题目：永磁同步电机速度伺服系统复合抗干扰控制

与无刷直流电动机相比，永磁同步电动机(PMSM)力矩脉动较小，常用于对低速性能要求较高的驱动场合，如控制力矩陀螺、惯性稳定平台、雷达、数控机床、机器人等。为实现永磁同步电动机速度伺服系统的高精度控制，不仅需要获得高精度的转子角位置与角速度信息，而且还需要产生高精度的驱动力矩。然而，轴角传感器系统误差及信息处理环节均可导致转子角位置及角速度检测精度下降，电机转子磁通畸变、齿槽效应、电流控制纹波、陀螺力矩等则可导致驱动力矩的脉动增大，难以满足高精度伺服控制的需求。为此，本文针对采用旋转变压器作为轴角传感器的永磁同步电动机速度伺服系统，深入研究了旋转变压器输出信号自动标定、旋转变压器数字转换、永磁同步电机力矩脉动抑制以及速度复合抗干扰控制等理论问题和关键技术。研究成果可实现永磁同步电动机速度伺服系统的高精度控制，具有重要的理论意义和实际应用价值。本文取得的主要研究成果如下：

首先，针对旋转变压器两路输出信号检波后存在的直流偏置、幅值不对称和相位偏移等系统误差，提出了两种基于状态观测器的自动标定方法。第一种标定方法把正弦及余弦信号相位偏移的估计问题转化为正弦信号直流偏置的估计，采用三个四阶状态观测器实现了两路包络信号的直流偏置、幅值及相位偏移的标定，成功解决了旋转变压器输出信号传统标定方法中因非线性方程多解所造成的迭代初值选择困难的问题。第二种标定方法引入梯度法进行辅助，采用一个七阶状态观测器估计两路包络信号的直流偏置及幅值，采用梯度法直接估计正余弦信号的相位偏移，不仅保留了第一种方法的优点，而且避免了角速度信息的重复估计，简化了计算。半物理实验结果表明，两种方法均可实现旋转变压器输出信号的自动标定，对幅值及偏置的估计精度优于0.0002V，第一种方法的相位偏移的估计精度优于8¢¢，第二种方法的相移精度优于13¢¢。

其次，针对旋转变压器数字转换算法动态性能与噪声抑制性能难以兼顾的问题，在对二阶状态观测器和三阶状态观测器的性能进行深入分析的基础上，提出了一种基于复合状态观测器的旋转变压器数字转换算法。该算法采用反正切法构造角速度前馈信息，与二阶状态观测器一起，组成基于复合状态观测器的数字转换算法。与常规的二阶状态观测器相比，由于该算法引入了角速度前馈，可有效拓展系统带宽，大大降低了高动态下角位置与角速度的解调误差。与反正切法相比，由于该算法将构造的角速度前馈信息引入了状态观测器的闭环回路，可在一定程度上抑制由差分运算引起的较大噪声。实验结果表明，在高动态条件下，复合状态观测器的角位置与角速度解调精度优于反正切法、二阶状态观测器和三阶状态观测器。

第三，针对永磁同步电动机反电势波形畸变导致的力矩脉动问题，提出了一种基于反电势波形的电磁转矩控制方法。该方法根据单位反电势波形函数，采用伪逆运算，直接把期望的电磁转矩转化为期望的三相电流，通过三相电流的控制即可获得期望的电磁转矩。三相电流的波形不再是标准的正弦波，而是根据反电势波形的畸变进行了补偿，从而可在一定程度上抑制由于反电势波形畸变导致的力矩脉动。实验结果表明，该方法可使力矩脉动大大降低，从而提高速度控制平稳性。

第四，为实时获取永磁同步电动机的反电势波形信息，分析了转子磁链高次谐波对反电势波形畸变的影响，建立了两相旋转坐标系下的定子电流动态方程，并把转子磁链谐波分量的幅值作为增广状态，设计了转子磁链观测器。该观测器可以估计转子磁链基波以及6的倍数次谐波的幅值，从而实现反电势波形信息的近似估计。实验结果表明，采用估计的反电势波形信息替代离线测量所得的反电势波形信息，基于反电势波形的电磁转矩控制方法能够取得相近的控制效果。

第五，针对永磁同步电动机速度伺服系统中存在的常值干扰以及周期性干扰，设计了基于干扰观测器的速度复合抗干扰控制器。该方法首先根据干扰模型，设计干扰观测器，对系统中存在的干扰进行估计。在此基础上，采用干扰前馈对干扰估计值进行补偿，采用输入前馈对输入指令的变化进行预报，拓展系统带宽，采用角速度误差反馈对前馈未能补偿的剩余干扰进行反馈抑制。实验结果表明，基于干扰观测器的速度复合抗干扰控制器，可以抑制常值及周期干扰的影响，具有较高的速度控制精度。

最后，设计了伺服传感器模拟器、永磁同步电动机模拟器和驱动控制器，搭建了永磁同步电动机速度伺服系统系统实验平台，对旋转变压器输出信号自动标定方法、旋转变压器数字转换算法、电磁力矩脉动抑制方法以及速度复合抗干扰控制算法进行了实验验证。