D01:10.133741.ism1001053x.2009.04.20 第31卷第4期 北京科技大学学报 Vol.31 No.4 2009年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2009 基于逆控制的永磁同步电机速度伺服系统 刘刚 李华德曹勇 北京科技大学信息工程学院，北京100083 摘要针对永磁同步电机系统解耦性能.提出一种逆控制的新型控制策略，应用逆系统方法对永磁同步电机进行解耦控制 研究.通过对永磁同步电机的数学模型可逆性分析，将永磁同步电机系统解耦成二阶线性转速与一阶线性定子电流两个低阶 的线性子系统.仿真结果表明，控制方案具有优良的动态和静态性能，且对负载变化具有较强鲁棒性， 关键词水磁同步电动机：逆系统：逆控制：线性化 分类号TM351 Speed servo system of permanent magnet synchronous motors based on the inverse method LIU Gang.LI Hua-de.CAO Yong School of Infomation Engineering.University of Science and Technobgy of Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT A decoupling control approach based on inverse systems was developed for permanent magnet synchronous motors (PMSM).A novd inverse control scheme was proposed to decouple the performance of PMSM.On the base of the reversibility anal- ysis of the PMSM's mathematical mode,the PMSM system is decoupled into a secondorder linear speed subsystem and a first-order linear stator current subsystem.Simulation results show that the proposed control scheme possesses excellent oontrol performance and good robustess against load disturbance. KEY WORDS permanent magnet synchronous motor (PMSM);inverse system;decoupling contok linearization 随着现代永磁材料性能的不断提高，永磁同步 域中来讨论，数学工具相当复杂抽象) 电动机(PMSM)性能也不断提高，并且在数控机床、 逆控制方法19是非线性反馈线性化方法中一 工业机器人等小功率应用场合得到了广泛的应用. 种比较形象、直观且易于理解的方法.逆控制方法 PMSM作为一个多变量、非线性和强耦合的被控对 利用被控对象的逆系统，将被控对象补偿成为具有 象，具有非线性和不确定性等特征.欲实现高性能 线性传递关系的系统：再利用线性系统的理论来完 的控制，必须克服PMSM及负载在内的广义被控对 成系统的综合，实现在线性系统中能够实现的目标. 象不确定性因素和非线性因素对系统性能造成的影 本文用逆控制方法进行PMSM速度伺服系统的控 响.传统的控制策略如PD控制习，具有控制简 制，实现转速响应快速无超调、精度高的良好控制。 单、易于实现的优点：但由于控制策略本身还是沿着 对负载扰动表现出良好的鲁棒性 线性设计模型得到，其抗参数摄动方面的性能不理 1PMSM的数学模型 想，难以实现高精度控制.现代的控制策略如自适 应控制、变结构控制5q和Backstepping方 建立PMSM的电磁一机械数学模型之前，作如 法一，都是基于对象模型和扰动模型己知条件下 下假设：忽略铁心饱和，不计涡流和磁滞损耗：永磁 设计的，而且设计出的控制器往往较为复杂.微分 材料的电导率为零：转子上没有阻尼绕组：相绕组中 几何方法可以实现系统的解耦，但需变换到几何领 感应电动势波形为正弦， 收稿日期：200804-24 基金项目：北京市自然科学基金资助项目(No.KZ200410005005) 作者简介：刘刚(1973一，男，博士研究生：李华德(1941一)，男，教授.博士生导师，lhd@ics.ustb.a.cm基于逆控制的永磁同步电机速度伺服系统 刘 刚 李华德 曹 勇 北京科技大学信息工程学院, 北京 100083 摘 要 针对永磁同步电机系统解耦性能, 提出一种逆控制的新型控制策略, 应用逆系统方法对永磁同步电机进行解耦控制 研究.通过对永磁同步电机的数学模型可逆性分析, 将永磁同步电机系统解耦成二阶线性转速与一阶线性定子电流两个低阶 的线性子系统.仿真结果表明, 控制方案具有优良的动态和静态性能, 且对负载变化具有较强鲁棒性. 关键词 永磁同步电动机;逆系统;逆控制;线性化 分类号 TM 351 Speed servo system of permanent magnet synchronous motors based on the inverse method LIU Gang , LI Hua-de, CAO Yong S chool of Inf ormation Engineering, University of S cience and Technology of Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACT A decoupling control approach based o n inverse sy stems was dev elo ped for permanent magnet synchronous motors ( PMSM) .A no vel inv erse control scheme was proposed to decouple the performance o f PMSM .On the base of the reversibility anal￾ysis of the PMSM' s mathematical model, the PMSM sy stem is decoupled into a second-order linear speed subsystem and a first-order linear stator current subsystem .Simulation results show that the proposed control scheme possesses excellent co ntrol perfo rmance and g ood robustness against load disturbance. KEY WORDS permanent magnet sy nchronous motor ( PMSM) ;inverse system ;decoupling contro l;linearizatio n 收稿日期:2008-04-24 基金项目:北京市自然科学基金资助项目( No .KZ200410005005) 作者简介:刘 刚( 1973—) , 男, 博士研究生;李华德( 1941—) , 男, 教授, 博士生导师, lhd@ies.ustb.edu.cn 随着现代永磁材料性能的不断提高, 永磁同步 电动机( PM SM ) 性能也不断提高, 并且在数控机床 、 工业机器人等小功率应用场合得到了广泛的应用 . PMSM 作为一个多变量、非线性和强耦合的被控对 象, 具有非线性和不确定性等特征 .欲实现高性能 的控制, 必须克服 PMSM 及负载在内的广义被控对 象不确定性因素和非线性因素对系统性能造成的影 响.传统的控制策略如 PID 控制[ 1-2] , 具有控制简 单、易于实现的优点 ;但由于控制策略本身还是沿着 线性设计模型得到, 其抗参数摄动方面的性能不理 想, 难以实现高精度控制 .现代的控制策略如自适 应控 制[ 3-4] 、变结 构控 制[ 5-6] 和 Backstepping 方 法[ 7-8] , 都是基于对象模型和扰动模型已知条件下 设计的, 而且设计出的控制器往往较为复杂.微分 几何方法可以实现系统的解耦, 但需变换到几何领 域中来讨论, 数学工具相当复杂抽象[ 9] . 逆控制方法 [ 10] 是非线性反馈线性化方法中一 种比较形象、直观且易于理解的方法.逆控制方法 利用被控对象的逆系统, 将被控对象补偿成为具有 线性传递关系的系统 ;再利用线性系统的理论来完 成系统的综合, 实现在线性系统中能够实现的目标. 本文用逆控制方法进行 PMSM 速度伺服系统的控 制, 实现转速响应快速无超调、精度高的良好控制, 对负载扰动表现出良好的鲁棒性 . 1 PMSM 的数学模型 建立 PM SM 的电磁-机械数学模型之前, 作如 下假设 :忽略铁心饱和, 不计涡流和磁滞损耗 ;永磁 材料的电导率为零 ;转子上没有阻尼绕组 ;相绕组中 感应电动势波形为正弦 . 第 31 卷 第 4 期 2009 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.4 Apr.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.04.020