線性自抗擾控制在電動(dòng)汽車異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

崔傳真，何　維，黃紅生，謝積錦，張圓圓

（欽州學(xué)院廣西高校臨海機(jī)械裝備設(shè)計(jì)制造及控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，廣西欽州535000）

線性自抗擾控制在電動(dòng)汽車異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

崔傳真，何維，黃紅生，謝積錦，張圓圓

（欽州學(xué)院廣西高校臨海機(jī)械裝備設(shè)計(jì)制造及控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，廣西欽州535000）

通常采用矢量控制結(jié)合效率最優(yōu)原則來提高電動(dòng)汽車異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。但效率優(yōu)化系統(tǒng)由于各種干擾等不確定因素的存在，很難實(shí)現(xiàn)基于電機(jī)模型的準(zhǔn)確解耦，嚴(yán)重影響磁通和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)性能。為此，設(shè)計(jì)了異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的二階線性自抗擾控制器。線性自抗擾控制器不依賴系統(tǒng)的精確模型，利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)出電機(jī)模型中的內(nèi)擾和外擾并加以補(bǔ)償。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與經(jīng)典的PI控制器相比線性自抗擾控制器在效率優(yōu)化的異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，具有更好的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性能。

電動(dòng)汽車；異步電機(jī)；效率優(yōu)化；線性自抗擾控制器

續(xù)駛里程不足是電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸，為解決這個(gè)問題必須最大限度地提高其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率。目前，異步電機(jī)被廣泛的應(yīng)用在電動(dòng)汽車中，通常采用矢量控制結(jié)合效率最優(yōu)原則來達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的，其本質(zhì)都是在輕載時(shí)降低電機(jī)磁通水平以減小鐵心損耗的方法來實(shí)現(xiàn)效率的提升［1］。但在效率優(yōu)化時(shí)存在電機(jī)磁鏈的變化以及電機(jī)參數(shù)時(shí)變等多種不確定因素的影響，使得系統(tǒng)的抗干擾能力減弱、魯棒性降低，另外系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也會(huì)明顯降低。因此，對(duì)系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)提出了較高要求。

自抗擾控制（ADRC）不依賴系統(tǒng)模型，能實(shí)時(shí)估計(jì)并補(bǔ)償各種外擾和內(nèi)擾，使系統(tǒng)線性化為積分串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，獲得良好的控制品質(zhì)［2-3］。線性自抗擾控制器是對(duì)自抗擾控制器進(jìn)行線性化處理，同樣可以得到優(yōu)良的控制性能，并且參數(shù)較少，計(jì)算簡(jiǎn)單［4］。本文分析了異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率損耗，建立了考慮鐵損的模型，設(shè)計(jì)了效率優(yōu)化異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的線性自抗擾控制器，并與PID控制器進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制器的有效性。

1　自抗擾控制器和線性自抗擾控制器概述

1.1自抗擾控制器

自抗擾控制器（Active disturbance rejection control，ADRC）由擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（Extended state observer，ESO）、跟蹤微分器（Tracking differentiator，TD）和非線性狀態(tài)誤差反饋控效率（Non linearextended state observer，NLSO）三部分組成，它是一種基于TD處理參考輸入，ESO估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)、模型和外擾，實(shí)施NSEF控制的非線性控制器。對(duì)于二階控制系統(tǒng)：

其中，

ω（t）是外部擾動(dòng)；

f（t，x，x˙，w（t））是內(nèi)部與外部擾動(dòng)之和；

u為控制量；

b為控制量增益；

y為對(duì)象輸出；

v0為對(duì)象輸入。

(3)表述不同,即存在指代的兩個(gè)要素在文字表達(dá)上不同,兩個(gè)要素間可能一個(gè)是另一個(gè)的別名,或者根據(jù)上下文,兩個(gè)要素都指向同一個(gè)實(shí)體,例如“中華人民共和國(guó)”←“中國(guó)”,“修理巷道的20名礦工”←“被困人員”;

二階系統(tǒng)的ADRC控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　自抗擾控制器結(jié)構(gòu)圖

自抗擾控制算法中需要整定的參數(shù)有很多，這些參數(shù)的確定是一個(gè)繁雜的過程，目前還沒有形成系統(tǒng)的整定方法，不利于工程實(shí)際應(yīng)用［5］。

1.2線性自抗擾控制器

自抗擾控制器三個(gè)組成部分均采用非線性函數(shù)，可對(duì)其進(jìn)行線性簡(jiǎn)化，得到同樣性能優(yōu)良的控制器［6］。并且參數(shù)較少，計(jì)算簡(jiǎn)單。簡(jiǎn)化的線性自抗擾控制器形式如下：

