闭环系统的抗扰动性能。与其它两种方法相比，即比例前馈加基于ESO的前馈补偿(P+ESO)和PI方法，仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 永磁同步电机交流伺服系统的发展概况

1．2 交流伺服系统的主要控制策略

1．3 交流伺服系统的控制算法研究现状

1．3．1 反馈控制算法

1．3．2 前馈补偿设计

1．3．3 复合控制器

1．4 本论文的选题意义、研究内容

1．4．1 存在问题和研究意义

1．4．2 研究内容

1．5 本论文的内容安排

第二章 永磁同步电机的数学模型及其控制

2．1 PMSM的基本结构及种类

2．2 永磁同步电机伺服系统的数学模型

2．2．1 坐标变换

2．2．2 永磁同步电机在三相静止坐标系下的数学模型

2．2．3 永磁同步电机在同步旋转坐标系的数学模型

2．2．4 矢量控制下的永磁同步电机伺服系统

2．3 永磁同步电机控制系统实现

2．3．1 永磁同步电机伺服系统的系统结构

2．3．2 永磁同步电机伺服系统平台介绍

2．3．3 永磁同步电机仿真实验测试指标

2．4 本章小结

第三章 扰动观测器设计方法

3．1 引言

3．2 扩张状态观测器(ESO)

3．2．1 简化的扩张状态观测器设计

3．2．2 ESO观测扰动的仿真

3．2．3 实验分析

3．2．4 本节小结

3．3 扰动观测器(DOB)

3．3．1 扰动观测器设计

3．3．2 DOB观测扰动的仿真

3．3．3 实验分析

3．3．4 本节小结

3．4 本章小结

第四章 基于预测函数控制和扰动观测器的永磁同步电机调速系统

4．1 引言

4．2 预备知识

4．2．1 PMSM简化数学模型

4．2．2 预测函数控制的机理

4．3 基于预测函数控制和扩张状态观测器的永磁同步电机伺服系统

4．3．1 速度控制器设计

4．3．2 PFC仿真和实验结果

4．3．3 基于预测函数控制和扩张状态观测器的复合控制器设计

4．3．4 仿真和实验结果

4．3．5 本节小结

4．4 基于扰动观测器(DOB)的预测函数控制方案

4．4．1 引入扰动模型的预测函数控制

4．4．2 速度环控制器设计

4．4．3 仿真和实验结果

4．4．4 本节小结

4．5 本章小结

第五章 基于有限时间技术的永磁同步电机位置伺服控制

5．1 引言

5．2 预备知识

5．2．1 PMSM的矢量控制模型

5．2．2 有限时间相关定理

5．3 基于二阶有限时间控制技术的位置控制器设计

5．3．1 有限时间反馈控制器设计

5．3．2 仿真分析

5．3．3 本节小结

5．4 永磁同步电机位置伺服系统的有限时间控制方案

5．4．1 有限时间控制器设计

5．4．2 有限时间负载观测器的设计

5．4．3 仿真分析

5．4．4 本节小结

5．5 本章总结

第六章 基于有限时间反馈控制和扰动补偿的永磁同步电机调速系统

6．1 引言

6．2 基于有限时间反馈控制和扩张状态观测器的复合控制器的设计

6．2．1 扩张状态观测器设计

6．2．2 复合控制器的设计

6．2．3 扰动性能分析

6．2．4 仿真结果

6．2．5 实验结果

6．3 本章总结

第七章 结束语

7．1 全文总结

7．2 研究展望

参考文献

博士期间研究成果

致谢