采用自抗擾控制器的汽車起動電機測試系統

采用自抗擾控制器的汽車起動電機測試系統*

張墩利1,周國棟1,2

(1. 湖南廣播電視大學 機電工程系，湖南 長沙410004；

2. 中南大學 機電工程學院，湖南 長沙410083)

摘要：汽車起動電機測試過程要求精度高、速度快，目前使用的PID調節效果差，其調節速度和超調量指標難以同時達到。采用自抗擾控制策略，利用擴張狀態觀測器估計出系統擾動量并給予實時補償，通過抑制擾動而實現自抗擾控制，成功實現了電流和轉速的雙環解耦控制。采用工控機為核心搭建測試系統試驗平臺。驗證結果表明，自抗擾控制起動機測試系統能同時保證快速和超調兩個量的高品質，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：直流電機； 自抗擾控制； 解耦控制

基金項目:* 湖南省科技廳工業支撐項目(2014GK3054)；湖南省教育廳資助項目(15C0930)

通訊作者:周國棟

中圖分類號：TM 306文獻標志碼： A

收稿日期：2015-04-22

A Starter Performance Testing System with

Active-Disturbance Rejection Controller

ZHANGDunli1,ZHOUGuodong1,2

(1. Department of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan Radio and TV University,

Changsha 410004, China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Central

South University, Changsha 410083, China)

Abstract：The process of starter performance test requires high precision and fast speed, but the effect of PID controller is poor. Both of regulating speed and overshoot are difficult to achieve. In this paper, current and speed decoupling control was realized by applying active disturbance rejection control(ADRC), which used the extended state observer(ESO) to observe and compensate the action of the entire uncertain disturbance. The test bench was built with IPC and data acquisition card. Experiments results showed that the testing system with ADRC had better performances than the past, which had a broad prospect of application.

Key words： DC motor; active disturbance rejection control(ADRC); decoupling control

0引言

汽車起動機是用于帶動發動機運轉的一種直流電機。出廠前的性能測試是質量保證的重要環節。其測試過程是將電機轉速和電流調整到設定值，然后判斷輸出力矩是否合格。測試的難點是短時間內電流要迅速上升至額定值(約100A)且不允許超調過大，否則電機發熱過大將導致電機燒壞。因此，測試過程要求時間短(不超過2s)、精度高(恒流、恒速精度±1%)，對控制系統的調節能力要求很高。國內當前的控制律主要采用PID或其改進算法，實際應用表明其控制效果不好，原因之一是測試過程中的各種干擾(負載擾動、摩擦力擾動、紋波推力擾動等)嚴重影響系統測試精度和速度，其二是對于雙輸入雙輸出系統，PID很難實現電流和轉速的解耦控制。

自抗擾控制技術(Active Disturbance Rejec-tion Control, ADRC)是近年來用在工業控制，尤其是電機控制中的一種新的高效率非線性控制算法。它是在傳統PID控制算法上改進而來，既有PID控制器無需被控系統精確數學模型、結構簡單、算法高效等優點，又融合了現代控制理論，如非線性控制、Bang-Bang控制、狀態觀測器技術等。能動態觀測出作用于被控對象的總擾動，并實時補償給系統輸入端。通過擾動補償，被控系統被解耦為積分串聯型線性控制系統，從而實現自抗擾控制。文獻實現了多變量、強耦合的交流感應電動機的ADRC；文獻實現了開關磁阻電機的自抗擾調速控制；文獻將ADRC應用于高性能的永磁同步電機位置伺服系統；文獻在電動汽車電機控制中成功采用ADRC技術。

為方便數字化控制的實現，在離散域設計了測試系統的ADRC。原理是利用擴張狀態觀測器部件(ESO)實時觀測出系統擾動而實現解耦控制。在工控機系統中完成C++程序設計，現場試驗表明測試精度和效率都有較大幅度提高。

1起動機測試系統分析

1.1測試原理結構

性能測試原理如圖1所示。對起動機采用電流回路和速度回路兩個回路進行控制，由兩個獨立一階ADRC完成解耦。

圖1　起動機測試系統原理圖

電機的電氣和機械方程分別為

(1)

式中：L——電樞電感；

U——電樞電壓；

ia——電樞電流；

r——電樞內阻；

Ce——電勢系數；

v——轉子轉速；

J——轉動慣量；

T——電機輸出力矩，T=CTia；

CT——轉矩系數；

TL——電機負載轉矩；

Td——系統等效擾動轉矩總和。

試驗系統中由磁粉制動器輸出力矩。通常磁粉制動器的輸入ig與輸出力矩TL之間有很好的線性關系，線性方程可通過對試驗數據的回歸得到，因此TL可以用kig+d表達，k和d為線性方程系數。

