高性能永磁交流伺服系统及其新型控制策略的研究

作为数控机床、机器人等的重要组成部分，随着加工制造、汽车等行业的发展，永磁交流伺服系统成为国内外研究和应用的一个重要领域。在对永磁同步电动机（PMSM）的数学模型和控制理论进行全面、深入研究的基础上，本文在PMSM的转矩观测器、直接转矩控制(DTC)和无位置传感器控制方面做了大量的理论和实验研究，并研制开发了一套高性能全数字永磁交流伺服系统。 提出一种基于时延的转矩观测器，克服了传统转矩观测器对电机参数的依赖性，提高了系统抗负载扰动能力，并通过理论分析和实验结果证明了其稳定性和有效性。 给出了PMSM直接转矩控制的实现方法，推导出在电流限制条件下，基速以上采用MTPA（最大转矩/电流）运行时的稳定条件，否则会引起系统失稳。 提出一种基于空间矢量PWM(SVPWM)的PMSM定子磁链定向控制方法，综合了直接转矩控制和矢量控制的优点，可实现电压矢量近似连续调节，有效减小了PMSM的转矩脉动，极大地提高了系统的性能，仿真和实验结果证明了这一结论。 提出了一种基于扩展卡尔曼滤波器(EKF)的PMSM直接转矩控制方法，有效提高了定子磁通观测的准确性，并对电机参数变化具有较强的鲁棒性。由于卡尔曼滤波器不需要准确的初始值，所以解决了直接转矩控制对转子初始位置的要求，是一种本质上的无位置传感器控制方法，仿真结果证明了该方法的有效性。 提出一种基于自适应滑模观测器的PMSM无位置传感器控制方法，对电机参数和负载扰动具有较强的鲁棒性，利用李亚普诺夫理论证明了该算法的收敛性，仿真和实验结果证明了上述结论。 在上述工作的基础上，研制开发了一套基于TMS320F240的高性能全数字永磁交流伺服系统，并设计开发了相应的上位机监控软件。该系统以空间矢量PWM控制为核心，具有多种接口方式、宽调速范围和良好的动静态特性。