對(duì)于像（1）式的二階不確定靜止對(duì)象的狀態(tài)方程為：

其中：x3=f是未知的被擴(kuò)張的狀態(tài)變量，h=f˙，b0≈b，不確定項(xiàng)f可由擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)出來。

狀態(tài)觀測(cè)器的各狀態(tài)變量zi（t）（i=1，2，3）是對(duì)xi（t）的跟蹤，即

取u=（-z3+u0）/b0，忽略z3（t）對(duì)f（t，y，y˙，ω（t））的估計(jì)誤差，則可簡(jiǎn)化為一個(gè)雙積分串聯(lián)模型：y¨＝（f-z3）+u0≈u0

PD控制器：

簡(jiǎn)化的LADRC的優(yōu)點(diǎn):不需要具體的數(shù)學(xué)模型、積分環(huán)節(jié)就能實(shí)現(xiàn)無靜差，避免了積分反饋的負(fù)作用。除此之外，LADRC的參數(shù)大大減少，只需調(diào)節(jié)L1，L2，L3，kP，kD，b0即可。

2　基于線性自抗擾控制器的效率優(yōu)化異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1考慮鐵損的異步電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型[8]

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的效率優(yōu)化是尋求電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)本身銅損和鐵損的某種平衡，使電機(jī)的總損耗最小化。但通用的數(shù)學(xué)模型是忽略鐵損的，這樣會(huì)阻礙控制精度的提升。基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向理論，考慮鐵心損耗的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型可表示為

其中：Tr=Lr/Rr，Ts=Ls/Rs

式中：Lm為定轉(zhuǎn)子之間的互感；Ls，Lr為定轉(zhuǎn)子之間的漏感；Rs，Rr為定轉(zhuǎn)子電阻；ω1，ωr為同步轉(zhuǎn)速和異步電機(jī)轉(zhuǎn)速；imd，imq，ifed，ifeq為d、q軸勵(lì)磁電流和鐵損等效繞組電流；ψr，ψsd，ψsq為轉(zhuǎn)子總磁鏈和d、q軸定子磁鏈；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；usd，usq為定子側(cè)d、q軸電壓。

異步電機(jī)損耗功率：

在一定的轉(zhuǎn)子角頻率ωr和一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩條件下，電動(dòng)機(jī)的可控?fù)p耗與轉(zhuǎn)子磁鏈ψr的大小有關(guān)。對(duì)ψr求偏導(dǎo)

令式（8）等于零，可得到不同轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速情況下的最優(yōu)磁鏈

由式（9）可以看出，在電機(jī)在輕載效率優(yōu)化控制時(shí)，其轉(zhuǎn)子磁鏈明顯下降，轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度也會(huì)變慢，影響電動(dòng)汽車異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。必須使用抗干擾能力強(qiáng)的控制器，本文使用線性自抗擾控制器，可以實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦。

2.2異步電機(jī)的線性自抗擾控制

由式（8）可以看出，考慮鐵損的異步電機(jī)動(dòng)態(tài)方程中含有交叉耦合項(xiàng)，使得異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈互相影響，使系統(tǒng)的控制品質(zhì)下降。根據(jù)異步電機(jī)各勵(lì)磁電流之間的關(guān)系：

可將異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為線性自抗擾控制器的標(biāo)準(zhǔn)模型。

（1）磁鏈子系統(tǒng)

（2）轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)

2.3電動(dòng)汽車異步電機(jī)效率優(yōu)化線性自抗擾控制系統(tǒng)

本文采用兩個(gè)二階自抗擾控制器分別控制磁鏈和轉(zhuǎn)速。采用自抗擾控制器的異步電機(jī)效率優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　基于線性自抗擾控制器的效率優(yōu)化異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

3　實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究

線性自抗擾控制器的參數(shù)采用免疫遺傳算法，選擇種群大小為100，交叉概率為Pc＝［0.5，0.7］，變異概率Pm＝［0.1，0.2］，群體更新代數(shù)為50.

