反推控制在永磁同步電機中的應用及發展綜述

周密　熊微潔

摘要：永磁同步電機（PMSM）由于其高功率密度、高轉矩慣性比和高效率等優點已經廣泛應用于各種工業場所。本文以永磁同步電機為研究對象，對反推控制策略進行綜述，分析了反推控制策略的原理和作用，闡述了其應用在永磁同步電機中的控制現狀和發展動態，最后對反推控制技術作出總結，并展望其發展前景。

關鍵詞： 永磁同步電機；反推控制；非線性控制；前景

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：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展，永磁同步電動機（PMSM）越來越多的應用于各種中、小功率運動控制系統中。永磁同步電機具有高功率密度、高氣隙磁通、高轉矩慣性比和結構緊湊等優點。但是，永磁同步電動機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計比較復雜且不易理解。而反推控制理論的提出在電機控制的相關領域中得到了廣泛的關注和應用。反推控制屬于非線性控制，它不僅能夠實現永磁同步電動機系統的完全解耦，而且設計過程較為簡單，實現方便。因此在永磁同步電動機中應用反推控制策略的研究，對改善電機系統的各項性能都取得了很好的效果。

1 永磁同步電機的數學模型

2 反推控制基本原理

反推控制的設計方法是將復雜的非線性系統分解為不超過系統階數的子系統，然后為每個子系統設計李雅普諾夫（Lyapunov）函數和中間虛擬控制量，每一步設計里都要確保虛擬的誤差方程指數收斂到零，直到連續遞推得到原系統的實際控制方程。

3研究現狀

永磁同步電機具有體積小、質量輕、高效率等優點，在工業控制中應用廣泛。而在永磁同步電機交流伺服系統中，有位置環、速度環和電流環三個閉合控制環路，其中位置環的作用是產生電機的速度指令并使電機準確定位；速度環的作用是保證電機的轉速與指令值一致，消除負載轉矩擾動等因素對電機轉速的影響，其對動態響應、速度恢復能力要求很高；電流環的作用是使電機繞組實時、準確的跟蹤電流參考信號，要求響應頻率快。這三個閉環的性能決定了永磁同步電機性能的好壞，因此，對永磁同步電機反推控制策略的研究都集中于對這三個閉環的控制。

文獻[2] 將反推控制應用于永磁同步電機的速度跟蹤中，改善了傳統PID對非線性控制效果不理想的缺點，簡化了系統的控制設計，保證系統的漸進穩定。而文獻[3]將反推控制應用在永磁同步電機直接轉矩控制中，采用速度反推控制器取代傳統的速度PI控制器，采用磁鏈轉矩反推控制器用于產生定子電壓在靜止坐標系上的分量，使逆變器工作在恒定的開關頻率下，具有響應迅速、可調參數少的優點。

反推控制雖然可使系統達到漸進穩定，但是負載轉矩的擾動、定子電阻變化等參數的不確定仍然導致系統性能下降。針對這些問題，研究人員將反推控制與其他控制策略相結合應用于永磁同步電機的伺服控制。文獻[4]將自適應控制和反推控制結合來設計了系統控制律和不確定參數自適應律，實現PMSM系統的完全解耦，有效抑制系統參數變化對系統速度跟蹤伺服性能的影響。文獻[5] 把模糊控制和反推控制相結合，通過模糊控制器調節反推控制系統中的反推參數來改善系統的速度跟蹤性能。而文獻[6] 利用神經網絡來逼近設計中存在的不確定項，并結合自適應控制給出不確定性參數的控制律并最終達到穩定。

由于反推控制的結構簡單，能夠實現系統的完全解耦，并且魯棒性較好，研究人員逐漸將反推控制策略應用于其他領域的研究中。文獻[7]將自適應反推控制應用于壓電驅動器的精確軌跡跟蹤控制，反推控制器不但可以實現目標軌跡的漸進跟蹤，并目通過控制參數的調節可以改變跟蹤誤差的收斂速度。

反推控制雖然在控制領域取得了許多成果，但是仍有其缺點：針對電機伺服驅動的高度非線性，反推控制要求非線性函數已知，在實際應用中受限嚴重；反推控制的速度不能很好的適應快時變系統；反推控制與其他智能控制的結合并不完善；且反推控制的研究大部分僅限于理論階段，很少應用到實際中。

4 結論和發展前景

永磁同步電機是交流伺服系統發展的一種重要趨勢，具有結構簡單、體積小、運行可靠、易實現高速、環境適應能力強，并比其他電機具有更高的效率等優點，其控制策略的研究已是近年電機控制研究的熱門。而反推控制作為一種新型控制策略，具有算法簡單、易于工程實現，魯棒性好，保證整個系統全局穩定優點。其主要領域集中于電機控制尤其是永磁同步電機的控制中，近年來陸續有研究人員將反推控制應用在其他領域的跟蹤控制中。而與智能控制策略結合的控制方法的研究更是成為后期對反推控制研究的發展方向。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展來解決其問題。而其研究重點一方面是需完善與其他控制策略的結合，以實現更好的控制性能；另一方面將從理論研究轉入到實際應用中，不斷改進其自身和與其他策略結合應用的不足，以達到對實際電機的優良控制性能。

參考文獻：

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