永磁交流伺服系统及其控制策略研究

永磁同步电机(PMSM)伺服系统在工农业生产和航天技术等领域的应用十分广泛，由于其自身的结构和运行特点，PMSM的具有很多独特的优点，本文主要从控制理论和实际系统两个方面对永磁同步电机伺服系统进行了全面而深入的研究，并完成了一台数控铣床的研制。 首先对PMSM伺服系统进行了建模，在研究了其物理方程、转矩方程和等效电路的基础上提出了PMSM的数学模型并对仿真技术进行了简单的介绍。 基于内模控制，设计了电流环解耦控制器，改善了电流环性能，而且控制器只有一个可调参数，简化了设计。对于嵌入式PMSM，根据在电流幅值一定的条件下最大输出转矩与α(为等效电流矢量和q轴之间的相位角)之间的关系，将磁阻转矩转换为输出转矩从而提高了输出转矩，改善了系统的控制性能；在速度环采用单步模型算法控制，其计算量比较少，提高了系统的实时性和鲁棒性。 针对传统控制方法对电机数学模型依赖性强的缺点，结合模糊控制实时性好和预测控制鲁棒性强的优点构造了模糊预测控制器，可以解决模糊控制器不具有消除系统稳态误差的问题，大大提高了控制系统的性能。由于传统的基于阀值进行控制策略切换的方法使得系统具有很大的扰动，所以本文设计了一种基于模糊规则进行切换的控制策略，很好地解决了两种控制在切换时发生的扰动的问题，仿真和试验结果都证明该控制策略的有效性。 为了降低成本，简化系统，本文采用低分辨率的霍尔元件作为PMSM伺服系统的位置传感器，采用基于磁链观测法的低分辨率位置传感器控制技术，来估计电机转子的实时位置和转速，实现电流的正弦换向，减小转矩脉动。理论分析和仿真结果都证明了该控制方法的有效性。 结合浙江省科技计划重点项目“新一代智能型数控机床的研制“(合同号001101061)，本文作者作为浙江大学”数控系统“研究小组主要成员参加了该项目中数控机床的研制，并已于2002年10月完成了试制工作，经过近10个月的加工试生产，系统运行平稳可靠。目前该项目已经通过了省级鉴定。