摘要
永磁同步电机以其精准的调速性能以及高效的电机效率被广泛应用到各种伺服控制场合。针对传统控制算法控制精度低，难以满足高性能伺服电机的要求等问题，本文将在控制算法和优化措施方面展开深入研究。 首先，通过坐标变换的方式，建立了静止及同步旋转坐标系下的永磁同步电机数学模型，分析了矢量控制策略和电压空间脉宽调制原理。同时对速度外环和电流内环的PI参数整定方法进行分析，完成了永磁同步电机矢量控制系统的基本架构，作为之后永磁同步电机预测模型建立的理论基础。 其次，分析了参数和非参数模型下的预测控制原理，设计了以离散传递函数为数学模型的速度预测控制器和以空间状态方程为数学模型的电流预测控制器，取代传统控制算法中的比例-积分调节器，实现了永磁同步电机的模型预测控制。模型预测控制充分利用其多输入、多约束、多输出的特点，可以输出6个开关变量实现三相两电平逆变器的直接驱动，避免了复杂的坐标变换和空间脉宽调制，简化了系统控制方式。通过仿真实验验证了模型预测控制器设计的正确性和预测控制算法在电机控制领域实现的可行性。 为提高预测控制下永磁同步电机的抗干扰能力和参数鲁棒性，分析了卡尔曼滤波器的实现原理，设计卡尔曼滤波器观测系统中的负载扰动，并将观测值作为交轴电流的前馈补偿，实现了对负载扰动的抑制。电流控制器和速度控制器都是以参数为内模设计而来，参数的不确定变化将会造成预测的不准确，进而影响系统的整体控制性能。据此，提出了电感参数的自校正策略，有效地抑制了电流和转速的波动，提高了参数的鲁棒性。通过仿真实验分别比较了前馈补偿和参数校正前后的系统控制性能。 最后，从转速跟踪性能与电流、速度的波动三个方面对矢量控制和模型预测控制进行对比分析，验证了预测控制在提高电机精确控制方面的优越性。同时，完成永磁同步电机控制的软件和硬件设计，搭建实验平台，验证了控制算法的可行性和有效性。
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