基于負載觀測的永磁電機驅動系統自抗擾控制

蓋江濤 黃守道 黃 慶 王 輝

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基于負載觀測的永磁電機驅動系統自抗擾控制

蓋江濤1,2,3黃守道1黃 慶1王 輝1

（1. 湖南大學國家電能變換與控制工程技術研究中心 長沙 410082 2. 北京電動車輛協同創新中心 北京 100081 3. 中國北方車輛研究所車輛傳動重點實驗室 北京 100072）

針對永磁同步電機（PMSM）的車輛驅動系統在負載變化過程中轉速受到較大影響的問題，結合自抗擾控制器（ADRC），采用對負載擾動進行觀測并補償來抑制外部擾動的方法，設計了基于負載觀測的二階ADRC速度控制系統。對負載觀測ADRC的控制方程進行了推導，并將負載觀測控制量作為速度環的補償控制輸入。同時與未加入負載擾動的ADRC系統作對比研究。仿真與實驗結果表明，帶有負載觀測的ADRC調速系統具有更強的抗擾動能力，提高了PMSM變頻調速系統的動態穩定性能和響應能力，證明了帶有負載觀測的ADRC控制系統能夠更好地滿足電傳動履帶車輛的控制系統要求。

永磁同步電機 負載觀測 自抗擾控制器 調速系統

0 引言

驅動電機及其控制系統是發展電傳動履帶車輛的核心部件，直接為電傳動履帶車輛提供動力，對整個方案的牽引特性起著決定性作用。高功率密度、高效率及高可靠性的永磁同步電機[1]是先進、高效電傳動履帶車輛電力推進裝置成敗的關鍵所在。

永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）的控制策略使系統向智能化發展，新穎非線性控制策略有自抗擾控制[2]、混合滑?？刂芠3]、模糊神經網絡控制[4]、預測控制[5]等，能夠改善驅動系統的性能。在車輛系統的特殊環境下，負載突變嚴重影響系統的動態性能。因此，需要采用相應的控制方法抑制外部擾動，采用負載轉矩觀測器能夠有效地解決這一問題。文獻[6,7]采用Luenberger負載轉矩觀測器和基于Kalman濾波器的負載轉矩觀測器分別對負載轉矩進行觀測，并對參考轉矩前饋補償，提高了轉速的控制性能，但是在控制策略上并未替代PID控制思想，且Luenberger和Kalman觀測器在實際程序實現中容易造成數據丟失，導致系統不穩定。文獻[8]在全維觀測器設計方法上，提出一種基于降階負載擾動觀測器的PMSM電流前饋補償控制方法，獲得了較好的轉速控制性能，但其狀態方程仍以機械轉速和負載轉矩為狀態變量，且運用復雜的迭代運算計算轉動慣量來修正負載觀測器，計算較繁瑣，難以實現。文獻[9]為了減小負載轉矩擾動，采用指數趨近方式設計滑模速度控制器，并將觀測的負載轉矩進行前饋補償，以克服負載時變對控制性能的影響，但是由于滑?？刂崎_關的切換動作所造成的控制不連續性，抖振現象無法避免，只能達到減小抖振的目的。文獻[10]采用一種新的負載轉矩降階觀測器設計方法，將觀測到的負載轉矩成比例地前饋補償，實現滑模抗擾動自適應控制，提高了負載擾動時調速系統的響應速度，然而在實際調速系統中仍然存在顫振現象。

自抗擾控制器通過對系統內部、外部擾動的實時估計和補償，結合非線性控制策略，可以得到更好的動靜態性能，具有更強的魯棒性和適應性。當負載大范圍變化時，通過觀測系統負載的突變，根據系統的響應偏差進行補償，同時考慮轉動慣量對自抗擾控制器（Active Disturbance Rejection Controller, ADRC）負載轉矩觀測器的影響，對轉動慣量、摩擦力等不確定因素用擴張狀態觀測器（Extended State Observer，ESO）進行辨識[11,12]，結合非線性反饋控制律組合成積分器串聯型系統。

本文研究利用ADRC設計的負載觀測器，將電傳動履帶車輛的PMSM調速系統的負載觀測器與ADRC相結合，針對負載擾動進行前饋補償，ESO只估測未被補償的擾動量，同時建立被控對象的部分模型，既達到負載觀測的目的，又使ADRC具有更好的抗負載擾動的能力。經過系統仿真和實驗分析表明，本文設計的系統能夠有效抑制負載變化對轉速的影響，同時與未引入負載觀測系統作對比，證明了自抗擾控制系統在車輛驅動中具有更好的使用效果。

