类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究的通讯作者为Ying Fan（IEEE高级会员），合作者包括Junlei Chen、Qiushi Zhang、Qiushuo Chen及Ming Cheng（IEEE会士），均来自东南大学电气工程学院。Qiushi Zhang同时任职于国家电网嘉兴供电公司。研究发表于《IEEE Transactions on Industrial Electronics》2024年8月刊（第71卷第8期），DOI编号10.1109/TIE.2023.3329241，受国家自然科学基金（62173086、51991380）资助。

学术背景
研究领域为永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）控制。工业场景中（如机器人关节、数控机床），负载惯量（load inertia）的频繁变化会导致传统速度控制器性能下降，需实时调整参数，但现有方法如基于惯性实时估计的自适应控制需高速变速度信号（可能不适用于伺服系统），而传统无调参控制器（Tuning-Free Controller, TFC）因低通滤波器（LPF）的存在导致控制频率（control frequency）升高时性能恶化。本研究旨在设计一种基于超局部模型（ultralocal model）的无调参控制器（UL-TFC），解决惯量变化与控制频率影响的矛盾。

研究流程
1. 问题建模与分析
- 传统TFC缺陷分析：通过离散化传递函数（式3）证明其极点位置受控制频率$f_n$影响，且需配置LPF截止频率$\omega_f$和增益$k$（式4），参数调试复杂。
- 超局部模型构建：建立$v$阶运动方程$p^v\omega_m = \alpha_m t_e - \alpha_m f$，其中$f$为总扰动（含惯量变化），$\alpha_m$为系统增益。

1. UL-TFC设计

   • 控制器结构（图3）：采用离散欧拉法设计（式5），输入为转速误差，输出为电磁转矩$t_e$，扰动$f$由扩展状态观测器（Extended State Observer, ESO）估计（式6）。
     
   • ESO参数配置：设置重叠极点$p_{1,2}=0.9$，系数$\beta1=2p{1,2}-1$，$\beta2=(p{1,2}^2-\beta_1)/(\alpha_c t_n)$（式7），仅需调节极点位置，简化调试。

2. 性能对比分析

   • 理论验证：推导UL-TFC离散传递函数（式8），证明其极点不受$f_n$影响；对比TFC在$f_n$升高时阻尼比从1（$\gamma=0$）降至0.09（$\gamma=20$, $f_n=10$ kHz），而UL-TFC保持0.375（图2、表I）。
     
   • 电流环影响：当$f_n$接近电流环频率$f_c$时，TFC因$z^{-1}$延迟导致不稳定（式9），UL-TFC仅阻尼微降至0.338（式10）。

3. 实验验证

   • 平台搭建（图4）：400W PMSM（转子惯量$J_m=0.000029$ kg·m²），通过惯性板模拟$\gamma=J_l/J_m=0\sim20$变化，DSP芯片TMS320F28346实现控制算法。
     
   • 结果：
     
     • 惯量变化测试（图5）：$\gamma=20$时，传统2-DOFC振荡4周期收敛，TFC与UL-TFC仅需1-2周期。
       
     • 控制频率测试（图6）：$f_n$升至5 kHz时TFC失稳，UL-TFC响应时间缩短且无振荡。

主要结论
1. UL-TFC通过超局部模型消除LPF依赖，仅需配置ESO极点，显著简化调试流程。
2. 理论分析与实验证明其在$\gamma=20$及$f_n=10$ kHz下仍保持稳定，阻尼比优于TFC 4倍以上。
3. 电流环影响下，UL-TFC稳定性远优于TFC，适用于高动态工业场景。

研究亮点
1. 创新性方法：首次将超局部模型与ESO结合用于PMSM控制，解决惯量-频率耦合问题。
2. 工程价值：实验验证控制器在$\gamma=20$（惯量变化700%）及$f_n$升至10 kHz时的鲁棒性，填补高动态场景控制空白。
3. 理论贡献：明确电流环对速度环的影响边界（$f_c \geq 3f_n$），为后续研究提供设计准则。

其他价值
研究提出的参数配置原则（如$\alpha=1.5$、$p_{1,2}=0.9$）可直接应用于工业伺服系统，代码已集成于Infineon IM513-L6A控制器平台。