實(shí)驗(yàn)1：仿真開始時(shí)，n=960 r/min，ψr=0.8Wb.輕載啟動(dòng)，在t=1.2 s時(shí)啟動(dòng)效率優(yōu)化控制算法，仿真時(shí)間為5 s.電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈如圖3和4所示。由圖3可見，轉(zhuǎn)速響應(yīng)迅速，很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，穩(wěn)態(tài)誤差較小。由圖4可見，在采用效率優(yōu)化控制算法后，轉(zhuǎn)子磁鏈明顯降低，但狀態(tài)擴(kuò)張觀測(cè)器可以使轉(zhuǎn)子磁鏈快速跟蹤優(yōu)化的轉(zhuǎn)子磁鏈，誤差很小。

圖3　電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤波形

圖4　電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈跟蹤波形

實(shí)驗(yàn)2：線性自抗擾控制器和傳統(tǒng)PI控制器在異步電機(jī)效率優(yōu)化運(yùn)行控制系統(tǒng)中的對(duì)比研究。轉(zhuǎn)速為n=960 r/min，空載啟動(dòng)，在t=2 s時(shí)突加負(fù)載額定負(fù)載。轉(zhuǎn)速響應(yīng)如圖5所示，由圖可見，在負(fù)載擾動(dòng)下，線性自抗擾控制器比PI控制器對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)時(shí)間短，穩(wěn)態(tài)誤差小，電機(jī)的響應(yīng)較快。

圖5　轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線對(duì)比

4　結(jié)束語

電動(dòng)汽車異步電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，很難達(dá)到理想的控制效果。特別是在輕載時(shí)，電機(jī)的效率較低，采用效率優(yōu)化控制策略可以有效地提高系統(tǒng)的效率，達(dá)到節(jié)能的目的。但效率優(yōu)化的本質(zhì)是降低轉(zhuǎn)子磁鏈，引起電機(jī)響應(yīng)降低。本文使用線性自抗擾控制器，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)解耦，在效率優(yōu)化的同時(shí)提高電機(jī)的響應(yīng)速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的控制策略能兼顧電機(jī)的效率優(yōu)化和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，所設(shè)計(jì)的控制器的抗干擾能力優(yōu)于傳統(tǒng)的PI控制器，在電動(dòng)汽車異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中具有較好的應(yīng)用前景。

［1］楊耕，耿華，王煥鋼.一種考慮感應(yīng)電機(jī)動(dòng)態(tài)效率的轉(zhuǎn)矩控制策略［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20（7）：93-98.

［2］韓京清．從PID技術(shù)到“自抗擾控制”技術(shù)［J］．控制工程，2002，3（4）：13-18．

［3］TanYaolong，ChangJie，TanHualin.AdaptiveBackstep pingcontrolandfrictioncompensationforACservowithiner tiaandloaduncertainties［J］.IEEETransactionsonIE，2003， 50（5）：944-952.

［4］劉麗英.線性自抗擾控制策略在異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［D］.天津：天津大學(xué)，2010.

［5］SISakai，HYoichi．AdvantageofElectricMotorforAntiSkid ControlofElectricVehicle［J］.EPEJournal，2001，11（4）：26-32.

［6］李珂.電動(dòng)汽車高效快響應(yīng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

［7］朱麗玲，于希寧，劉磊，等.基于遺傳算法的ADRC參數(shù)整定及其應(yīng)用［J］.儀器儀表用戶，2005，12（4）：64-66.

［8］基于自抗擾控制器的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究［D］.湘潭：湖南科技大學(xué)，2007.

The application of Ladrc on Asynchronous Motor Drive System in Electric Vehicles

A bstracts: In order to extend the trip range of electric cars，achieve the goal of energy conservation and environmental protection，SPWM combined with the optimal efficiency is the usual method. But efficiency optimization system exists serious external disturbance and various nonlinear uncertainties，so the motor model decoupling can be difficult to achieve accurately. And the magnetic flux and torque dynamic performance is affected by seriously. In order to improve dynamic performance of induction motor speed control system，designed linear ADRC to replace PI controller in efficiency optimization of asynchronous motor. LADRC don't depend on the precise model of system，using ESO to estimates inner and outside disturb，at the same time to compensate. Simulation and experimental results show that，the LADRC has better dynamic performance and anti-interference performance than PI controller in efficiency optimization of asynchronous motor drive system. K ey w ords:electric cars；asynchronous motor；efficiency optimization；LADRC

CUI Chuan-zhen，HE Wei，HUANG Hong-sheng，XIE Ji-jin，ZHANG Yuan-yuan
（Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory Breeding Base of Coastal Mechanical Equipment Design，Manufacturing and Control，College of Physics and Electronic，Qinzhou University，Qinzhou Guangxi 535000，China ）

TP273

A

1672-545X（2016）06-0011-03

2016-03-10

廣西高校臨海機(jī)械裝備設(shè)計(jì)制造及控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地主任課題基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：GXLH 2014YB-03）；港口橋式起重機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究（編號(hào)：GXLH 2014ZD-02）。

崔傳真（1987-），女，山東棗莊人，碩士，助教，主要從事汽車控制系統(tǒng)研究。