基于自適應(yīng)觀測器的永磁同步直線電機模型預(yù)測控制系統(tǒng)設(shè)計

李 爭 安金峰 肖 宇 張青山 孫鶴旭

基于自適應(yīng)觀測器的永磁同步直線電機模型預(yù)測控制系統(tǒng)設(shè)計

李 爭 安金峰 肖 宇 張青山 孫鶴旭

（河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院 石家莊 050018）

為了優(yōu)化永磁同步直線電機的調(diào)速性能，解決永磁同步直線電機對速度傳感器依賴程度高的問題，該文設(shè)計一種帶模型參考自適應(yīng)觀測器的永磁同步直線電機預(yù)測電流控制系統(tǒng)（MPC-MRAS）。利用去除交叉耦合電動勢的定子電壓方程設(shè)計模型預(yù)測電流控制器，取代傳統(tǒng)電流控制器；自適應(yīng)觀測器的參考模型利用電機的實際模型進行設(shè)計，可調(diào)模型利用估計的電流模型進行設(shè)計，電機估值速度通過參考模型和可調(diào)模型的電流差值設(shè)計的自適應(yīng)律得出。該方案不僅降低電流控制器對電機參數(shù)的依賴程度，消除電流耦合對模型預(yù)測控制器的影響；同時，還使控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本得到了簡化，提高控制系統(tǒng)的控制性能和抗干擾能力。利用仿真軟件搭建預(yù)測控制器和自適應(yīng)觀測器應(yīng)用于電機控制系統(tǒng)驗證所提控制策略的優(yōu)越性。經(jīng)過驗證該控制策略可以實現(xiàn)對速度進行在線準確辨識，并且還可以有效地減少電流紋波和提高電流的跟蹤性能。

永磁同步直線電機 無速度傳感器 模型預(yù)測控制 模型參考自適應(yīng)

0 引言

近年來，隨著稀有資源的開發(fā)和冶煉技術(shù)的發(fā)展，直流電機和交流異步電機正逐步落后于社會，并被永磁同步電機所替代。隨著當今社會不斷發(fā)展的高速加工技術(shù)、精密制造技術(shù)和數(shù)控技術(shù)等先進制造技術(shù)，永磁同步電機正在逐漸演變?yōu)楫斍皵?shù)控設(shè)備的發(fā)展趨勢。永磁同步直線電機直接驅(qū)動作為目前廣泛應(yīng)用于高精度工業(yè)領(lǐng)域的新型驅(qū)動方式，不僅可以很大程度上縮短給進系統(tǒng)的反應(yīng)時間，而且也提高了控制系統(tǒng)的控制精度[1-2]。

高電流帶寬和強魯棒性正在逐漸成為高精密永磁同步直線電機電流閉環(huán)控制器的發(fā)展趨勢[3]，目前主要的控制策略有滯環(huán)[4-5]控制、PI控制、重復(fù)控制[6]和預(yù)測控制[7-9]等控制方法。模型預(yù)測控制（Model Predictive Control, MPC）將控制系統(tǒng)中的信息，在不使用電機參數(shù)的情況下，預(yù)測將來幾個周期時刻的控制量增量，再經(jīng)過優(yōu)化函數(shù)的計算得到最適合的控制值[10]。預(yù)測控制算法已經(jīng)在電機控制系統(tǒng)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。文獻[11-12]將基于電機數(shù)學(xué)模型設(shè)計的預(yù)測控制器分別應(yīng)用到永磁同步電機控制系統(tǒng)和異步電機控制系中，使得控制系統(tǒng)的控制性能得到提高。

在電機控制系統(tǒng)中，為了更好地體現(xiàn)出控制器控制性能，控制系統(tǒng)反饋到控制器的信息必須是快速而準確的。為了簡化電機控制系統(tǒng)的體積、降低安裝費用以及適應(yīng)各種嚴苛環(huán)境，將無速度傳感器技術(shù)引入到電機控制系統(tǒng)中。無速度傳感器同時克服了機械速度傳感器存在的嚴重缺陷，并且為目前電機控制的發(fā)展開辟了新航路[13]。在無速度傳感器技術(shù)中，前沿的控制器技術(shù)分為高頻信號注入法和基波反電動勢觀測法[14-17]。自適應(yīng)觀測器是基于電機的電壓方程在穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上設(shè)計出來的一種可以辨識電機參數(shù)的控制策略。文獻[18-19]設(shè)計的觀測器通過調(diào)節(jié)估計數(shù)學(xué)模型的參數(shù)，使可調(diào)和參考模型的電流差值趨近于零，使參數(shù)估計值保持逐漸收斂，并使其在電機控制系統(tǒng)中保持優(yōu)越的動態(tài)性能[17]。

