摘要
永磁同步电机(Permanentmagnetsynchronousmotor,PMSM)因具有高效率、高功率密度和高可靠性等优点在工业应用中受到广泛关注。基于PI控制技术的电机矢量控制由于算法简单、易于工程实现等优点成为了电机主流控制方法，但随着对电机驱动系统的控制性能要求不断提高，传统的PI控制方式在控制精度，响应速度和抗扰能力等方面已不能满足系统要求，而且实际的PMSM控制系统中，参数摄动、未建模动态和外部干扰等各种不确定性都会影响系统的控制性能。基于以上问题，本课题以PMSM驱动系统为研究对象，以提高系统的动态性能、稳态性能和抗扰性能等为研究目标，提出了基于改进滑模的永磁同步电机控制策略，并结合无模型控制、迭代学习控制、扰动补偿控制等技术，实现永磁同步电机驱动系统的高性能稳定控制。本文主要研究内容如下： (1)为提高PMSM的速度跟踪性能和鲁棒性，减小所设计的控制器对电机动态模型的依赖，提出了一种基于扰动观测器的PMSM无模型滑模控制策略，并分别设计了无模型滑模速度控制器和电流控制器。首先建立了不考虑电机参数的PMSM系统超局部模型；然后基于改进滑模趋近律设计了无模型滑模速度控制器和电流控制器；此外，针对永磁同步电机控制系统存在的外部负载扰动和参数不确定性等问题，设计了非线性扰动观测器和扩张状态观测器估计系统未知扰动并用于前馈补偿，提升系统的鲁棒性。 (2)上述所设计的控制器采用双闭环串级控制结构，但随着电力电子技术以及计算机控制技术不断发展，速度环与电流环的控制周期差逐渐减小，因此，基于非级联结构的永磁同步电机可以获得更好的控制性能。非级联控制的优点是控制结构简单，速度直接控制。本文提出了一种基于改进无模型滑模控制的转速-电流非级联控制策略。首先基于永磁同步电机系统超局部模型设计了无模型滑模速度控制器，控制器采用转速-电流非级联滑模控制策略替代了传统的转速-电流级联控制，实现了永磁同步电机在一个回路中调节速度和电流，简化了控制系统结构；然后设计了双重扰动观测器估计系统中的存在的匹配扰动和不匹配扰动，并将其作为速度控制器的前馈补偿，提升系统鲁棒性。 (3)考虑到无模型控制虽能在一定程度上消除系统未建模动态的影响，但和系统超局部模型的未知部分的估计精度有关，为此提出了一种基于积分滑模控制和迭代学习方法的永磁同步电机单环控制策略。控制器仍采用非级联滑模控制策略替代了传统的转速-电流级联控制，通过引入迭代学习控制有效抑制了因系统未建模动态而导致的转矩脉动，提高了稳态控制精度；此外，针对系统存在的外部负载扰动和参数不确定性等，设计了双重扰动观测器估计系统扰动量，提高了系统的鲁棒性。 最后，针对上述所提三种控制策略，通过永磁同步电机转速控制系统实验平台完成了实验验证，并将其和PI算法以及传统控制策略进行对比，实验结果表明，本文所提三种控制策略均具有良好的动态性能、抗干扰能力和稳态控制精度，实现了永磁同步电机驱动系统的高性能稳定控制。
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