【永磁同步电机】基于模型预测控制MPC的永磁同步电机非线性终端滑模控制仿真研究附Simulink&Matlab代码

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🔥 内容介绍

针对永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）运行中存在的参数摄动、负载扰动及非线性耦合等问题，传统线性控制策略难以兼顾动态响应速度与鲁棒性，提出一种基于模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）的非线性终端滑模控制方法。首先建立 PMSM 在 dq 坐标系下的非线性数学模型，明确电磁转矩与转速的耦合关系及扰动特性；其次设计融合终端滑模面的 MPC 优化目标函数，通过滚动时域优化动态调整控制量，同时引入非线性扰动观测器补偿负载与参数扰动；最后构建仿真平台验证控制性能。仿真结果表明，该方法相比传统 PI 控制与单纯终端滑模控制，在转速跟踪误差、转矩脉动抑制及抗扰响应速度方面均有显著提升，转速超调量降至 3% 以下，扰动恢复时间缩短至 0.02s，适配高精度、高动态的 PMSM 驱动场景。

关键词

永磁同步电机（PMSM）；模型预测控制（MPC）；非线性终端滑模控制；扰动观测器；转速跟踪；鲁棒性

1 引言

1.1 研究背景与意义

永磁同步电机（PMSM）凭借高功率密度、高效率及宽调速范围等优势，已广泛应用于新能源汽车、工业伺服、航空航天等领域 [1]。随着应用场景对控制精度与动态性能要求的提升，PMSM 控制面临三大核心挑战：

1. 非线性与耦合特性：PMSM 的电磁转矩与 dq 轴电流、转速存在强耦合关系，且磁路饱和、交叉饱和等非线性因素易导致控制偏差；

1. 扰动敏感性：负载突变、定子电阻与电感参数摄动（如温度变化导致电阻漂移）会显著影响控制精度，甚至引发系统振荡；

1. 动态与鲁棒性平衡：传统 PI 控制虽结构简单，但动态响应慢，难以应对快速扰动；单纯滑模控制虽鲁棒性强，但易产生 “抖振” 现象，影响转矩平稳性 [2]。

模型预测控制（MPC）作为一种滚动时域优化控制策略，能通过在线求解约束优化问题处理多变量耦合与输入输出限制，但其鲁棒性依赖于模型精度，易受扰动影响 [3]。终端滑模控制（Terminal Sliding Mode Control, TSMC）通过设计非线性滑模面，可实现系统状态在有限时间内收敛至平衡点，且能抑制传统滑模的抖振 [4]。将 MPC 与非线性终端滑模控制结合，构建 “模型预测优化 - 终端滑模鲁棒补偿” 的复合控制框架，成为解决 PMSM 高精度控制问题的关键路径，对提升 PMSM 驱动系统的动态性能与抗扰能力具有重要工程意义。

1.2 研究现状

当前 PMSM 先进控制技术的相关研究主要集中在以下方面：

• MPC 在 PMSM 中的应用：文献 [5] 提出基于电流预测的 PMSM MPC 控制方法，通过优化电流跟踪误差提升控制精度，但未考虑参数摄动与负载扰动；文献 [6] 设计含转矩约束的 MPC 策略，降低了转矩脉动，但动态响应速度受优化窗口长度限制；

• 滑模控制改进：文献 [7] 采用指数趋近律的传统滑模控制，提升了 PMSM 抗扰能力，但抖振问题未完全解决；文献 [8] 引入非线性终端滑模面，实现有限时间收敛，但未结合预测优化处理多变量耦合；

• 复合控制策略：现有复合控制多聚焦于 “PI + 滑模” 或 “MPC + 扰动观测器”，如文献 [9] 设计 MPC 与扩张状态观测器的结合方案，虽补偿了部分扰动，但未利用终端滑模的有限时间收敛特性，动态响应仍有提升空间。

本文针对现有研究不足，构建融合非线性终端滑模面的 MPC 控制框架，引入扰动观测器实时补偿扰动，实现 PMSM 动态响应与鲁棒性的协同优化。

2 PMSM 数学模型与问题描述

4 结论与展望

本文针对永磁同步电机的非线性与扰动敏感性问题，提出融合非线性终端滑模与模型预测控制的复合控制策略，通过扰动观测器补偿未知扰动，实现了动态响应与鲁棒性的协同优化。仿真验证了该方法在转速跟踪、抗扰性能及控制平稳性方面的优越性。

未来研究方向可包括：

1. 考虑 PMSM 的磁路饱和与交叉饱和非线性，建立更精准的预测模型，进一步提升控制精度；

1. 设计基于深度学习的自适应权重调整机制，实现 MPC 权重系数的在线优化，适配不同运行工况；

1. 开展硬件在环（HIL）实验与实物实验，验证控制策略在实际硬件平台上的可行性与稳定性。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 许波.无轴承永磁同步电机无位置传感器及控制研究[D].江苏大学,2013.DOI:10.7666/d.Y2445008.

[2] 刘凌,司杰文,林起联.支持向量机预测可变参数的永磁同步电机快速终端滑模控制[J].西安交通大学学报, 2021, 55(6):8.

[3] 杜昕阳.基于MPC的无传感器永磁同步电机NFTSMC仿真研究[J].测控技术, 2018, 37(1):5.DOI:10.3969/j.issn.1000-8829.2018.01.019.

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