1 速度環控制數學模型

交流PMSM的數學模型是一個多變量、非線性和強耦合系統。該系統采用三相正弦波電流驅動的隱極式轉子SPMSM為被控對象，，由此構成的調速系統采用矢量控制策略，在各物理量設定的正方向坐標系中，PMSM的運動方程為[13-15]

2 基于負載觀測PMSM調速ADRC設計

2.1 ADRC的數學模型

ADRC由跟蹤微分器（Tracking Differentiator，TD）、ESO和非線性狀態誤差反饋控制律（Nonlinear States Error Feedback，NLSEF）三部分組成。由于PMSM調速系統可以看成二階離散系統，因而將電流轉速環整合成一個二階ADRC速度控制系統。通過速度反饋和負載觀測值得到部分系統模型，將部分擾動項補償到ESO中，同時與NLSEF對總擾動的補償一起組成控制量，實現反饋量對參考量的 跟蹤。

通過ADRC控制算法將PMSM的二階自抗擾控制器設計如下。

（1）TD方程為

（2）ESO方程為

（3）NLSEF方程為

至此，可設計出二階速度電流環自抗擾控制器結構，如圖1所示。

圖1 二階自抗擾控制器結構

2.2 負載觀測PMSM調速ADRC設計

為了抑制外部擾動（如負載突變及摩擦力）和內部擾動（如轉動慣量變化）等因素給車輛調速系統帶來的影響，采用ADRC對PMSM的負載進行觀測，同時對速度環進行調節。通過式（1）～式（5）得出PMSM二階轉速方程為

令

則式（10）可簡化為

根據交流永磁電機的輸出狀態方程可知，在沒有負載轉矩即空載運行狀態下，有

為方便運算先省去極對數在式（14）中的值，通過Laplace變換可得

對式（7）采用線性化形式，簡化成線性擴張狀態觀測器（Linear Extended State Observer, LESO），將非線性函數轉化為線性函數即，則

圖2 控制系統結構框圖

3 仿真

本文對自主研發的變頻調速控制系統進行了控制系統數字化實現，利用Matlab/Simulink對控制系統進行了數字仿真，永磁同步電機參數見表1。

表1 永磁同步電機參數

Tab.1 PMSM parameters

仿真工作主要對比采用負載觀測前、后ADRC控制系統的電流和轉矩波形，給定轉速為6 000r/min，空載啟動，在0.5s時加入負載轉矩。仿真結果如圖3和圖4所示。

（a）未引入負載觀測

（b）引入負載觀測

圖3 ADRC系統相電流波形對比

Fig.3 Comparison of ADRC system phase current waveforms

從圖3可知，在未加入負載觀測的情況下，電流波形產生了畸變，由于負載觀測ADRC的設計補償量的作用，使得加入負載觀測后諧波含量明顯降低，也保證了在圖4的電機轉矩波形的對比中，加入負載觀測的ADRC調速系統的轉矩脈動更小，對于速度控制系統轉速的影響也更小，使轉速更加平穩、轉速恢復時間更快。這表明負載觀測ADRC調速系統抗負載突變的能力更強，并且該控制策略具有更好的動態穩定性能，適于車輛驅動系統。

（a）未引入負載觀測

（b）引入負載觀測

圖4 系統轉矩波形對比

Fig.4 Comparison of system torque waveforms

圖5 系統的高轉速響應波形對比

4 實驗

電機實驗平臺如圖6所示，系統采用11.3kW的PMSM作為被控對象，通過扭矩功率測量儀測試轉矩、功率、轉速等參數，最終與母線回饋變頻驅動加載實驗臺相連，進行空載和負載實驗。實驗對比分析了采用負載觀測前、后的ADRC驅動系統的控制性能，在示波器和CCS調試軟件中可以觀測實時的轉速和電流實驗波形。

圖6 實驗平臺

載波頻率為7.5kHz，PMSM控制器采用內置軟件示波器，實時監控PMSM調速系統，電機空載起動并達到額定轉速=6 000r/min。在約60ms時，給ADRC電機調速系統突加負載5N·m，實驗波形如圖7所示。由圖7可知，在未引入負載觀測的ADRC調速系統中，轉速的跌落幅度較大，且恢復時間長；在加入負載觀測的ADRC調速系統中，通過對負載擾動的觀測，并實時進行有效的負載轉矩補償，能夠及時地減弱突加負載帶來的外部擾動，使調速系統穩定性能更好，即具有更好的負載擾動抑制效果。

