永磁同步电机驱动系统多源扰动抑制方法研究

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永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)具有高效率、高功率密度、大转矩惯量比、低噪声、免维护等特点,依托PMSM的驱动系统在航空、航天、军工、国防等领域发挥着重要作用。受外部干扰和内部不确定因素的影响,PMSM高精度伺服控制或宽范围平滑调速面临着严峻挑战,需要在控制策略或控制方法上寻求突破。本文以PMSM驱动系统为研究对象,归纳与分析PMSM驱动系统中存在的扰动,针对电气参数不确定、电流环耦合及齿槽转矩三种扰动开展观测和抑制方法研究。分析了内模PI电流控制器的参数敏感性问题,构建了考虑参数不确定的电流控制器。引入不确定和扰动估计器(Uncertainty and Disturbance Estimator,UDE)估计并补偿参数变化对系统的影响,将PMSM驱动系统化为无参数变化扰动系统,再基于内模原理设计PI控制器。所构建的电流控制器及相应的控制方法具有控制参数可调性高、对电机参数敏感性低的优点,理论分析、仿真和实验均验证了电流控制器对电机参数变化的强鲁棒性。讨论了电流反馈解耦和偏差解耦的参数依赖性问题,建立了面向PMSM驱动系统的基于UDE的解耦控制方法。理论分析表明,与电流反馈解耦相比,基于UDE的解耦方法具有类似的解耦网络,但新方法不依赖电机参数。仿真和实验均验证了所提出的方法具有良好的解耦性能以及对电机参数变化的鲁棒性。分析了内模原理观测器、扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)和具有模型补偿的扩张状态观测器在估计齿槽转矩时的局限性,提出了新型串联内模扩张状态观测器,解决了内模原理观测器在带宽较小时会放大输入信号中的低频扰动的不足,降低了对ESO带宽的要求。仿真和实验表明,当带宽受限的时,新型串联内模扩张状态观测器能够较准确地观测出齿槽转矩和负载转矩,转速响应性能更优。
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