本文設(shè)計了一種帶自適應(yīng)觀測器的永磁同步直線電機預(yù)測電流控制的策略。利用去除交叉耦合電動勢的定子電壓方程設(shè)計預(yù)測電流控制器，取代傳統(tǒng)的電流控制器，提高了電機控制系統(tǒng)的控制性能。本文提出的自適應(yīng)觀測器的參考模型利用電機的實際模型進行設(shè)計，可調(diào)模型利用估計的電流模型進行設(shè)計，可通過參考模型和可調(diào)模型的電流差值設(shè)計自適應(yīng)律估計電機速度。最后，利用仿真軟件驗證所提出控制策略的優(yōu)越性，并通過仿真和實驗驗證其有效性。

1 永磁同步直線電機電流預(yù)測控制器

在永磁同步直線電機旋轉(zhuǎn)坐標系下，利用定子電壓方程對電流預(yù)測控制器進行設(shè)計，其定子電壓方程可以表示為

可通過將旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓方程利用轉(zhuǎn)化公式簡化為兩個單輸入單輸出系統(tǒng)[11]。將定子電流分別在d軸和q軸方向產(chǎn)生的交叉耦合電動勢考慮為系統(tǒng)擾動，通過以上轉(zhuǎn)化過程得到的電流控制的對象方程[20]表示為

交叉耦合電動勢為

將式（2）寫成狀態(tài)方程的形式為

以d軸為例，對狀態(tài)方程進行一階歐拉公式離散化得到

其中

同樣可以得到q軸電流的離散模型為

其中

模型預(yù)測的電流控制器算法采用三步預(yù)測法，算法的實現(xiàn)過程如下。

1.1 模型預(yù)測

其中

1.2 反饋矯正

為了消除因各種誤差因素給式（8）中的預(yù)測電流誤差帶來的影響，并確?？刂葡到y(tǒng)中的預(yù)測值的準確性和系統(tǒng)本身的魯棒性[21]，采用反饋校正的方式對預(yù)測的電流誤差進行校正。

將式（9）得到的矯正誤差(+1)對實際的電流進行補償，可以得到校正后的電流預(yù)測值為

1.3 滾動優(yōu)化

根據(jù)電流模型預(yù)測控制算法特點，由于在第個周期幾乎無法得到后面3個周期時的d軸和q軸電流，因此為了解決上述問題，在實際的控制中可以假設(shè)后面3個周期電流的給定值與當前值一致，表示為

其中

為了進一步加強對于系統(tǒng)的控制能力，將式（3）交叉耦合電動勢作為前饋補償項加到式（14）中，得最優(yōu)控制量為

以d軸為例，設(shè)計的電流預(yù)測控制器框圖如圖1所示。

圖1 電流預(yù)測控制器框圖

2 基于模型參考自適應(yīng)的速度辨識

為了建立永磁同步直線電機的自適應(yīng)辨識模型，并將其應(yīng)用到電機控制系統(tǒng)中，參考模型將采用電機的實際模型。為了得到辨識系統(tǒng)的可調(diào)模型，可以將永磁同步直線電機的定子電流進行Clarke變換和Park變換，得到dq坐標系下的定子電流方程，根據(jù)所得的定子電流方程可得到辨識系統(tǒng)的可調(diào)模型。通過兩個模型的并聯(lián)作用，能夠估算出速度，積分后得到估計的動子位置[22]。

