基于負(fù)載擾動觀測器的永磁同步電機(jī)預(yù)測控制研究

徐婧玥，孫西龍，趙 蔚，楊永常，劉永強(qiáng)

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

0 引 言

永磁同步電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)性能好、效率高、過載能力強(qiáng)等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、交通運(yùn)輸、航空航天等領(lǐng)域。然而，永磁同步電機(jī)還存在著與電磁轉(zhuǎn)矩、定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈等類似的耦合、外部擾動、參數(shù)攝動等不利因素，導(dǎo)致系統(tǒng)靜、動態(tài)性能下降。傳統(tǒng)的雙閉環(huán)PI控制已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代高精度、高穩(wěn)定度的控制要求，因此近年來圍繞永磁同步電機(jī)的控制開展了大量的研究工作，促使其朝著大功率化、高功能化與微型化的方向發(fā)展。

1 永磁同步電機(jī)預(yù)測控制相關(guān)概述

永磁同步電機(jī)具有極為簡化的電機(jī)結(jié)構(gòu)，且運(yùn)行可靠性相對較高。永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

結(jié)合圖1，永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要包含了永磁同步電機(jī)、功率驅(qū)動單元、轉(zhuǎn)子位置檢測器、控制器以及反饋單元。在對永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制的過程中，需要重點(diǎn)考慮四個(gè)方面的問題，即控制策略能否對電流指令做出快速響應(yīng)，如果有外界負(fù)載擾動能否快速恢復(fù)設(shè)定值，對于電機(jī)定轉(zhuǎn)子參數(shù)設(shè)定產(chǎn)生敏感性，該過程在實(shí)際環(huán)境中的實(shí)現(xiàn)難度。

預(yù)測控制于20世紀(jì)70年代中后期產(chǎn)生?，F(xiàn)階段，預(yù)測控制已經(jīng)在工業(yè)過程控制、能源產(chǎn)業(yè)、航天產(chǎn)品和機(jī)器人等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它主要是對系統(tǒng)預(yù)測模型輸出與實(shí)際輸出的誤差進(jìn)行利用，并反饋、校正控制系統(tǒng)，利用在線滾動優(yōu)化，使系統(tǒng)得到合理控制，進(jìn)而提升系統(tǒng)魯棒性，實(shí)現(xiàn)較好的綜合控制效果。在電機(jī)控制與電力電子控制領(lǐng)域中，預(yù)測控制算法主要可以分為非線性模型預(yù)測控制算法和線性預(yù)測控制算法兩種類型。

預(yù)測控制算法結(jié)構(gòu)具有一定的相似性，主要可分為三個(gè)組成部分。（1）預(yù)測控制。預(yù)測控制是一種建立在模型基礎(chǔ)上的控制算法，需要構(gòu)建對對象動態(tài)行為進(jìn)行描述的基礎(chǔ)模型，以將一定的先驗(yàn)信息提供給預(yù)測控制。依照此類信息，可以確定控制輸入形式，并有效預(yù)測過程輸出。（2）反饋校正。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在著多種隨機(jī)干擾，可能會影響預(yù)測模型輸出與實(shí)際輸出的一致性。因此，需要積極修正開環(huán)預(yù)測模型。利用反饋校正的方法，可以有效克服系統(tǒng)的不確定因素影響，從而降低系統(tǒng)基礎(chǔ)模型的要求。（3）滾動優(yōu)化。在預(yù)測控制過程中，需要依照性能指標(biāo)最優(yōu)性原則，對未來某段時(shí)域進(jìn)行滾動優(yōu)化。隨著時(shí)間的變化，優(yōu)化目標(biāo)也會發(fā)生變化[1]。

2 基于負(fù)載擾動觀測器的永磁同步電機(jī)預(yù)測控制設(shè)計(jì)與仿真

2.1 預(yù)測控制設(shè)計(jì)

2.1.1 龍伯格觀測器設(shè)計(jì)

狀態(tài)觀測器是可以讓狀態(tài)重構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)的新系統(tǒng)。新系統(tǒng)中，輸入信號為原系統(tǒng)可直接測量的信息。在一定規(guī)律下，它和原系統(tǒng)參數(shù)變量存在等價(jià)關(guān)系。將重構(gòu)狀態(tài)向量維數(shù)和被控對象狀態(tài)向量維數(shù)進(jìn)行比較，可以將其分為降階狀態(tài)觀測器和全維狀態(tài)觀測器兩種類型。本文中，主要對一種降階龍伯格觀測器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

負(fù)載出現(xiàn)變化時(shí)，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速會受到干擾，影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。利用狀態(tài)空間表示法，通過電機(jī)狀態(tài)變量重構(gòu)，可以對狀態(tài)觀測器進(jìn)行構(gòu)建。使用觀測器可以估計(jì)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變量，完成系統(tǒng)補(bǔ)償工作，提升電機(jī)控制系統(tǒng)性能?？刂葡到y(tǒng)中，利用離散速推方法可以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)觀測器的數(shù)字化控制。結(jié)合永磁同步電機(jī)機(jī)械運(yùn)動方程，假設(shè)系統(tǒng)速度環(huán)采樣周期為T，電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量為J，電機(jī)摩擦系數(shù)為B，電機(jī)交軸電流為，觀測轉(zhuǎn)速為，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為ωr，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為，則其轉(zhuǎn)速和負(fù)載觀測值遞推為：

