反推控制在永磁同步电机中的应用及发展综述

周密　熊微洁

摘要：永磁同步电机（PMSM）由于其高功率密度、高转矩惯性比和高效率等优点已经广泛应用于各种工业场所。本文以永磁同步电机为研究对象，对反推控制策略进行综述，分析了反推控制策略的原理和作用，阐述了其应用在永磁同步电机中的控制现状和发展动态，最后对反推控制技术作出总结，并展望其发展前景。

关键词： 永磁同步电机；反推控制；非线性控制；前景

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：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

随着近年来永磁磁性材料和控制理论的快速发展，永磁同步电动机（PMSM）越来越多的应用于各种中、小功率运动控制系统中。永磁同步电机具有高功率密度、高气隙磁通、高转矩惯性比和结构紧凑等优点。但是，永磁同步电动机还包含电流和速度的非线性耦合，故普通的线性控制方法效果还不够理想。目前采用的非线性控制方法设计比较复杂且不易理解。而反推控制理论的提出在电机控制的相关领域中得到了广泛的关注和应用。反推控制属于非线性控制，它不仅能够实现永磁同步电动机系统的完全解耦，而且设计过程较为简单，实现方便。因此在永磁同步电动机中应用反推控制策略的研究，对改善电机系统的各项性能都取得了很好的效果。

1 永磁同步电机的数学模型

2 反推控制基本原理

反推控制的设计方法是将复杂的非线性系统分解为不超过系统阶数的子系统，然后为每个子系统设计李雅普诺夫（Lyapunov）函数和中间虚拟控制量，每一步设计里都要确保虚拟的误差方程指数收敛到零，直到连续递推得到原系统的实际控制方程。

3研究现状

永磁同步电机具有体积小、质量轻、高效率等优点，在工业控制中应用广泛。而在永磁同步电机交流伺服系统中，有位置环、速度环和电流环三个闭合控制环路，其中位置环的作用是产生电机的速度指令并使电机准确定位；速度环的作用是保证电机的转速与指令值一致，消除负载转矩扰动等因素对电机转速的影响，其对动态响应、速度恢复能力要求很高；电流环的作用是使电机绕组实时、准确的跟踪电流参考信号，要求响应频率快。这三个闭环的性能决定了永磁同步电机性能的好坏，因此，对永磁同步电机反推控制策略的研究都集中于对这三个闭环的控制。

文献[2] 将反推控制应用于永磁同步电机的速度跟踪中，改善了传统PID对非线性控制效果不理想的缺点，简化了系统的控制设计，保证系统的渐进稳定。而文献[3]将反推控制应用在永磁同步电机直接转矩控制中，采用速度反推控制器取代传统的速度PI控制器，采用磁链转矩反推控制器用于产生定子电压在静止坐标系上的分量，使逆变器工作在恒定的开关频率下，具有响应迅速、可调参数少的优点。

反推控制虽然可使系统达到渐进稳定，但是负载转矩的扰动、定子电阻变化等参数的不确定仍然导致系统性能下降。针对这些问题，研究人员将反推控制与其他控制策略相结合应用于永磁同步电机的伺服控制。文献[4]将自适应控制和反推控制结合来设计了系统控制律和不确定参数自适应律，实现PMSM系统的完全解耦，有效抑制系统参数变化对系统速度跟踪伺服性能的影响。文献[5] 把模糊控制和反推控制相结合，通过模糊控制器调节反推控制系统中的反推参数来改善系统的速度跟踪性能。而文献[6] 利用神经网络来逼近设计中存在的不确定项，并结合自适应控制给出不确定性参数的控制律并最终达到稳定。

由于反推控制的结构简单，能够实现系统的完全解耦，并且鲁棒性较好，研究人员逐渐将反推控制策略应用于其他领域的研究中。文献[7]将自适应反推控制应用于压电驱动器的精确轨迹跟踪控制，反推控制器不但可以实现目标轨迹的渐进跟踪，并目通过控制参数的调节可以改变跟踪误差的收敛速度。

反推控制虽然在控制领域取得了许多成果，但是仍有其缺点：针对电机伺服驱动的高度非线性，反推控制要求非线性函数已知，在实际应用中受限严重；反推控制的速度不能很好的适应快时变系统；反推控制与其他智能控制的结合并不完善；且反推控制的研究大部分仅限于理论阶段，很少应用到实际中。

4 结论和发展前景

永磁同步电机是交流伺服系统发展的一种重要趋势，具有结构简单、体积小、运行可靠、易实现高速、环境适应能力强，并比其他电机具有更高的效率等优点，其控制策略的研究已是近年电机控制研究的热门。而反推控制作为一种新型控制策略，具有算法简单、易于工程实现，鲁棒性好，保证整个系统全局稳定优点。其主要领域集中于电机控制尤其是永磁同步电机的控制中，近年来陆续有研究人员将反推控制应用在其他领域的跟踪控制中。而与智能控制策略结合的控制方法的研究更是成为后期对反推控制研究的发展方向。但其各方面仍旧不是非常成熟，反推控制仍然需要更多的研究和发展来解决其问题。而其研究重点一方面是需完善与其他控制策略的结合，以实现更好的控制性能；另一方面将从理论研究转入到实际应用中，不断改进其自身和与其他策略结合应用的不足，以达到对实际电机的优良控制性能。

参考文献：

[1]赖福新.电机控制系统[M].上海：上海交通大学出版社，1995.

[2]刘栋良，王佳军，赵光宙. 永磁同步电动机调速中的反推控制[J]. 电气传动，2005，35（6）：39-41.

[3]徐艳平.基于反推控制的永磁同步电机新型直接转矩控制方法[J].电工技术学报，2015（10）：83-89.

[4]朱汉未.永磁同步电动机的自适应反推控制策略研究[D].浙江大学，2013.

[5] 刘栋良，崔言飞.基于反推控制的永磁同步电动机速度的模糊控制[J].电工技术学报，2014，11.29（11）： 38-44.

[6] 刘达，李木国.基于小波神经网络自适应反推的永磁同步电机位置伺服控制[J].电力自动化设备，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.