永磁同步電動機(jī)自抗擾控制器設(shè)計(jì)

石一飛　沈宇桐　王玉

【摘 要】針對永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)存在的參數(shù)魯棒性差、抗負(fù)載擾動性能差的缺陷，基于自抗擾控制原理，設(shè)計(jì)一種可以取代經(jīng)典PI控制器的速度環(huán)自抗擾控制器，該控制器估計(jì)系統(tǒng)的總擾動并進(jìn)行前饋補(bǔ)償。Simulink仿真結(jié)果表明，自抗擾控制較常規(guī)PI控制有較好的動態(tài)性能及較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動能立和魯棒性。

【關(guān)鍵詞】自抗擾控制器；永磁同步電機(jī)；矢量控制；速度控制

永磁同步電機(jī)具有響應(yīng)快、效率高、轉(zhuǎn)矩慣性比大和運(yùn)行可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是高性能傳動和伺服系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最佳選擇之一，得到廣泛的應(yīng)用。如機(jī)械工具、工業(yè)機(jī)器人、航空、航天、特種機(jī)床等場合。永磁同步電機(jī)矢量控制的性能指標(biāo)主要通過速度環(huán)反映出來，要求速度控制調(diào)速范圍寬、響應(yīng)快、精度高，尤其是要求速度環(huán)控制對系統(tǒng)參數(shù)變化和負(fù)載擾動具有很強(qiáng)的魯棒性。傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)矢量控制方法借鑒早期的模擬式系統(tǒng)把速度環(huán)控制器設(shè)計(jì)為PI或者PID控制器，性能上滿足了工程應(yīng)用的基本要求，方法上簡單易行，獲得廣泛的應(yīng)用。但是電機(jī)本身是多變量、強(qiáng)耦合、非線性的控制對象，基于經(jīng)典控制理論的控制器在參數(shù)匹配良好的情況下性能良好，但是出現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)變化或者負(fù)載擾動，將導(dǎo)致系統(tǒng)控制性能性能下降，動態(tài)響應(yīng)和抗擾能力不能得到很好地兼顧。近些年各種非線性控制方案相繼出現(xiàn)，如人工智能、無源控制、滑?？刂啤⒎赐瓶刂频?，但是這些方法控制器往往較為復(fù)雜而且都是基于對象模型設(shè)計(jì)的，限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用。

自抗擾控制是20世紀(jì)90年代我國韓京清研究員吸取現(xiàn)代控制理論的成就和發(fā)揚(yáng)PID基于誤差反饋消除誤差控制精髓，提出的能夠替代PID控制技術(shù)的、不依賴被控對象精確模型的新型實(shí)用的數(shù)字控制技術(shù)，在化工、電力、航天等領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用。它將系統(tǒng)參數(shù)變化和外界擾動形成的總擾動通過觀測器觀測并進(jìn)行補(bǔ)償，具有很強(qiáng)的魯棒性，能較好的克服傳統(tǒng)PI控制器快速性和超調(diào)、快速性與抗擾動性能矛盾。鑒于自抗擾控制器需要整定的參數(shù)多、整定困難，本文采用Simulink仿真自抗擾控制算法，尋求自抗擾控制算法的參數(shù)整定方法，并與PI控制器進(jìn)行比較研究，驗(yàn)證方案的有效性。

1 自抗擾控制算法

自抗擾控制器對經(jīng)典的PID控制進(jìn)行優(yōu)化，采用“用誤差反饋消除誤差”的核心理念，把作用于被控對象的所有不確定因素都?xì)w為“未知擾動”，用被控對象的電壓、電流等對它進(jìn)行估計(jì)并補(bǔ)償，不需要外擾動的模型。包括跟蹤微分器（TD）、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（ESO）和非線性狀態(tài)誤差反饋控制律（NLSEF）三部分，如圖1所示。

自抗擾控制器算法不唯一，典型的一階自抗擾控制器算法為：

2 仿真結(jié)果

應(yīng)用上面給出的自抗擾控制器算法，在Simulink環(huán)境下建立系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行仿真研究，系統(tǒng)框圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)用永磁同步電動機(jī)參數(shù)分別為：Rs=2.875Ω，Ld=Lq=8.5mH，J=0.8×10-3kg﹒m2，ψf=0.175Wb，p=4，額定轉(zhuǎn)速nN=1000r/min。

給定轉(zhuǎn)速1000r/min，系統(tǒng)空載起動，為觀察系統(tǒng)抗負(fù)載擾動能力，t=0.1s時(shí)突加3N·m負(fù)載轉(zhuǎn)矩。圖3為速度環(huán)采用PI控制器和自抗擾控制器的速度響應(yīng)曲線?？梢?，PI控制速度有較大超調(diào)，突然加負(fù)載時(shí)速度降落略大，速度恢復(fù)時(shí)間較長，而自抗擾控制器響應(yīng)快、無超調(diào)，抗負(fù)載擾動能力和魯棒能力較強(qiáng)，對系統(tǒng)無較大的損害。

3 結(jié)論

自抗擾控制是一種不依賴對象動態(tài)模型結(jié)構(gòu)，但是允許對象存在不確定性的控制方案，本文在矢量控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行速度環(huán)控制算法的研究，將自抗擾控制引入永磁同步電機(jī)速度環(huán)控制取代傳統(tǒng)PI控制器。仿真結(jié)果表明該方法抗負(fù)載擾動、魯棒性和自適應(yīng)性均較強(qiáng)，具有優(yōu)良的動、靜態(tài)性能。

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