綜上，U和ig為系統輸入量，ia和v為輸出量。

1.2測試系統的ADRC解耦算法

將式(1)進行變換，得到狀態方程為

(2)

變換的目的是得到ia和ig以及U和v之間的關系式，為ADRC進行解耦控制提供依據。系統采用一階雙ADRC結構，為避免重復，以下論述只以電流控制回路為例，對于速度回路，方法相同，不再贅述。

ia的表達式可以表示為

(3)

式中：f——系統內外已知的擾動；

fdist——未知的擾動；

d(t)——總擾動。

根據ADRC原理，電流回路的總擾動能由磁粉制動器的輸入ig和起動機電流ia觀測出來。為完成解耦，將對擾動進行補償，可以取控制量：

(4)

將式(4)代入式(3)中，可得

(5)

由式(5)可看出，測試系統已變換為積分串聯型結構，再由NLSEF進行非線性誤差反饋控制，便可獲得高性能的閉環控制特性。

2ADRC控制器的設計

ADRC控制器包括: 跟蹤-微分器(TD)、擴張狀態觀測器(ESO)、非線性反饋控制器(NLSEF)。ADRC解耦的電流控制回路如圖2所示，TD的作用是給輸入量安排光滑過渡過程，以解決上升過程超調過大的問題；ESO用來反饋輸出量及其微分信號，并按照一階積分系統估算出擾動總和；NLSEF則對誤差信號進行非線性組合計算以試圖得出光滑的反饋控制量。

i a*—電流給定信號；v 1—i a*的跟蹤信號；ε—電流回路誤差；z 21—i a的跟蹤信號；z 22—未知擾動信號d(t)的觀測值；i 0—NLSEF輸出控制信號；i g—經過擾動補償后的控制信號 圖2　ADRC電流回路結構圖

電流回路的離散域ADRC控制算法為

(6)

(7)

(8)

fal為最優綜合控制函數，表達式為

(9)

式中:h——離散計算步長；

α——非線性因子；

β01、β02——跟蹤誤差校正系數；

β1——輸入增益；

δ——濾波因子。

3試驗情況分析

以汽車起動機QDJ2532B為測試對象，根據上述計算公式和表1中起動機物理參數，并根據參數設置經驗設置和修正各模塊的參數，如表2所示。

表1　起動機物理參數

表2　ADRC設置參數

測試試驗平臺如圖3所示，以PC104規格的x86架構工業PC為控制系統核心，擴展研華多功能PCI總線的高速數據采集卡PCI1712HG，外圍開關量控制采用PLC。操作系統平臺為Windows7，主控軟件采用VC++2005開發，數據采樣周期為1ms。

圖3　測試系統試驗平臺

為了驗證系統的性能，分別做了起動性能測試和抗干擾性能測試。

圖4(a)、4(b)調節目標是轉速3500r/min、電流90A情況下分別采用雙ADRC和雙PID控制器所對應的轉速、電流波形。

從圖4看出，PID調節的電流、轉速在1.9s達到穩態，最大超調量為98A、3887r/min；ADRC調節器在1.5s達到穩態，最大超調量為94A、3510r/min。

圖5(a)、5(b)是在起動控制完成后，在2s時刻突加時長為0.1s的3N·m的擾動力矩，測試系統分別采用ADRC和PID得到的轉速和電流曲線。

圖4　轉速、電流起動測試響應曲線

圖5　轉速、電流擾動測試響應曲線

PID控制器再次達到穩定的調節時間為0.4s，最大超調量為95A、3794r/min；ADRC的調節時間為0.3s，最大超調量為92A、3524r/min。可以看出，當外部干擾較大時，PID控制很難達到恒流、恒速精度要求，而ADRC則可以將被控量穩定在1%范圍內。

ADRC與PID控制相比，具有超調量更小、過渡時間更短、調節速度更快等優點，能更好地保證測試過程能在更短的時間內完成，以更好地保護起動機、提高測試效率和測試精度。

4結語

將ADRC控制器應用于汽車起動機測試系統，通過雙ADRC調節器結構成功實現對速度環和電流環的解耦控制。試驗測試表明ADRC控制器的性能明顯優于PID控制器，具有動態響應快、調速范圍寬和抗擾動能力強等特點，大幅提高了起動機測試系統精度和效率。

【參 考 文 獻】

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