永磁同步电动机伺服系统的干扰抑制方法研究

  由于永磁同步电机在运行时，会因为齿槽转矩、磁通谐波和电流测量误差等的原因产生周期脉动，产生扭矩振荡和速度波动，进而阻止电机平稳运行并影响电机的性能。通过重复控制在运行时不受模型不确定性影响的优势，将永磁同步电机的实时跟踪性能进行优化，提供了一种重复控制算法，利用动态规划理论和迭代策略，设计出最优控制器，以减少周期性转矩脉动。重复控制与现有的比例积分（PI）电流控制器结合使用，并在每个周期之间迭代生成补偿参考电流，以使均方转矩误差最小，满足稳态速度和调节系统动态性能的要求。

  1.1  研究背景及意义

  1821 年，丹麦物理学家奥斯特发现电流磁效应，在此后的十年内，法拉第发现了电磁感应现象，并通过圆盘切割永磁体产生的磁场产生电流建立了电动机模型。法国发明家皮可西发明了一台永久磁铁交流发电机，将交流电转换为直流电，与此同时，楞次提出了著名的楞次定律，证明发电机和电动机是可逆的，两者的研究是互通的，而在此之前，电动机的研究和发电机的研究一直都在独立发展。随后的过程中，德国亚哥比制造出的第一台直流电动机拖动了涅瓦河的一艘小艇，之后电机进入全世界人的眼球。伴随着电机的诞生，人类从蒸汽时代迅速进入电气时代。在一百多年发展过程中，电机的发展极大地提高了人类的生产力，促进了整个人类文明进步的快速发展。20 世纪下半叶人类依靠信息技术又引发了第三次技术革命，使得生产和消费从工业化向自动化、智能化的时代迅速转换，以电机作为基础的电动机械能依然是当今工业网社会发展的基础。近年来，随着中国国民经济水平的飞速发展，国民对物质生活水平的需求提高，促使各大行业发展。各种“高精尖”的技术也深入各行各业。为适应经济的建设，能源与动力的新技术与新工艺也需要不断提高。电机已深入到各行各业，在日常应用中，汽车、地铁、电梯、抽水机等与人们生活息息相关的产物都与电机有关。高端应用领域包括航天器、无人机、自动车床、机器人等也与电机系统密不可分。2015年为了实施实施制造强国战略，中国提出“中国制造 2025”，信息产业、轨道交通和新能源技术等多个重点领域是我国未来几年主要发展方向，而电机行业无一不与之密切相关。从上世纪八十年代，一些工业强国伺服控制已经开始研究，我国起步较晚。随着我国工业发展需求，不得不大量引入国外先进设备。因此，电机控制研究迫在眉睫。电机的种类繁多，根据结构原理可以分为直流电机、异步电机和同步电动机。直流电机又分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。异步电机可分为感应电机和交流换向器电机。同步电机分为励磁同步电机和永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）。直流电机以直流电为电源，在带有永久磁铁的线圈通入直流电，通过电刷换向原理产生旋转磁场。直流电机只需要对电压进行控制，不需要对频率控制就可以产生较高转速，同时直流电机的体积小就可以输出较大功率。正因为直流电机结构简单，易于控制的特点，使得直流电机在上个世纪初期处于垄断地位。19 世纪 70 年代，随着人们社会生产对电机的需求增加，直流电机不能换向的问题突出，需要采用变频设备实现调速，增大了系统成本，促使交流电机的发展。到目前为止，交流电机依然是使用范围最广、用量最大的电机。交流电机通过启动绕组和运行绕组产生的旋转磁场生成感应电流，转速和频率成正比。由于交流电机异步电机寿命长、可靠性高、可高速运行和变频调速的特点使得其在交流领域中广泛应用。异步电机常用于小型设备，以三相交流电作为电源，通入三相定子绕组产生旋转磁场，转子切割旋转磁场产生感应电动势，根据电磁定理转子受到电磁力产生电磁转矩。异步电机通过转速差率实现转子励磁，定子电流中有一部分转化为励磁电流分量，但在低速运行时，电机励磁磁场较弱，转矩输出能力低，动态响应差。同步电机又分为励磁同步电机和永磁同步电机，其中励磁同步电机需要励磁系统，能量转化效率低，永磁同步电机通过永磁材料铁氧体、稀土永磁体、复合永磁体等代替电机转子励磁绕组，无需对电机单独励磁。随着日益增长的物质文化提高，人们对电机控制有了更高的要求。人们需要更高效、更稳定、更精准的大功率电机，与其他电机相比，永磁同步电机具有结构简单，能量利用率高，可高速运行的特点，是一种功率密度更大和效率转换更高的大功率电机。永磁同步电机已经在航空航天、地铁机车、复合电机等多个领域广泛应用，前景可期。

