摘要
具备高转矩密度、高效率、调速性能好等优势的永磁同步电机是支撑制造业向高端化转型的重要动力基础。与此同时，其驱动装置正面临着严苛的性能要求。高性能永磁同步电机驱动系统应具备快响应、无超调、零静差等优良性能，面对复杂运行工况下的多样化扰动，为维持以上性能，系统还应具备对各类扰动的强鲁棒性。针对扰动抑制难题，融合经典控制理论和现代控制理论精髓的自抗扰控制技术应用前景广阔，其自有的“扰动估计+前馈补偿”结构在抑制扰动时具备突出优势，已引起国内外学者的广泛关注。然而，复杂运行工况中不可预见的多类型扰动却为自抗扰控制技术在永磁同步电机系统中的推广应用带来了挑战。本文依托自抗扰控制技术，聚焦有位置传感器系统和无位置传感器系统在抑制负载扰动、参数摄动、谐波扰动时面临的共性问题，以及无位置传感器系统在抑制负载扰动时面临的特有问题，从多维度开展永磁同步电机系统自抗扰控制策略的研究，为满足抗多型扰动的应用需求奠定基础。 传统线性自抗扰控制器结构简单，调参便捷，但其误差反馈函数收敛效率不足，导致扩张状态观测器难以准确估计快速变化的负载扰动，系统的抗负载扰动性能因此受限。对此，本文提出一种线性/非线性切换误差反馈函数，其非线性区的“大误差大增益”特性迫使误差快速收敛，线性区的“小误差恒定增益”特性保证了低稳态噪声。为减少待整定参数数量，对切换函数作归一化处理。为确保切换过程平滑，提出等效增益不变原则。针对因非线性环节的存在而导致的稳定性分析难题，利用切换函数形式上的特殊性，通过等效增益变换对系统进行简化，推导了稳定性条件。得益于线性/非线性切换反馈函数的等效增益自适应变化特性，改进后的自抗扰控制系统在遭遇负载扰动时，较传统线性自抗扰控制系统表现出更小的转速波动，而稳态性能未受影响。 复杂运行环境下出现的电机温升、磁路饱和、负载机械特性变化等问题，将不可避免地导致电机参数的改变。由电机参数摄动引发的额外扰动会加重扩张状态观测器的观测负担，延长收敛时间，影响系统性能。对此，本文利用扩张状态观测器的扰动估计特性来设计电机参数辨识方程，以提高系统的参数鲁棒性。首先，考虑机械参数摄动，重构转速环扩张状态观测器的扰动模型，推导了阻尼粘滞系数和转动惯量的辨识方程。其次，考虑电气参数摄动，重构交直轴电流环扩张状态观测器的扰动模型，推导了交直轴电感和定子电阻的辨识方程组。针对电参数辨识方程组因欠秩导致辨识值无法收敛的问题，引入双时间尺度概念，通过分时复用，交叉更新，确保结果收敛。针对逆变器非线性特性会影响电参数稳态辨识精度的问题，提出了一种误差补偿策略。所提辨识方法与自抗扰控制器融为一体，辨识环节采用了扩张状态观测器估算的扰动信息来计算辨识结果，因此具备较低的结构冗余度。 由电机本体设计缺陷或驱动器硬件中各类非理想因素引发的谐波扰动，会造成电机转速、转矩波动，稳态运行性能下降。“扰动估计+前馈补偿”的结构特点决定了自抗扰控制器的抗扰性能在相当程度上依赖于扰动的估计精度。然而，受带宽的限制，传统扩张状态观测器难以对谐波扰动作出准确估计。对此，本文基于内模原理，引入具备选频特性和相序区分特性的复系数滤波器来改造传统扩张状态观测器的积分环节，提出复系数扩张状态观测器，以提升对谐波扰动的估计精度。同时，给出了观测器的频域和时域设计准则，并验证了稳定性。得益于复系数扩张状态观测器特有的谐波扰动估计能力，在其基础上设计的复系数自抗扰控制器具备了对指定次谐波扰动的抑制能力。进一步，考虑到实际系统中谐波扰动频谱的丰富性，为复系数滤波器设计多个中心频率，从而将复系数自抗扰控制器推广为多中心频率复系数自抗扰控制器，以实现对多频次正负相序谐波扰动的综合抑制。 为提升系统可靠性，高性能永磁同步电机驱动器应当具备位置传感器故障时的驱动能力。然而，受转速/位置估计环节动态性能的限制，无感系统的抗负载扰动性能尚存在明显瓶颈，这限制了其在中高端应用领域的竞争力。对此，本文将自抗扰控制思想融入到无位置传感器控制系统的转速/位置估计环节中，以提升其动态估计性能。首先，依托反电势模型，设计了具有带宽自适应调节能力的二阶扩张状态观测器以估计反电势信息。其次，依托电机运动方程，设计了一种基于三阶扩张状态观测器的新型正交锁相环，以从估计反电势中提取转速/位置信息。为进一步提高负载扰动期间的转速估计精度，对电机运动方程作小信号分析，揭示了负载扰动期间的转速波动与转矩微分的定量关系，基于此，设计了一种转速估计补偿策略。该策略生成的补偿量与转矩微分成正比，因此补偿只发生在动态过程中。从而，无感系统的抗负载扰动性能在得到进一步提升的同时，稳态运行性能不会受到影响。
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