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基于自抗扰控制的永磁同步电机调速系统研究

摘要

永磁同步电机（PMSM）具有结构简单、功率密度大、高效节能、易散热、易维护

等优点，在船舶航天、数控机床、新能源汽车等领域得到大量应用，同时对其控制系统

控制精度的要求也在不断提高。但是PMSM具有强耦合、非线性、多变量等特性，在

实际使用时易受到各种不确定因素的影响，使得传统的比例积分微分控制（PID）无法

满足某些场合的控制要求，因此高性能控制器的研究势在必行。自抗扰控制（ADRC）

算法能实现对各种扰动的估计和补偿，使系统具有较强的抗扰能力且鲁棒性大大增强，

因此对于一些结构复杂、参数多变的控制对象具有较好的控制效果。本文将基于自抗扰

控制设计PMSM调速系统的控制策略。

首先，建立永磁同步电机的数学模型，结合电压前馈补偿技术、电压空间矢量调制

技术（SVPWM）等核心技术，设计永磁同步电机id=0矢量控制系统并建立系统仿真模

型，仿真结果证明系统设计可行性，为后续研究打下基础。

其次，设计非线性函数并给出自抗扰控制器数学模型的一般形式，结合PID线性组

合的理念对非线性状态反馈（NLSEF）进行优化设计。基于自抗扰控制器各部分独立互不

干扰的原则，依次使用解析法、单目标粒子群优化算法、传递函数带宽法为其各部分参数设

计整定策略。搭建仿真验证控制器鲁棒性及参数整定策略的可行性。

再次，结合旋转坐标系下的PMSM数学模型设计转速环和电流环，结合参数整定

策略搭建仿真验证其控制能力及抗干扰能力。为了使ADRC的应用不局限于高性能控制

场合，设计线性自抗扰控制器解决非线性自抗扰控制参数众多且整定较为繁琐的问题，推导

其数学模型并设计仿真测试其控制性能和抗扰能力。此外，研究分析非线性扩张观测器（ESO）

的函数增益与观测器估计误差，结合线性扩张观测器设计了一种基于线性/非线性ESO切换

的自抗扰控制器，证明其稳定性并进行仿真实验。最后，考虑到编码器复杂结构影响系统的

可靠性，设计基于超螺旋滑模控制器（STSMO）的无位置算法，通过仿真证明其可行性。

最后，对本文提出的控制策略进行实验验证，分别设计PMSM控制系统硬件平台和平

台控制算法。实验结果证明该策略的准确性和有效性。

关键词：永磁同步电机；自抗扰控制技术；参数整定；控制策略

基于自抗扰控制的永磁同步电机调速系统研究

Abstract

PMSMhasthemeritsofsimplestructure,highpowerdensity,highefficiencyandenergy

saving,easytodissipateheat,andeasytomaintain,andhasbeenappliedinalargenumberof

fieldssuchasshipandaerospace,advancedmanufacturingtoolscontrolledbychipsand

vehiclesusingelectricalenergy.Increasingdemandforthecontrolaccuracyofitscontrol

systemarealsoincreasinginthemeantime.However,PMSMhasthecharacteristicsofstrong

coupling,nonlinearityandmultivariable,whichiseasilyaffectedbyvariousuncertaintiesin

practicaluse,makingthetraditionallinearcontrolmethod(PID)unabletomeetthecontrol

requirementsofsomeoccasions.