（a）未引入負載觀測

（b）引入負載觀測

圖7 突加負載轉速實驗波形對比

Fig.7 Comparison of experimental speed waveforms under sudden change of load

圖8是電機在帶載起動且保持增速的狀態下，用示波器觀測電機轉速和轉矩的波形對比?？擅黠@看出，電機帶載起動到達轉速=3 000r/min時，在未引入負載觀測ADRC調速系統中，電磁轉矩脈動較大，且轉速受實驗參數影響明顯，在轉速到達額定轉速=6 000r/min時，轉速產生超調，轉矩波形的諧波也較多；相比之下，引入負載觀測的ADRC調速系統在帶載起動時也能保持較好的穩態性能，波形穩態波動很小，能達到轉速平穩，滿足超調小的性能要求。

（a）未引入負載觀測

（b）引入負載觀測

圖8 帶負載起動時轉速和轉矩實驗波形對比

Fig.8 Comparison of experimental waveforms of starting speed and torque with load

圖9是在兩種調速控制系統中，在速度給定為-200～200r/min的正弦波情況下實驗波形對比。實驗中ADRC調速系統帶小負載起動，且負載保持不變。在有負載觀測的ADRC控制系統中，動態響應性能較好，波形未出現遲滯現象；相比之下，未加入負載觀測的ADRC系統，受外部負載擾動的影響較大，轉速波形在一定程度上出現畸變，受實驗參數變化的影響較明顯。因此對于電傳動履帶車輛調速系統來說，利用負載觀測的ADRC控制系統可很好地抑制外部負載擾動的影響，能在實際運行過程中達到很好的速度控制性能。

（a）未引入負載觀測

（b）引入負載觀測

圖9 速度給定為-200～200r/min的正弦波，電機轉速實驗波形對比

Fig.9 Comparison of experimental PMSM speed waveforms at-200～200r/min sinusoid

5 結論

本文通過自抗擾控制器實現了負載觀測，并將其應用于永磁電機驅動系統中，與典型ADRC調速系統相比，得出以下結論：

1）針對典型ADRC調速系統存在的問題，用控制系統的負載觀測部分對電機負載擾動進行辨識，得到了具有實際補償價值的擾動模型并引入到線性擴張狀態觀測器。

2）通過優化非線性狀態誤差反饋控制律進行補償，設計出具有負載觀測的二階ADRC控制系統，有利于滿足交流永磁伺服電機的高性能調速系統 要求。

3）簡化了系統的控制結構，在保證系統動態性能的同時，增強了系統的穩定性。仿真和實驗結果證明，采用負載觀測優化ADRC復合控制策略，在電傳動履帶車輛控制系統領域能夠得到更好的應用。

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Active-Disturbance Rejection Controller for Permanent Magnet Motor Drive System Control Based on Load Observer

1,2,3111

（1. National Engineering Research Center of Energy Conversion and Control Hunan University Changsha 410082 China 2. Collaboration Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing Beijing 100081 China 3. Science and Technology on Vehicle Transmission Laboratory China North Vehicle Research Institute Beijing 100072 China）

As the speed will be greatly influenced by the variation of load in permanent magnet synchronous motor (PMSM) vehicle driving system, a two-order active disturbance rejection controller (ADRC) speed control system based on load observer is designed. The control system is combined with ADRC to observe and compensate load disturbance, which can suppress external disturbance. The control equation of ADRC governing system with load observer is deduced, and the load observe control volume is established as the compensation input of speed loop. Besides, it is compared with ADRC system without load disturbance. Simulation and experimental results show that ADRC governing system with load observer has stronger ability of anti-interference, and the dynamic performance and the response performance of PMSM frequency control system have improved. ADRC control system with load observer can better satisfy the control requirements of electric vehicle.

Permanent magnet synchronous motor, load observer, active disturbance rejection controller, speed modulation system

TM351

蓋江濤 男，1981年生，博士研究生，研究員，研究方向為車輛電傳動、特種電機及其控制。

E-mail: jiangtaogai@163.com

黃守道 男，1962年生，教授，博士生導師，研究方向為電力電子傳動裝置及其控制、特種電機及其控制。

E-mail: shoudaohuang@tom.com（通信作者）

2014-08-01 改稿日期 2015-11-01

國家自然科學基金（51377050）和國家“十二五”科技支撐計劃重點項目（2012BAZ02072）資助。