反推控制在永磁同步電機(jī)中的應(yīng)用及發(fā)展綜述

周密　熊微潔

摘要：永磁同步電機(jī)（PMSM）由于其高功率密度、高轉(zhuǎn)矩慣性比和高效率等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)場所。本文以永磁同步電機(jī)為研究對象，對反推控制策略進(jìn)行綜述，分析了反推控制策略的原理和作用，闡述了其應(yīng)用在永磁同步電機(jī)中的控制現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)，最后對反推控制技術(shù)作出總結(jié)，并展望其發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞： 永磁同步電機(jī)；反推控制；非線性控制；前景

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）02-0234-02

Abstract： Permanent magnet synchronous motor （PMSM） has been widely used in various industrial fields due to its high power density， high torque ratio and high efficiency. In this paper， the permanent magnet synchronous motor is used as the research object， and the control strategy is summarized. The control strategy is analyzed. The control status and development of the permanent magnet synchronous motor are summarized.

Key words：permanent magnet synchronous motor； backstepping control； nonlinear control； Prospect

隨著近年來永磁磁性材料和控制理論的快速發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）越來越多的應(yīng)用于各種中、小功率運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中。永磁同步電機(jī)具有高功率密度、高氣隙磁通、高轉(zhuǎn)矩慣性比和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。但是，永磁同步電動(dòng)機(jī)還包含電流和速度的非線性耦合，故普通的線性控制方法效果還不夠理想。目前采用的非線性控制方法設(shè)計(jì)比較復(fù)雜且不易理解。而反推控制理論的提出在電機(jī)控制的相關(guān)領(lǐng)域中得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。反推控制屬于非線性控制，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的完全解耦，而且設(shè)計(jì)過程較為簡單，實(shí)現(xiàn)方便。因此在永磁同步電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用反推控制策略的研究，對改善電機(jī)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能都取得了很好的效果。

1 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

2 反推控制基本原理

反推控制的設(shè)計(jì)方法是將復(fù)雜的非線性系統(tǒng)分解為不超過系統(tǒng)階數(shù)的子系統(tǒng)，然后為每個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)李雅普諾夫（Lyapunov）函數(shù)和中間虛擬控制量，每一步設(shè)計(jì)里都要確保虛擬的誤差方程指數(shù)收斂到零，直到連續(xù)遞推得到原系統(tǒng)的實(shí)際控制方程。

3研究現(xiàn)狀

永磁同步電機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、高效率等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛。而在永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)中，有位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三個(gè)閉合控制環(huán)路，其中位置環(huán)的作用是產(chǎn)生電機(jī)的速度指令并使電機(jī)準(zhǔn)確定位；速度環(huán)的作用是保證電機(jī)的轉(zhuǎn)速與指令值一致，消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)等因素對電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，其對動(dòng)態(tài)響應(yīng)、速度恢復(fù)能力要求很高；電流環(huán)的作用是使電機(jī)繞組實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的跟蹤電流參考信號，要求響應(yīng)頻率快。這三個(gè)閉環(huán)的性能決定了永磁同步電機(jī)性能的好壞，因此，對永磁同步電機(jī)反推控制策略的研究都集中于對這三個(gè)閉環(huán)的控制。

文獻(xiàn)[2] 將反推控制應(yīng)用于永磁同步電機(jī)的速度跟蹤中，改善了傳統(tǒng)PID對非線性控制效果不理想的缺點(diǎn)，簡化了系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)的漸進(jìn)穩(wěn)定。而文獻(xiàn)[3]將反推控制應(yīng)用在永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中，采用速度反推控制器取代傳統(tǒng)的速度PI控制器，采用磁鏈轉(zhuǎn)矩反推控制器用于產(chǎn)生定子電壓在靜止坐標(biāo)系上的分量，使逆變器工作在恒定的開關(guān)頻率下，具有響應(yīng)迅速、可調(diào)參數(shù)少的優(yōu)點(diǎn)。

