基于改进型滑模的永磁同步电机无感控制方法研究

作     者：张鸿铭 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈龙

授予年度：2024年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0835[工学-软件工程] 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 无传感器控制 超扭曲算法 连续快速终端滑模 自适应律控制 扰动观测器 

摘      要：永磁同步电机(PMSM)在新能源电动汽车、机器人和伺服控制系统等领域得到广泛应用,其具有转惯量比大、功率密度高、结构紧凑等显著优势。然而,PMSM系统存在一些挑战,如建模参数不确定性、系统响应时间和集总扰动等问题,这些因素会影响控制性能。为了实现对强耦合的非线性PMSM系统的高性能控制,需要采用现代控制理论来解决这些问题。因此,研究具有参数估计,扰动补偿和快速响应的先进控制方式对提升PMSM控制系统的性能和智能化程度具有重大的意义。 本文以三相PMSM的电流电压模型和电力电子理论为基础,将三相电流模型进行坐标转换实现解耦,根据PMSM运行时产生的反电动势设计滑模观测器用于估计PMSM的转子位置和速度。依据矢量控制理论,对解耦后的电机交轴进行控制,内环采用比例积分控制器,外环采用以滑模控制器为核心的控制器。对于PMSM系统鲁棒性差以及传统的滑模控制器自身的存在的缺陷,提出将连续型自适应终端滑模控制器作为速度环的控制策略,并设计了连续型自适应快速终端滑模控制器。该控制器基于连续型终端滑模设计,抑制了传统的滑模控制器控制输出不连续导致的抖振现象,其中的自适应率可以依据滑模面变化时动态调整趋近律中的增益项。为了进一步提升系统的抗干扰问题,引入了龙伯格的扰动观测器到连续型自适应终端滑模控制器中作为前馈补偿。此外,为了保证复合控制器的稳定性,我们设计了满足李亚普诺夫稳定性理论的李亚普诺夫函数。该函数能够随着时间的推移而逐渐减小,确保系统稳定。考虑到PMSM系统中滑模观测器在速度估计方面存在缺陷,提出将基于线性项的超扭曲滑模观测器作为速度参数估计的核心策略,设计了基于线性项的超扭曲反电动势观测器,通过线性项提升观测器的收敛精度、动态响应和抗扰动能力,通过反电动势与转子速度的关系得到转子估计速度并用于速度环,实现在中高速阶段的PMSM无位置传感器的控制策略。 为了验证本文算法有效性,在MATLAB/Simulink上对传统算法和所提出的算法进行仿真,搭建PMSM无感控制实验系统,依据实验数据结果,证明了本文设计的改进型控制器与观测器在动态和稳态性能上均具备了优越性,相比传统的算法,本文提出的控制策略在不同负载下均体现了强抗干扰能力,对于电机运行在中高速阶段转子的速度估计的准确性有很大的提升。