電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩電流指令值為觀測器輸入部分，觀測負(fù)載轉(zhuǎn)矩為輸出部分，據(jù)此可以設(shè)計(jì)負(fù)載觀測器，進(jìn)而設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)。在永磁同步電機(jī)預(yù)測控制系統(tǒng)中，內(nèi)環(huán)主要利用無差拍電流預(yù)測控制方法，外環(huán)主要利用降階龍伯格觀測器速度模型預(yù)測控制方法。

2.1.2 內(nèi)?？刂朴^測器設(shè)計(jì)

內(nèi)?？刂票旧砭哂休^簡單的結(jié)構(gòu)和較少的在線調(diào)節(jié)參數(shù)，在電機(jī)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。設(shè)計(jì)內(nèi)?？刂朴^測器可以實(shí)現(xiàn)擾動補(bǔ)償，首先要構(gòu)造轉(zhuǎn)速環(huán)模型狀態(tài)方程，其次利用狀態(tài)反饋原理得到轉(zhuǎn)速環(huán)觀測器的控制律，最后利用極點(diǎn)配置法實(shí)現(xiàn)對觀測器參數(shù)的優(yōu)化，使負(fù)載擾動補(bǔ)償控制得以實(shí)現(xiàn)，提升系統(tǒng)的抗擾動性能。

IMC觀測器狀態(tài)方程為：

依照式（3）可以對觀測器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。和降階龍伯格觀測器相比，二者在結(jié)構(gòu)上具有相似性。此內(nèi)?？刂朴^測器可以有效提升負(fù)載擾動觀測形式的辨識收斂速度，改善補(bǔ)償控制效果。在負(fù)載擾動觀測器的永磁同步電機(jī)預(yù)測控制系統(tǒng)中，改進(jìn)了雙環(huán)預(yù)測控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)一致。外環(huán)主要利用內(nèi)模控制觀測器結(jié)合模型預(yù)測控制的方法，其中內(nèi)?？刂朴^測器負(fù)責(zé)前饋部分。

2.2 仿真分析

本文主要利用MATLAB/Simulink構(gòu)建基于負(fù)載擾動觀測器的永磁同步電機(jī)預(yù)測控制模型，并比較分析兩種觀測器的性能。仿真過程中，將常規(guī)預(yù)測控制與基于擾動補(bǔ)償預(yù)測控制進(jìn)行對比。為保證觀測器觀測精度與動態(tài)響應(yīng)，進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)。在龍伯格觀測器所在系統(tǒng)中，選擇其反饋增益參數(shù)h1=102，h2=-0.38；在內(nèi)模控制觀測器所在系統(tǒng)中，其反饋增益參數(shù)k1=-0.000 1，k2=-0.008。

在電機(jī)空載啟動后，在給定轉(zhuǎn)速為800 r/min條件下運(yùn)行。在0.02 s與0.03 s時(shí)，電機(jī)突加負(fù)載10 N·m、5 N·m。無負(fù)載擾動時(shí)，三種控制方法轉(zhuǎn)速響應(yīng)仿真曲線如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)速響應(yīng)仿真曲線

負(fù)載擾動時(shí)，三種控制方法轉(zhuǎn)速仿真曲線如圖3所示。

圖3 負(fù)載擾動時(shí)三種控制方法轉(zhuǎn)速仿真曲線

結(jié)合圖2、圖3發(fā)現(xiàn)，兩種基于負(fù)載擾動觀測器的永磁同步電機(jī)預(yù)測控制系統(tǒng)，均可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)、無超調(diào)目標(biāo)。觀測轉(zhuǎn)矩可以對實(shí)際負(fù)載擾動變化進(jìn)行全面跟蹤，但內(nèi)?？刂朴^測器所在控制系統(tǒng)具有更快的響應(yīng)速度和更小的狀態(tài)估計(jì)誤差。觀察加入負(fù)載擾動后的轉(zhuǎn)速曲線發(fā)現(xiàn)，在沒有負(fù)載觀測器引入的條件下，負(fù)載擾動會對常規(guī)預(yù)測控制方法造成較大的轉(zhuǎn)速波動，且具有較長的動態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間。在引入觀測器后，擾動補(bǔ)償控制信號得到輸出，可以有效抑制因負(fù)載突變導(dǎo)致的速度波動，有效改善動態(tài)響應(yīng)性能，具有良好的抗擾動效果。本文介紹的兩種基于負(fù)載擾動觀測器的永磁同步電機(jī)預(yù)測控制系統(tǒng)均可以降低轉(zhuǎn)矩脈動，使電機(jī)速度具有良好的魯棒性，綜合控制效果相對較好，證明了負(fù)載擾動觀測器預(yù)制控制方法的有效性與可行性[2]。