反推控制雖然可使系統(tǒng)達(dá)到漸進(jìn)穩(wěn)定，但是負(fù)載轉(zhuǎn)矩的擾動(dòng)、定子電阻變化等參數(shù)的不確定仍然導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。針對這些問題，研究人員將反推控制與其他控制策略相結(jié)合應(yīng)用于永磁同步電機(jī)的伺服控制。文獻(xiàn)[4]將自適應(yīng)控制和反推控制結(jié)合來設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制律和不確定參數(shù)自適應(yīng)律，實(shí)現(xiàn)PMSM系統(tǒng)的完全解耦，有效抑制系統(tǒng)參數(shù)變化對系統(tǒng)速度跟蹤伺服性能的影響。文獻(xiàn)[5] 把模糊控制和反推控制相結(jié)合，通過模糊控制器調(diào)節(jié)反推控制系統(tǒng)中的反推參數(shù)來改善系統(tǒng)的速度跟蹤性能。而文獻(xiàn)[6] 利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來逼近設(shè)計(jì)中存在的不確定項(xiàng)，并結(jié)合自適應(yīng)控制給出不確定性參數(shù)的控制律并最終達(dá)到穩(wěn)定。

由于反推控制的結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的完全解耦，并且魯棒性較好，研究人員逐漸將反推控制策略應(yīng)用于其他領(lǐng)域的研究中。文獻(xiàn)[7]將自適應(yīng)反推控制應(yīng)用于壓電驅(qū)動(dòng)器的精確軌跡跟蹤控制，反推控制器不但可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)軌跡的漸進(jìn)跟蹤，并目通過控制參數(shù)的調(diào)節(jié)可以改變跟蹤誤差的收斂速度。

反推控制雖然在控制領(lǐng)域取得了許多成果，但是仍有其缺點(diǎn)：針對電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)的高度非線性，反推控制要求非線性函數(shù)已知，在實(shí)際應(yīng)用中受限嚴(yán)重；反推控制的速度不能很好的適應(yīng)快時(shí)變系統(tǒng)；反推控制與其他智能控制的結(jié)合并不完善；且反推控制的研究大部分僅限于理論階段，很少應(yīng)用到實(shí)際中。

4 結(jié)論和發(fā)展前景

永磁同步電機(jī)是交流伺服系統(tǒng)發(fā)展的一種重要趨勢，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、運(yùn)行可靠、易實(shí)現(xiàn)高速、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，并比其他電機(jī)具有更高的效率等優(yōu)點(diǎn)，其控制策略的研究已是近年電機(jī)控制研究的熱門。而反推控制作為一種新型控制策略，具有算法簡單、易于工程實(shí)現(xiàn)，魯棒性好，保證整個(gè)系統(tǒng)全局穩(wěn)定優(yōu)點(diǎn)。其主要領(lǐng)域集中于電機(jī)控制尤其是永磁同步電機(jī)的控制中，近年來陸續(xù)有研究人員將反推控制應(yīng)用在其他領(lǐng)域的跟蹤控制中。而與智能控制策略結(jié)合的控制方法的研究更是成為后期對反推控制研究的發(fā)展方向。但其各方面仍舊不是非常成熟，反推控制仍然需要更多的研究和發(fā)展來解決其問題。而其研究重點(diǎn)一方面是需完善與其他控制策略的結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更好的控制性能；另一方面將從理論研究轉(zhuǎn)入到實(shí)際應(yīng)用中，不斷改進(jìn)其自身和與其他策略結(jié)合應(yīng)用的不足，以達(dá)到對實(shí)際電機(jī)的優(yōu)良控制性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]賴福新.電機(jī)控制系統(tǒng)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1995.

[2]劉棟良，王佳軍，趙光宙. 永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速中的反推控制[J]. 電氣傳動(dòng)，2005，35（6）：39-41.

[3]徐艷平.基于反推控制的永磁同步電機(jī)新型直接轉(zhuǎn)矩控制方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015（10）：83-89.

[4]朱漢未.永磁同步電動(dòng)機(jī)的自適應(yīng)反推控制策略研究[D].浙江大學(xué)，2013.

[5] 劉棟良，崔言飛.基于反推控制的永磁同步電動(dòng)機(jī)速度的模糊控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，11.29（11）： 38-44.

[6] 劉達(dá)，李木國.基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)反推的永磁同步電機(jī)位置伺服控制[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，2.33（2）： 126-132.

[7]SHIEH H J， HSU C H. Precise trajectory tracking of a piezoactuator-driven stage using an adaptive backstepping control [J].IEEE Trans-actions on Ultrasonics， Ferroelectrics and Frequency Control， 2007，54（4）： 705-714.