在充分考慮永磁同步直線電機的電磁特點和運動特性下，其定子電流方程[23]可以表示為

為了獲得可調(diào)模型，對式（16）進行變換得

為了便于分析，令式（17）中

式（17）化簡后為

將式（18）以估計值的形式表示為

其中

為了使該系統(tǒng)是穩(wěn)定的[25]，需要使非線性時變的反饋環(huán)節(jié)滿足波波夫超穩(wěn)定理論的不等式，即

式中，為待證明穩(wěn)定性的系統(tǒng)輸入；為待證明穩(wěn)定性的系統(tǒng)輸出。

對式（21）進行反向求值可以得到自適應(yīng)系統(tǒng)的自適應(yīng)律[26]，其結(jié)果為

模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)框圖如圖2所示[27]。

3 仿真與實驗結(jié)果

3.1 系統(tǒng)仿真

為了驗證本文所提出的控制策略對速度進行辨識，可有效地抑制電流波紋和提高電流的跟蹤性能，將設(shè)計的自適應(yīng)觀測器和模型預(yù)測控制器應(yīng)用于電機控制系統(tǒng)中。利用仿真軟件搭建PI控制、滑?？刂疲⊿liding Mode Control, SMC）和本文提出的控制策略的仿真模型，并比較在調(diào)速和變負載情況下的電機速度和電路的波形。永磁同步直線電機的主要參數(shù)見表1?？刂葡到y(tǒng)的采樣時間為10ms。

3.2 負載不變，改變速度（1m/s→0.5m/s→1m/s）

圖4和圖5分別為電機在MPC-MRAS情況下的速度波形和與應(yīng)用傳統(tǒng)PI控制和SMC算法情況下的電機運行速度波形。負載為50N時，由圖可以發(fā)現(xiàn)，本文所提的控制策略可以準確地辨識電機運行速度，速度誤差絕對值的最大值僅為0.004m/s，與傳統(tǒng)PI、SMC策略比較，MPC-MARS情況下設(shè)定速度改變后的電機運行速度波動范圍非常小，電機運行速度穩(wěn)定，說明了本文所提出的控制策略的控制性能比較優(yōu)越。

圖3 電機控制系統(tǒng)框圖

表1 電機主要參數(shù)

Tab.1 Main parameters of straight line

圖4 在MPC-MRAS情況下，改變運行速度時波形

圖5 MPC-MRAS與PI、SMC改變運行速度的對比波形

圖6和圖7分別為電機在MPC-MARS情況下與應(yīng)用傳統(tǒng)PI和SMC情況下電機q軸電流波形和與應(yīng)用傳統(tǒng)PI和SMC情況下的q軸電流跟蹤的誤差波形。負載轉(zhuǎn)矩為50N時，在電機加減速運行過程中，本文所提的控制策略與傳統(tǒng)PI、SMC策略相比，q軸電流不僅跟蹤精度比較高，而且電流的波動變化非常小。

圖6 速度改變時MPC-MRAS與PI、SMC電流波形

3.3 速度不變，改變負載（100N→50N→100N）

圖8為PMSLM運行過程中突然改變負載的情況下MPC-MRAS控制系統(tǒng)的電機速度跟蹤波形，圖9為所設(shè)計的控制策略與PI和SMC的速度對比波形。電機運行速度為1m/s時，在改變負載轉(zhuǎn)矩的過程中，由圖8可以發(fā)現(xiàn)，控制系統(tǒng)可以準確地辨識電機運行速度，僅在改變電機負載時速度跟蹤誤差出現(xiàn)微小波動。觀察圖9可以發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)PI、SMC策略比較，MPC-MARS情況下負載改變后的電機運行速度可以迅速地保持以設(shè)定速度運行，電機運行速度穩(wěn)定，說明了本文所提出策略的控制性能的優(yōu)越性。

圖8 MPC-MRAS情況下，改變負載時的速度波形

圖9 MPC-MRAS與PI、SMC改變負載時速度對比波形

在改變電機負載的運行條件下，圖10為MPC- MARS與PI、SMC策略的電流波形，圖11為三種控制方案的電流誤差波形。考慮到實際電機行程問題，將實驗平臺樣機速度設(shè)定為1m/s，觀察并分析整體實驗過程，由圖10可以發(fā)現(xiàn)，MPC- MARS的電流波形其波動范圍較小。觀察圖11發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)PI、SMC策略相比，MPC-MARS情況下q軸電流跟蹤誤差比較小，且無波動，說明MPC-MARS策略q軸電流跟蹤精度較高。

