关键词：
永磁同步电机
扰动抑制
自抗扰控制
谐振控制
无差拍预测电流控制
无位置传感器控制
摘要：
永磁同步电机凭借着功率因数高、力矩惯量比大、动态性能好、调速范围宽等诸多优势在工业伺服、载运工具、航空航天、天文装备等高精度和高可靠性领域得到广泛应用。然而,永磁同步电机是一个典型的多变量、强耦合、非线性的复杂时变系统,并且在实际工况中不可避免遭受参数不确定性、负载转矩变动、轴系摩擦、未建模动态、测量噪声、逆变器非线性、传感器失效等多源扰动,严重影响了系统的响应速度、控制精度、鲁棒性和可靠性等控制性能,甚至引起系统的不稳定。因此,在多源扰动和不确定性条件下开展永磁同步电机高性能控制技术研究具有重要的学术价值和工程意义。
本文以永磁同步电机系统为研究对象,基于磁场定向控制的基本框架,全面分析了电机系统的多源扰动机理并建立了受扰系统数学模型,充分挖掘了电机控制系统的多维度、多环路、多策略的性能提升方法,深入研究了自抗扰控制、谐振自抗扰控制、无差拍模型预测控制、无位置传感器控制等高性能控制技术,主要研究内容总结如下:
(1)从永磁同步电机的物理本体出发,介绍了“永磁”的结构特征和电磁相互作用的“同步”工作原理,探讨了三种不同坐标系的关系以及变换方法,并基于此建立了电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程的数学模型;概述了磁场定向控制的基本原理,阐明了空间矢量脉宽调制技术的原理和具体实现方法;设计了电流和速度双环的传统比例积分控制结构,整定并分析了该结构的参数及控制局限性;搭建了基于基本控制方法的仿真模型,验证了磁场定向控制和比例积分双环控制的可行性与有效性,这为高性能控制技术的研究提供了支撑框架。
(2)针对永磁同步电机速度环系统的自抗扰控制存在干扰抑制和噪声衰减的权衡问题,提出了基于两级互联扩张状态观测器的新型自抗扰控制调速方案。分析了速度环系统的扰动机理,建立了速度系统受扰模型,阐释了传统自抗扰控制的局限性;设计了新型两级互联的扩张状态观测器结构,构造了基于误差反馈的控制律;相比基于传统扩张状态观测器的自抗扰控制方法,频域分析表明,所提观测器的低频和高频幅频特性曲线斜率均下降了20 d B/dec;时域分析显示,所提方案对复杂扰动的估计和抑制性能得到增强。实验结果表明,所提方案相比传统方案具有更好的动稳态性能和抗干扰性能以及噪声抑制性能,速度动态响应和稳态波动分别提升了57.25%和降低了15.18%。
(3)针对永磁同步电机电流环系统的非周期性和周期性扰动的抑制问题,研究了基于两种不同谐振自抗扰的电流扰动抑制策略。分析了电流环系统的扰动机理,建立了电流系统受扰模型;针对6次和12次电流谐波以及非周期性扰动的抑制问题,设计了基于准广义积分器的级联自抗扰控制策略,将准广义积分器嵌入了级联扩张状态观测器中,进而分析了该观测器的干扰估计性能和控制器的干扰抑制性能,实现了低频干扰抑制的增强和特定频率的谐波衰减;针对特定相序谐波和非周期性扰动抑制问题,提出了基于降阶矢量谐振的广义自抗扰控制策略,设计了新颖的降阶矢量谐振并将其嵌入到广义自抗扰控制律中,实现了低频干扰抑制的增强和相序可分离的谐波衰减。实验结果表明,所提出的两种电流控制策略相比对应的传统策略具有更好的电流动稳态性能以及非周期性扰动和周期性谐波的衰减能力,相电流的总谐波失真分别降低了3.95%和7.02%。
(4)针对永磁同步电机无差拍预测电流控制的鲁棒性不足问题,提出了鲁棒无差拍预测电流控制方案。设计了基于一步延迟补偿的传统无差拍预测电流控制器,分析了无差拍系统的受扰情况;设计了干扰校正项以增强对参数摄动等低频扰动的估计能力,进而提出了基于重复控制的干扰校正观测器方法,分析了该观测器在频域上的干扰估计与参数特性,具备了干扰估计、电流预测和无差拍控制的功能,增强了参数摄动和多重电流谐波的估计与消除能力。实验结果表明,所提方案相较于传统方案减小了电流稳态跟踪误差,增强了参数失配的鲁棒性,交轴和直轴的电流稳态跟踪误差分别减少了36.82%和67.27%。
(5)针对永磁同步电机无位置传感器控制的位置估计精度提高问题,提出了改进无位置传感器控制方案。设计了线性和非线性校正项相结合的改进超螺旋观测器的反电动势重构方法,增强了对快速变化的反电动势的估计精度和收敛速度,证明了所提方法的有限时间收敛特性;分析了传统锁相环的在速度斜坡时的局限性,设计了位置补偿锁相环位置和速度信号提取方法,减少了在斜坡加减速时的位置估计误差。仿真和实验结果表明,所提出的无位置传感器控制方法能够有效提高反电动势的估计精度和减小位置估计误差。
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