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摘 要

随着现代电子电力技术、交流伺服系统控制技术和现代控制理论的快速发展，以永磁同步电机为核心的交流速度伺服系统的控制受到越来越多的关注。永磁同步电机具有结构简易、运行声音小、可靠性好、转动惯量小、效率大、动态性能好高优点。而永磁同步电机又是一个非线性的动态模型，具有多变量、强耦合的复杂特性。电机的性能很容易受到外界不确定性因素和环境干扰例如负载扰动的影响，控制策略的选择影响着最终的控制效果。

本文介绍了当前永磁同步电机的研究背景和各国研究现状，分析了永磁同步电机速度改变的方法后，本文采用了矢量控制法中的id=0方法。在永磁同步电机的转动原理和模型基础上，基于永磁同步电机的矢量控制方法，对永磁同步交流调速电机系统进行速度控制和系统分析。

为解决永磁同步电机系统的强耦合、参数时变、非线性问题，针对永磁同步电机调速伺服系统在传统线性控制下的误差收敛时间过长和在实际工程中遇到的抗干扰问题。提出了一种由反馈加前馈组合的复合控制策略，反馈采用有限时间控制及前馈采用扩张状态观测器。在电机伺服系统的速度环引入有限时间控制，缩短系统误差收敛时间；再引入二阶状态观测器，减小由系统参数和负载扰动以及外界不确定性因素的干扰，提高了系统稳定性。

关建词：永磁同步电机 复合控制 有限时间控制 二阶状态扩张观测器

Research on composite anti-interference control of permanent magnet synchronous motor

Abstract

With the speedy development of modern electronic power technology, AC servo control technology and modern control theory, the control of AC speed servo system with PMSM as the centre has received an increasing number of attention. The permanent magnet synchronous motor has the superiority of simple structure, low sound of running, good dependability, less rotational inertia, high efficiency and good dynamic performance. The PMSM is a nonlinear dynamic model with complex characteristics of multiple parameter and strong coupling. The performance of the motor is easily affected by external uncertainties and environmental disturbances such as load disturbances. The choice of control strategy affects the final control effect.

In this article, the research background and current situation of Permanent magnet synchronous motor in various countries are introduced. After analyzing the speed regulation method of Permanent magnet synchronous motor, this paper used the id = 0 way of vector control method. Based on the theory of running and model of PMSM, vector control method based on PMSM, and the speed control and system analysis of Permanent magnet synchronous motor system are carried out by it .

So as to solve the problems of powerful coupling, parameters time-varying , and nonlinear of PMSM systems, the error convergence time of the permanent magnet synchronous motor speed servo system under traditional linear control is too long and the anti-interference problems encountered in actual engineering.A compound control strategy consisting of feedback plus front feed is proposed. The feedback uses finite time control and the front feed uses an expanded state observer. Introduce finite time control in the speed loop of the motor servo system to shorten the system error convergence time; then introduce a second-order state observer to reduce the interference caused by system parameters and load disturbances and external uncertainties, and improve the system stability.

Key words: permanent magnet synchronous motor； compound control； finite time control; second order state expansion observer

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本课题研究内容 4

第二章 永磁同步电机数学模型及其调速方法 6

2.1 永磁同步电机结构和工作原理 6

2.2 三种不同坐标系下永磁同步电机数学模型 6

2.3永磁同步电机两种常用调速方法 9

2.4永磁同步电机调速系统构成 11

2.5本章小结 11

第三章 永磁同步电机复合抗干扰控制 12

3.1基于矢量控制的FTC ESO复合控制器设计 12

3.2稳定性分析 16

3.3 本章小结 19

第四章 永磁同步电机复合抗干扰设计仿真 20

4.1仿真模型的搭建 20

4.2仿真结果 23

4.3本章小结 26

第五章 课题总结与展望 27

5.1 课题总结 27

5.2系统评价 27

5.3展望 28

参考文献 29

致谢 33

第一章 绪论

1.1引言

随着现代数模电子电力技术、交流伺服调速控制以及现代控制理论的迅速发展,交流调速取代直流调速系统的发展趋势是必然的。永磁同步感应电机具有结构简单、重量小、转矩脉动小、运行声音小、允许过载性能强,控制精度优良等优点,车床、汽车、医疗器械和各种军工业等领域中应用非常广泛^[1]。传统的永磁同步电机调速控制多采用PID控制等经典控制理论，此类线性控制方法算法简单易实现，可靠性高，在参数确定下就可得到较好的控制效果，目前应用较为广泛。然而，永磁同步电机系统又是一个强耦合、多参数、非线性的复杂系统^[2，3]，实际工况中的不可知干扰，如摩擦、震动、负载变化等，永磁同步电机速度伺服系统中传统的PID控制就无法满足所需的高性能控制要求。所以为了克服这些干扰和控制困难，提高控制性能，就必须探索新的控制方法和控制策略。

对于永磁同步电机的速度控制，目前国内外主要先进控制方法不在少数。主要为PID控制、反演控制、自适应控制、反馈线性化控制、自抗扰控制、滑模变结构控制和基于干扰观测器的控制策略等^[4]。从反馈方面入手，目前比较有效方法有滑模控制（siding mode control,SMC）^[5],针对马达的定子磁链和转子转矩文献[6]采用了一种滑模变结构控制，提高了系统收敛能力和鲁棒性，不足是容易产生震颤。随着各种先进控制理论的提出和完善，由有限时间控制（FTC）^[7]方法可使得系统状态在规定时间内收敛至平衡点，连续有限实际控制介于传统PID控制与滑模控制之间，它能提高系统稳定性和抗干扰能力，收敛性提高并且不会发生震颤^[8,9]。在对一阶、二阶系统进行有限时间控制时，有限时间控制器的设计常采用的方法主要为加幂积分法^[10]、齐次性法^[11,12]和非奇异终端滑模法^[13,14]。而从前馈补偿角度出发来看，由于干扰不可测的原因，可以用扰动观测器观测出系统扰动状态，从而进行补偿。而扩张状态观测器(extended state observer,ESO)^[15]对此控制效果显著，颇受欢迎。

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