一、论文来源的课题名称及类型：（属于国家、省、市、学校、自选中的哪一种？）

课题名称：基于滑模变结构控制的PMSM控制策略研究

课题来源：自选

二、研究目的和意义：

在高速发展的今天，能源作为人类赖以生存的资源，不断影响着人们的生产生活，能源短缺问题已经成为社会必须关注的话题。化石能源的不断锐减和不可再生，促使着我们要不断地开发新的能源。电能作为一种环保的清洁能源，由于其来源广泛,生产、输送、使用以及便于管理等方面的独特优势，在日常生活中被广泛使用。电能可以为电机提供动力，是电机运行的首要因素，且电机作为工业生产的重要组成部分，对工业社会的发展起着重要作用。随着我国工业生产水平的快速提高,工业产值的持续增长，中华人民共和国第十三个五年规划纲要中要求，必须深入实施强国战略，提升我国的综合实力水平，打造具有国际竞争力的高端装备制造业，把我国在世界上的定位由“制造大国”转变为“制造强国”，并进一步提升中国的创造力，从以前的“中国制造”提升为“中国创造"，进而成为世界制造业的引领者，为满足改革开放发展的需求，实现强国战略，提升全民小康水平，复兴中国梦奠定坚实的基础。

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM) 是一种具有成本低、体积小、功率因数高、运行可靠等优点的高性能交流电机。随着永磁体材料的快速发展，永磁同步电机在工业各个领域被广泛使用。永磁同步电机的转子磁场励磁源是由转子永磁体组成的，这种设计方案有效解决了电机运行过程中的散热问题，提高了电机的效率，节省了电能。二十世纪八十年代后期，随着众多学者对控制理论的研究和不断完善，以及电机材料价格的降低，使得永磁同步电机在工业的应用中得到快速发展。相比于感应电机和绕线式电机，永磁同步电机具有体积小、重量轻、功率密度高、转矩脉动小和动态响应快等优势。

随着现代科技的发展以及自动化水平不断提高，对于在数控机床、机器人控制以及与电机控制相关的行业都要求实现位置的精确跟踪，在现实生活中，常用的位置伺服控制系统有直流电机控制系统，开关磁阻电机控制系统，以及本文所要研究的永磁同步电机控制系统，每种控制系统都在其控制领域发挥着不可替代的作用，如何才能更好地实现位置的精准跟踪，如何才能使系统在受到干扰时依然能够有效跟踪到给定位置。针对负载的变化以及其他因素的干扰会使PMSM的运行受到影响这一问题，在PMSM控制方法中，传统PID控制方法是常用的方法，因为该方法具有简单且比较容易实现的优点，应用范围广泛。但是因为PID控制方法在对PMSM的控制过程中，抗干扰能力弱，在电机负载发生变化时，该方法对变化的适应能力差叫，严重的情况下，使得电机无法有效跟踪到给定位置。采用传统的PID控制方法已经不能满足控制精度的要求，于是一些新的控制方法应运而生，常见的有遗传算法、模糊控制、自抗扰控制、自适应控制、滑模控制等，其中滑模控制方法因为响应速度快、抗干扰能力强，可以有效解决PMSM运行过程中因为参数的变化以及外部因素的干扰所带来的问题。将该方法应用到PMSM控制系统中，对提升伺服系统的控制性能有重要的现实意义。

三、国内外研究现状和发展趋势：

3.1国内外研究现状

PMSM作为一个非线性强耦合系统，有着对电机参数敏感，易受外部干扰影响的问题，尽管传统的控制方法已经在PMSM系统中得到应用，但是PMSM控制系统需要面对来自内部或外部的多种干扰，例如电机转动惯量不精确，电机负载转矩波动等，在某些需要精准控制情况下，不能达到足够好的性能表现，难以满足需求。为了解决_上述问题，随着信号处理技术和控制理论的发展，研究人员针对非线性系统的控制问题提出了多种解决方法，主要控制方法包括，传统PI优化控制，反步控制( Backstepping)，模糊控制，滑模控制，自抗扰控制，无传感器控制等。

(1)反步控制

反步控制又称为反演控制、反推控制，1991 年Kokotovic 等学者首先提出了这种非线性控制方法，该方法基本设计思想是对系统进行降阶处理，将复杂的非线性系统分解成不超过系统阶数的子系统，然后根据Lyapunov稳定性定理为每个子系统设计虚拟控制量，一直反推到整个系统，在最后的子系统设计中，得到的虚拟控制量即为做需要的实际控制输入。在PMSM控制系统中，可将PMSM数学模型分解为若干子系统，通过反推设计，根据Lyapunov稳定性定理得到系统最终控制律，并保证了系统的整体稳定性。针对参数变化，外部干扰等问题，一般采用自适应反步控制。

随着反步控制在诸多领域的应用，以及PMSM控制策略研究的深入，开始出现反步方法结合其它控制理论，如滑模控制、反馈线性化控制、模糊系统、神经网络等，应用到PMSM控制中，进而衍生出了大量控制性能优秀的控制算法。提出了一种针对PMSM的自适应模糊反步控制方法通过模糊逼近减小系统计算复杂度，完成对输入参考位置的跟踪，但是没有把发生变化的电机参数实时反映到被控对象中。研究了基于一种对于轴向移动系统在输入饱和情况下的反步控制方法，但是缺少对系统参数变化所引起动态响应变慢的问题的分析处理。传统控制方法在低速状态下的稳定性问题被研究，提出了对于五项感应电机在低速状态下的反步控制方法，但是在该方法中只分析了速度控制方法，没有考虑到系统参数变化所产生的影响。针对反步控制的计算复杂度巨大的问题，提出了一种应用命令滤波器的方法并通过设计一个模糊逻辑系统实时识别运行中的未知非线性项,但是被控对象数学模型变化因素没有被考虑在内。将扩张状态观测器和转动惯量识别结合在一起降低内外部干扰对PMSM速度响应的干扰，并提出了基于模糊理论的反馈补偿增益自调节方法，但采用PI控制器的速度跟踪响应不佳。Ramezani, Z et al.针对单输入单输出非仿射系统研究了基于一种在未知增益符号情况下的神经网络反步控制方法，但是只针对外部干扰使用RBF神经网络进行了估计，缺少对系统参数变化所引起动态响应问题的分析处理。