  1.2 国内外研究现状

   电机控制是电机系统的核心，电机的稳态响应、动态响应、可靠性、速度与转矩响应与控制算法的性能密不可分。20 世纪 60 年代，永磁体铁氧体、铝镍钴材料出现，使永磁体得以在电机方向的应用，但其价格过高，不适合广泛应用。80 年代，出现了钕铁硼（REFEB）永磁材料，其价格低廉，性能较好，从而永磁电机也得以发展。随着永磁同步电机内部结构和调速性能的不断优化，电机控制算法理论研究也得以很好的发展。根据永磁同步电机控制策略发展的时间顺序，永磁同步电机控制策略主要可以分为以下几种：（1）恒压频比（Variable Voltage and Variable Frequency, VF 或者 U/F）,恒压频比通过对电压幅值和频率的值恒定，保证电机内部磁通不变。通过这种方式只需要对电压和频率进行控制，也不需要电机模型参数，就可以得到理想的转矩和速度。在恒压频比控制方式下，转速与供电电压的基波幅值呈正比增加，控制方式简单，从而减少了系统的搭建成本。但是作为一种开环控制方式，恒压频比不需要电流和转速的实际值，只从稳态公式出发，推测平均值，不能矫正误差信号，很容易将误差放大造成脉冲和谐波分量的增加，不能达到较好的动态性能和高精度追踪。恒压频比控制常用于低精度下便捷控制，如水泵、风机等。部分学者通过对非线性系统的研究，采用一些智能控制策略对恒压频比控制进行补偿修正，例如文献通过神经网络对恒压频比控制方式进行补偿，实现高性能控制要求。（2）磁场定向控制（Field Oriented control，FOC）,磁场定向控制是在 20 世纪 70 年代早期由不伦瑞克工业大学的 Hasse 在博士论文中提出，西门子公司的 Blaschke 补充系统理论，经过日本学者进一步研究发展起来的，又称矢量控制。它的控制思想就是以交流电机空间矢量方向为坐标系，将电机定子电流实现正交分解，实现对励磁电流和转矩电流的分解，进而实现磁通和转矩的解耦，可以对交流电机的控制转换成类似对直流电机的控制方式。由于早期的计算机运行速度低价格昂贵，矢量控制技术并没有的到广泛应用，近年来，由于集成电路技术的进步，目前已成为高效实用的控制方法，对电力电子技术和电机控制系统巨大变化。根据不同的电机结构和控制需求，矢量控制又可以分为 0di =控制、最大转矩电流比控制、cos =1控制等。对于表贴式永磁同步电机， 0di = 控制策略可以保证单位电流中的最大转矩输出。在内嵌式永磁同步电机最大转矩电流比控制可以保证单位电流中的最大转矩输出。本章着重介绍了永磁同步电机的研究背景和意义，通过对比突出永磁同步电机的优势。接下来分析了基本的永磁同步电机控制策略，分析现有的永磁同步电机扰动抑制方法的优点和存在的不足，最后说明了本文的创新点和文章结构安排。

  第二章  永磁同步电机数学模型及基本控制策略

  第三章 基于重复控制的永磁同步电机转矩脉冲抑制研究

  第四章 基于变结构的无位置传感器永磁同步电机方法研究