摘要
永磁同步电机因其体积小、过载能力强、运行可靠、高转矩/惯量比等优点被广泛应用于电动汽车、机器人、航空航天等领域。然而，永磁同步电机是一个强耦合、强非线性、强不确定性的复杂系统，这给电机调速系统设计带来了困难与挑战。为了提高永磁同步电机调速系统的控制品质，需要减少测量噪声、外部干扰、参数摄动等不确定因素所带来的不利影响。针对上述问题，本文以永磁同步电机调速系统为研究对象，开展了基于高阶滑模算法的测量噪声抑制、抗干扰控制、自适应控制、复合调速控制等问题的研究。本文的主要工作和创新点如下： (1)提出了基于增广滑模观测器的测量噪声抑制方法，减少了测量噪声对永磁同步电机调速系统的不利影响。首先，从频域角度分析了基于低通滤波器和增广扩张状态观测器的传统测量噪声抑制方法的局限性。其次，利用固定时间和高阶滑模技术构造了增广滑模观测器对电机实际转速的增广状态进行观测。与传统测量噪声抑制方法相比，该方法不仅避免了引入低通滤波器对电机调速系统动态性能造成的不利影响，而且提高了系统状态的观测精度。最后，实验结果验证了所提测量噪声抑制策略能实现永磁同步电机调速系统对测量噪声的有效抑制。 (2)提出了基于有限时间扩张状态观测器的超螺旋滑模控制方法，提升了永磁同步电机调速系统的抗干扰性能。首先，利用有限时间技术构造了有限时间扩张状态观测器对调速系统的集总干扰进行观测，保证了观测误差的有限时间收敛。其次，以扰动观测值作为前馈量，结合超螺旋滑模控制作为反馈量，构成前馈加反馈的控制方法，提升了系统性能，并从理论上分析了电机速度跟踪误差系统的有限时间稳定性。该方法不仅可以有效削弱传统滑模中存在的抖振现象，而且能避免控制器增益取值过于保守。最后，实验结果验证了所提控制策略可以明显改善永磁同步电机调速系统的抗干扰性能。 (3)提出了基于障碍函数的自适应超螺旋滑模控制方法，实现了对永磁同步电机调速系统时变集总干扰的动态抑制。首先，设计控制增益单调递增的自适应律，使电机速度跟踪误差在有限时间内收敛到原点附近的邻域内。其次，利用障碍函数对超螺旋滑模控制器增益进行在线调节，保证速度跟踪误差停留在预设的区域。具体来讲，当电机速度跟踪误差逐渐收敛到原点时，控制器增益将动态调整到较小值；当跟踪误差逐渐接近预设区域边界时，控制器增益能动态调整到较大值，以防止误差逃离预先设定的区域。值得注意的是，该方法不需要预先知道系统时变集总干扰及其导数的上界信息，并且能避免控制器增益的过估。最后，实验结果验证了所提控制策略可以有效动态抑制永磁同步电机调速系统时变集总干扰。 (4)提出了基于新型干扰观测器的复合连续超螺旋滑模控制方法，提升了永磁同步电机调速系统的综合性能。首先，利用永磁同步电机调速系统的输入输出模型构造干扰观测器对系统集总干扰进行观测。其优势在于仅通过调节干扰观测器中唯一的参数即可改变观测器的性能，从而大大减少参数整定工作。其次，使用非光滑项替换传统超螺旋滑模控制器中的非连续项，解决了超螺旋算法中仍然存在的抖振问题。然后，将新型干扰观测器与连续超螺旋滑模控制算法相结合，构造复合连续超螺旋滑模控制器。最后，实验结果验证了所提控制策略可以明显改善永磁同步电机调速系统的综合性能。
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