3 基于負(fù)載擾動觀測器的永磁同步電機(jī)預(yù)測控制具體實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 硬件設(shè)計(jì)

永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)主要包含驅(qū)動電路、控制電路、功率主電路、信號檢測與調(diào)理電路。在本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，驅(qū)動電路可以實(shí)現(xiàn)變頻；控制電路核心為TMS320F2812控制芯片，可以實(shí)現(xiàn)具體算法；功率主電路主要包含智能功率模塊和三相整流模塊；信號檢測與調(diào)理電路主要包含電流檢測電路、增量式光電編碼器以及故障檢測保護(hù)電路等部分。在該系統(tǒng)中，三相交流電源負(fù)責(zé)對其主電路進(jìn)行供電，在二極管整流、母線電容濾波、穩(wěn)壓后得到直流母線電壓，利用逆變模塊，結(jié)合電壓需求量，將直流電轉(zhuǎn)化為三相交流電對電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。增量式光電編碼器可以對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)定位。在信號調(diào)理電路處理電流傳感器與直流母線電壓輸出信號后，可以實(shí)現(xiàn)信號電平匹配，進(jìn)而得到DSP主控制器采樣口的反饋。利用JTAG接口，上位機(jī)可以把編寫好的程序下載至芯片。利用SCI串口通信，電機(jī)運(yùn)行中可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和DSP的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與實(shí)時(shí)通信。圖4為永磁同步電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

3.1.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)中，控制器主要使用C語言進(jìn)行編程，主要分為兩個(gè)部分。（1）主程序。在主程序中，可以初始化處理系統(tǒng)寄存器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟動、開串口接收中斷與等待中斷等，流程可以概括為：系統(tǒng)初始化→外設(shè)模塊初始化→子程序模塊初始化→開中斷→循環(huán)等待。（2）中斷子程序。中斷子程序用于完成系統(tǒng)控制算法，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中占有核心地位。利用中斷子程序，可以對電機(jī)電流、速度進(jìn)行采樣，同時(shí)檢測轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)調(diào)制算法，流程可以概括為：關(guān)閉中斷保護(hù)現(xiàn)場→電流位置采樣與ADC轉(zhuǎn)換→Clarke變換→判斷速度采樣時(shí)間→Park變換→交直軸電流PI調(diào)節(jié)器→Park逆變換→SVPWM波生成→開中斷現(xiàn)場恢復(fù)→中斷返回。如果速度采樣時(shí)間到判斷為Y，那么需要進(jìn)行速度采樣與轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)后才能進(jìn)行Park變換[3]。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)中，永磁同步電機(jī)功率額定值為3 kW，直流母線電壓額定值為380 V，極對數(shù)為4，定子電感為5.25×10-2H，定子電阻為0.958 5 Ω，轉(zhuǎn)矩為10 N·m，轉(zhuǎn)動慣量為6.329×10-4，永磁體磁鏈為0.182 7 Wb，摩擦系數(shù)為 3×10-6[N·m·（s·rad-1）]。該實(shí)驗(yàn)分析了永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速與電流雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，通過觀察波形的同一相位的上下橋臂IPM驅(qū)動信號波形、DSP輸出3.3 V脈沖信號，得到了經(jīng)過驅(qū)動電路放大的SVPWM波形。

SVPWM生成模塊具有100 μs的驅(qū)動信號周期，與預(yù)先設(shè)置的10 kHz開關(guān)頻率相符，具有10 μs死區(qū)時(shí)間，滿足死區(qū)時(shí)間大于2.5 μs的要求；可確定包含高速光電耦合器的驅(qū)動電路能夠放大至15 V，可滿足驅(qū)動要求和IPM實(shí)現(xiàn)要求，因此永磁同步電機(jī)可實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

對3.3 V脈沖信號進(jìn)行輸出，在驅(qū)動電路放大后，可以發(fā)現(xiàn)高速光電耦合器驅(qū)動電路放大到了15 V，滿足驅(qū)動要求，實(shí)現(xiàn)了IPM逆變，此時(shí)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)依然正常。利用傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器開展轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制試驗(yàn)，電機(jī)具有800 r/min給定轉(zhuǎn)速。觀察示波器發(fā)現(xiàn)，電機(jī)在空載啟動11 ms后達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，之后平穩(wěn)運(yùn)行。通過試驗(yàn)可以證明，本文介紹的基于負(fù)載擾動觀測器的永磁同步電機(jī)預(yù)測控制方法在動態(tài)響應(yīng)、調(diào)速性能上表現(xiàn)良好，但轉(zhuǎn)速因?yàn)殡姍C(jī)結(jié)構(gòu)并非完全對稱而存在一定的細(xì)微波動[4]。

4 結(jié) 論

綜上所述，利用龍伯格觀測器設(shè)計(jì)、內(nèi)?？刂朴^測器設(shè)計(jì)的基于負(fù)載擾動觀測器的永磁同步電機(jī)預(yù)測控制，在仿真分析與實(shí)際應(yīng)用中均能起到較好的應(yīng)用效果，可以降低外部擾動對系統(tǒng)的不利影響，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出對期望輸出信號的高精度跟蹤，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。