(2)滑模控制

滑模变结构控制的基本策略是根据系统状态(通常为误差及其各阶导数)设计一个滑模面，并迫使系统状态趋近滑模面，当穿过滑模面时会使系统结构发生开关变化，进而是系统状态在--定特性下沿规定的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动，即滑动模态或“滑模”运动。由于滑模面可以进行设计，且仅与选择的系统状态误差有关，与对象参数与扰动无关，故而使滑模控制的具有对参数不敏感，对扰动具有鲁棒性的优点。对于电机这一参数不确定控制系统，滑模控制成为一个良好的选择。滑模控制与常规控制的区别在于控制的不连续性，一个理想的滑模系统(切换过程具有理想开关特性，系统状态精确无误)滑动模态最终会稳定于原点，但在现实中，滑模系统的不连续的开关特性会引起系统的抖振，这是滑模变结构控制由其基本原理导致的弊端，并且抖振不可消除，只能在一定程度上进行削弱，削振问题成为滑模控制研究的突出障碍。设计了一种基于终端滑模观测器的PMSM参数估计方法，观测器在有限时间内准确跟踪系统状态，同时提出了效果等同于低通滤波器的一种新型二阶滑模控制方法，平滑滑模控制的切换项，减小滑模抖振。针对 PMSM参数不确定和不同的干扰提出了一种新型滑模趋近律，能够随着系统变化自适应调节滑模切换增益，同时结合扩张滑模扰动观测器补偿较大扰动，减小滑模抖振保持高性能跟踪效果。提出了一种将定子电流和扰动观测器结合起来的永磁同步电动机无差拍预测电流控制，针对参数不匹配且有一拍延迟控制的PMSM系统，设计了基于指数滑模趋近律的扰动观测器预测定子电流并将预测电流作为无差拍预测控制的采样电流，最优化系统电流控制性能。

(3)卡尔曼滤波器

扩展卡尔曼滤波器由于其能够显著减小复杂干扰对系统带来的影响，优良的的收敛速度和算法可靠性，广泛应用于复杂多干扰环境下系统状态以及未建模动态的估计。其基本原理为结合非线性递推寻求最优卡尔曼滤波器从而得到估计结果。然而，扩展卡尔曼滤波器所需计算量极大，给控制器以很大的计算负担，在通用控制芯片上难以高效地实现。为了在不影响转子位置估计准确度的前提下减少计算量降低算法复杂度，研究了一种通过并行处理和降阶结合的方法简化传统卡尔曼滤波器的算法，从而使扩展卡尔曼滤波器估计算法能在FPGA上实现。但其局限在于没有考虑电机参数变化造成的影响，在参数摄动情况下，算法计算量会增大，从应用角度来看,该方法仍难以在通用控制芯片如STM32上实现。

(4)模型参考自适应控制

模型参考自适应(MRAS)控制--种常用方法。该方法用己知部分参数的自适应模型去逼近参考模型的参数，通过系统状态的误差设计Lyapunov 函数，根据Lyapunov稳定性定理得到合适的自适应律，实现系统渐进稳定的同时完成可调模型对实际模型的逼近，最终实现未知系统状态的估计。提出了一种基于模糊PI控制器的模型参考自适应方法，可以实现宽范围可调速度的快速响应。提出了一种基于反步控制方法的实时非线性控制方法，其中模型参考自适应方法被应用于估计由输入-输出反馈线性化算法构建的非线性系统的状态。模型参考自适应估计方法的关键在于自适应律的设计，Lyapunov 稳定性理论被广泛应用于模型参考自适应律的设计。

(5)自抗扰控制

自抗扰控制通过微分环节，扩张状态观测器和非线性反馈三个部分实现了不依赖于系统模型的鲁棒控制。其中，由扩张状态观测器对系统的内外扰动进行估计，并将其反馈到非线性反馈部分对输出控制律进行补偿，最终实现对扰动的抑制。该方法实现简单，计算复杂度低，但对于非线性自抗扰控制器来说，其可调参数较多且不易整定。研究了一种自抗扰PMSM控制策略，与之前对电机d-p模型的处理方式不同,通过电机机轴角位移代替未知的角位置来计算出d-q数学模型，提出了基于高增益广义比例积分观测器的自抗扰控制器。针对受到动力学和稳态行为的严格要求的感应电机拖动系统提出了一种增强磁场定向控制方法，设计自抗扰控制器分别控制转子磁链环和速度环，同时为了实现全局.稳定，考虑到控制增益中的扰动估计误差和不确定性，设计了一种基于滑模的分量。提出了一种将线性自抗扰技术应用于内置式PMSM无传感器控制的策略，为了实现全速度范围位置估计，在低速范围采用高频电流注入法，高速范围采用反电动势估计方法，通过线性扩张状态观测器实现了高性能位置估计。针对存在未知的、时变的和负载转矩输入，未知的系统参数，以及缺乏对初始角位置信息的情况下，研究了基于高增益广义比例积分观测器的自抗扰控制器，控制器基于系统的微分平整度和系统平整度输出的可直接测量性而合成的，实现了基于角位移的d-q轴电流计算。