论文总字数：29124字

摘 要

永磁同步电机具有许多优良特性，如结构简单、功率密度高、噪音小和维修方便等等。由于上述优良特性，PMSM已被广泛地应用在了在诸多工业领域，如机床、机器人、航天航空领域等。因此，对永磁同步电机控制方法的研究就显得很有意义。线性控制方法，如比例积分（PI）控制，凭借其容易实现的优势已经被成熟地应用在了永磁同步电动机系统控制中。然而，永磁同步电机系统是一类典型的非线性系统，难以测量的干扰和参数摄动是无法避免的，而线性控制方法在很多高精度、强干扰的场合，很难满足要求的控制性能指标并实现对PMSM系统良好的控制效果。因此，十分有必要针对PMSM系统研究非线性控制方法，提高闭环系统的动态性能和稳态精度。

本文从介绍现有的相关控制方法出发，同时引入了PMSM在旋转坐标系下的数学模型以及基于解耦控制和矢量控制的系统框图，并在此基础上对经典的PI控制方法进行了阐述。但是，在实际工业应用中，PMSM系统始终面临着诸多干扰，例如：摩擦力、未建模动态和负载扰动等。传统的反馈控制方法通常不能及时做出反应来抑制这些干扰，而基于干扰前馈补偿技术的复合控制方法则具备直接、快速抑制干扰的性能。所以，本文在前馈-反馈复合控制这一框架下，又介绍了许多基于观测器（包括扩张状态观测器(ESO)、广义比例积分(GPI)观测器和改进扰动观测器）的复合控制方法。与此同时，还在多种干扰形式下，比较分析了这些方法的起动性能和对稳态波动的抑制能力，并在仿真实现中进行了对比。

关键词：永磁同步电机(PMSM)、调速控制、扰动观测器、干扰抑制

The design and research of inhibiting Steady fluctuations in the speed regulation system of Permanent magnet synchronous motor

Abstract

Permanent magnet synchronous motor has many excellent features such as simple structure, high power density, low noise, and friendly maintenance. Due to these advantages, PMSM has gained widespread acceptance in numerical control machine tools, robots, aviation and so on. So devoting to the research of controlling PMSM is meaningful. Linear control methods such as proportional-integral control scheme has been already widely used in PMSM systems due to their easy implementation. However, PMSM system is a typical nonlinear system with unavoidable and unmeasured disturbances and parameter variations, it is difficult to achieve a satisfactory performance in the control of PMSM systems, when using such linear control methods in many occasions of high precision and strong disturbance. Hence, nonlinear control methods become natural improved solutions for PMSM system to improve the dynamic performance and steady state accuracy of the closed loop systems.

In this paper, firstly, the relevant existing control algorithms are reviewed. What’s more, this paper introduces the mathematical model of PMSM in the rotating coordinate system, and the system block diagram based on decoupling control and vector control. Then, describing classical PI control method on the basis of it. Note that in real industrial applications, PMSM systems always face with different disturbances, e.g., friction force, unmodeled dynamics, and load disturbances. Compared with conventional feedback-based control methods which usually can not react promptly to reject these disturbances, control methods based on feedforward compensation techniques for disturbances show a direct, fast and effective way to suppress the unfavorable influences caused by disturbances. In the framework of feedforward -feedback control, this paper also introduced a number of observer-based control methods (extended state observer (ESO), generalized proportional integral (GPI) observer and improved disturbance observer). Besides, this paper also introduces the comparison of these methods in starting performance of these methods and the ability to suppress fluctuations in the steady state in a variety of forms of interference and make it via simulation.

KEYWORDS: permanent magnet synchronous motor (PMSM), speed regulation control, disturbance observer, disturbance rejection 

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 交流伺服系统的发展趋势 1

1.2 永磁同步电机在交流伺服系统中的应用 1

1.3 交流电机经典控制策略 2

1.3.1 矢量控制 2

1.3.2 直接转矩控制 2

1.4 交流电机的控制方法研究现状 3

1.4.1 PI控制 3

1.4.2 滑模变结构控制 3

1.4.3 自适应控制 4

1.4.4 自抗扰控制 4

1.4.5 模糊控制 5

1.4.6 神经网络控制 5

1.5 本论文的工作和内容安排 6

第2章 永磁同步电机基本原理 7

2.1 永磁同步电机简介 7

2.2 永磁同步电机的数学模型 7

2.2.1 三相静止坐标系下永磁同步电机数学模型 7

2.2.2 坐标变换 8

2.2.3 旋转坐标系下永磁同步电机数学模型 10

2.3 本章小结 11

第3章 永磁同步电机调速系统的经典控制方法 12

3.1 永磁同步电机的控制原理 12

3.2 PI控制原理 13

3.3 基于PI控制的永磁同步电机调速系统 14

3.4 本章小结 16

第4章 基于观测器的永磁同步电机调速系统控制方法 17

4.1 扩张状态观测器(ESO) 17

4.1.1 基于ESO的永磁同步电机调速系统控制方法 17

4.1.2 基于ESO的永磁同步电机调速系统仿真分析 20

4.2 广义比例积分(GPI)观测器 23

4.2.1 基于GPI观测器的永磁同步电机调速系统控制方法 23

4.2.2 基于GPI观测器的永磁同步电机调速系统仿真实现 24

4.3 改进扰动观测器 27

4.3.1 基于改进扰动观测器的永磁同步电机调速系统控制方法 28

4.3.2 基于改进扰动观测器的永磁同步电机调速系统仿真实现 30

4.4 本章小结 32

第5章 总结与展望 33

5.1 总结 33

5.2 展望 34

参考文献 35

致谢 38

绪论

交流伺服系统的发展趋势

数十年来，信息技术、先进控制理论、电力与电子技术以及永磁体材料的研究发展迅猛，人类在1970年左右逐渐进入了交流伺服时代，各种各样的伺服系统应运而生，它们在不同控制领域的身影也随处可见。交流(alternating current, AC)伺服系统存在诸多优点，如整体结构比较简单、制造成本比较低廉、投入使用后维修比较方便等等。在生产力高度发达的国度，AC伺服系统的发展势头更为强劲，应用范围也得到进一步地拓宽，在冶金、发电、化学化工、交通运输等场合，其身影随处可见。与此同时微电子技术、信息技术的快速革新以及先进控制思想的逐步成熟，AC伺服系统的发展也就有了强有力的支撑。

当下，交流伺服系统正是靠着它在调速方面卓越的性能，已经完全取代了由步进电动机以及直流电动机所构成的驱动系统，成为市面上应用最为广泛的伺服系统。

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