基于扰动观测器的永磁同步电机无源自抗扰驱动系统

作     者：陈前 

作者单位：武汉工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李自成;蒙绍新

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：永磁同步电机 矢量控制 自抗扰控制 粒子群算法 无源控制 

摘      要：永磁同步电机因功率密度高、控制性能好等特点而被广泛应用于民用、航天和军事等领域。然而永磁同步电机是一个复杂的非线性系统,在运行过程中存在非线性因素和不确定扰动,影响其动态性能。因此开展永磁同步电机先进的控制策略研究对提高永磁同步电机的控制性能和扩展其使用范围具有重要意义和工程价值。本文利用自抗扰控制、无源控制等非线性算法来增强永磁同步电机在负载切换和受到外来扰动时的抗扰动能力,提高系统的动态性能和鲁棒性。具体研究如下。首先,以永磁同步电机为研究对象,介绍其数学模型以及坐标变换,简述矢量控制原理和三相两电平空间矢量调制算法的工作原理。由于传统的永磁同步电机矢量控制多采用双闭环PI控制,但这种控制方法存在超调,易受到外来扰动的干扰,稳定性较差,导致转速波动较大。因此本文将自抗扰控制器用于转速控制环来替代PI控制器。利用自抗扰控制方法将所有不确定因素均归为未知扰动,并加以估计补偿,从而增强系统的抗扰动能力。对传统的非线性光滑函数进行了改造,避免系统发生高频抖振,同时采用粒子群算法来解决自抗扰控制器的参数调整困难的问题。对上述永磁同步电机自抗扰控制系统进行了仿真,并将其性能与传统的双闭环PI控制进行仿真对比。仿真结果表明,所设计的自抗扰控制器能有效抑制负载切换时的转速波动,减小系统的超调量,增强系统的抗扰能力。其次,利用无源控制器算法简单、所用参数少、参数间无耦合等优点,将无源控制器用于电流控制环来替代传统的PI控制器。从能量的角度来控制电机性能,以此来提高系统的鲁棒性。通过构建永磁同步电机的端口控制耗散哈密顿数学模型,可以通过互联和阻尼配置方法来设计无源控制器。由于无源控制器需要依赖精确的数学模型,易受到外来扰动影响,本文提出一种基于干扰观测器补偿的改进无源控制方法。通过干扰观测器来对电流环的干扰进行估计和补偿,弥补无源控制抗扰能力差的缺点,增强系统的抗扰动能力。将自抗扰控制应用于转速环,干扰无源控制器应用于电流环,搭建仿真模型。仿真结果表明,所设计的干扰无源控制器能有效改善系统的鲁棒性。最后,在以TMS320F28335为控制器的永磁同步电机控制系统的实验平台上,对所提出的自抗扰控制和干扰无源控制策略的有效性进行验证。实验结果表明本文所提算法能在全速范围内增强系统的抗扰能力,改善系统的鲁棒性。