[发明专利]一种考虑电流限幅的永磁同步电机鲁棒位置控制方法

说明书

本发明属于交流永磁同步电机控制技术领域，提供了一种考虑电流限幅的永磁同步电机鲁棒位置控制方法。该方法在控制器设计及稳定性分析等理论分析阶段充分考虑了电流限幅对闭环系统的影响，能够有效克服包含系统参数不确定性以及未知负载转矩在内的系统干扰的影响，最终实现电机位置精准跟踪的控制目标。更为重要的是该技术为一种连续控制方法，能够在具有滑模控制强鲁棒性的同时，克服其所固有的抖振问题。同时，本发明所设计控制器还具有结构简单等优点。优良的抗干扰能力以及简单易实现的结构特点使本发明所提技术方案拥有广阔的现实应用前景。

技术领域

本发明属于交流永磁同步电机控制技术领域，更具体地，涉及一种能够在有效克服包含电流限幅、未知负载转矩以及系统参数不确定性在内的系统干扰影响的基础上，实现电机位置精准跟踪的永磁同步电机位置控制技术。

背景技术

精密位置控制在装配机器人、半导体生产机械、高分辨率数控机床和航空发动机电力传动等众多应用中变得越来越重要。而由于具有效率高、体积小、扭矩重量比大和几乎无需维护等优良特点，永磁同步电机成为精密位置控制领域内的重要工具。与此同时，复杂的非线性特性、强耦合特点以及系统内外干扰的存在也增加了永磁同步电机精准位置控制的难度。

在工业永磁同步电机位置控制中，通常采用位置环—速度环—电流环的三闭环级联控制结构。具体而言，在速度环和电流环中所使用的控制器为PI控制器，而在位置环中则采用的是最基本的P控制器。这种控制方法具有实现简单，调节方便等优点，但其本质上属于线性控制技术，而永磁同步电机系统是一个状态耦合的非线性系统，这也意味着此控制方案难以获得优良的动态性能，同时其鲁棒性较差，在面对系统参数不确定性以及未知负载转矩干扰时性能将迅速恶化。

为实现高精度永磁同步电机位置控制，诸如自适应控制、鲁棒控制、滑模控制等先进控制算法被陆续提出，解决了众多实际工业应用问题。然而，尽管永磁同步电机位置控制已经取得了较大的进展，其仍存在很多开放性问题值得考虑并解决：

1)出于安全性考虑，目前很多方法在电流环参考电流之后会增加一个限幅环节，以间接实现对电机电流的约束，避免电流超过限制值，但在进行控制器设计以及稳定性分析时，现有技术方案大多没有考虑电流限幅环节对系统的影响，也就是说，限幅环节在理论分析时被忽略掉，而在实际应用时直接添加这一环节。然而，限幅环节的存在会影响系统动态，因当参考电流值超过限幅环节界限后，其将被保持在一个定值，导致其与所设计的参考电流不再相同，而参考电流的改变意味着电机实际电流也会跟随参考电流发生变化，作为直接后果则是系统的动态响应与不存在限幅环节时存在明显差异，在严重情况下甚至可能破坏系统的稳定性。故，在控制器实际工业应用之前的理论分析阶段应该充分考虑限幅环节的存在对系统响应的影响，并采取合理的方式避免或抑制其对系统动态性能、稳定性等产生的不利影响。

2)包含系统参数不确定性以及未知负载转矩影响在内的系统内外干扰始终是困扰永磁同步电机控制的最大技术困难之一。具体而言，在实际工业应用时，一方面，因受工作环境变化等因素影响，永磁同步电机系统参数的实际值与其标称值之间往往存在一定偏差，这将导致许多依赖系统精确参数的算法的控制性能大打折扣。另一方面，在很多实际工作情况下，永磁同步电机系统的负载转矩往往是未知的且处于变动之中，而这将明显影响永磁同步电机的位置控制及速度追踪性能。现有处理系统干扰影响的一种有效方法为滑模控制算法，其具有鲁棒性强、动态响应快等优点，但其本质上属于不连续控制算法，其控制器中所包含的不连续开关函数项将会引起系统的抖振。而抖振问题是滑模控制在实际应用时的最大障碍，抖振的存在会恶化系统的动态性能以及静态指标，同时加剧系统的机械损耗和能量消耗，在更严重情况下，高频抖振还有可能激发系统未建模动态，严重破坏系统稳定性，甚至导致控制系统无法正常运行。

总结而言，如何在进行永磁同步电机位置控制算法设计过程中充分考虑电流限幅环节的存在，并能在不引入抖振的前提下保证所提方法能够有效抑制系统内外干扰的影响，最终实现永磁同步电机精准位置控制，是目前一个急需得到解决的问题。

发明内容