圖10 改變負載時的MPC-MRAS與PI、SMC電流波形

圖11 改變負載時MPC-MRAS與PI、SMC電流誤差波形

3.4 實驗

本文的實驗驗證是基于STM32開發(fā)板和Matlab的自動代碼生成工具為基礎(chǔ)進行的。利用STM32CubeMX軟件生成底層配置代碼，提高了工作效率。算法實驗平臺如圖12所示。永磁同步直線電機作為被控對象，采用代碼生成工具生成了控制算法c代碼，并在STM32開發(fā)板上進行了算法驗證。實驗中控制系統(tǒng)的采樣頻率為18kHz。

圖12 實驗平臺

輕載時，給定速度為1m/s，在0.2s將電機運行速度降至0.5m/s，電機運行0.2s后在0.4s時刻將電機運行速度升至1m/s。圖13為MPC-MRAS、PI和SMC情況下電機運行速度波形，可以發(fā)現(xiàn)，電機運行過程中，MPC-MRAS與PI、SMC情況相比，在設(shè)定速度改變后，MPC-MRAS情況下電機速度較平穩(wěn)，而PI、SMC情況下電機速度有波動。圖14為電機運行過程中模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)估計的與電機運行速度的跟蹤誤差結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，跟蹤誤差很小，即使在調(diào)速時刻跟蹤誤差的絕對值也小于0.006m/s。

電機運行過程中，MPC-MRAS、PI和SMC情況下d軸的電流與控制系統(tǒng)給定電流值的跟蹤誤差如圖15所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，MPC-MRAS與PI、SMC情況相比，在改變設(shè)定速度時q軸電流跟蹤誤差變波動很小。在電機加減速穩(wěn)定運行過程中，PI、SMC情況下，q軸電流的跟蹤誤差峰值絕對值分別為3.8mA、2.9mA，而MPC-MRAS情況下q軸電流的跟蹤誤差峰值絕對值小于0.5mA，表明在MPC- MRAS情況下控制系統(tǒng)中q軸的電流可以較快速地跟蹤上控制系統(tǒng)給定電流值。

圖13 速度改變時的電機速度對比波形

圖14 速度改變時，MPC-MRAS的速度誤差

圖15 負載變化時的電流誤差

給定速度為1m/s，電機重載起動，在穩(wěn)定運行過程中改變所帶負載。在0.2時刻突減負載，持續(xù)0.2s后在0.4s時刻突加回原負載。圖16為MPC- MRAS、PI和SMC情況下電機運行速度波形，可以發(fā)現(xiàn)，電機運行過程中，MPC-MRAS與PI、SMC情況相比電機運行速度波動小，在改變負載后電機運行速度較快地恢復(fù)到設(shè)定速度。圖17為MPC-MRAS情況下電機運行過程中模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)估計的速度與電機運行速度的跟蹤誤差結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，跟蹤誤差很小，即使在負載改變后的瞬間跟蹤誤差的絕對值也小于0.005m/s。

電機運行過程中，MPC-MRAS、PI和SMC情況下d軸的電流與控制系統(tǒng)給定電流值的跟蹤誤差如圖18所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，MPC-MRAS情況與PI、SMC情況相比，在突然改變負載時q軸電流跟蹤誤差波形比較平穩(wěn)波動較小。在電機帶輕載和重載穩(wěn)定運行過程中，PI、SMC情況下，q軸電流的跟蹤誤差峰值絕對值分別為2.1mA、1.5mA，而MPC-MRAS情況下q軸電流的跟蹤誤差峰值絕對值為0.5mA，表明在MPC-MRAS情況下控制系統(tǒng)中，q軸的電流可以較快速地跟蹤上控制系統(tǒng)給定電流值。

圖16 負載變化時的對比波形

圖17 負載變化時，MPC-MRAS速度誤差

圖18 負載變化時的電流誤差

4 結(jié)論

為了提高永磁同步直線電機的控制性能，本文采用模型預(yù)測控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PI控制器，并用模型參考自適應(yīng)觀測器替代機械傳感器。在仿真與實驗中，模型預(yù)測控制算法對永磁同步直線電機速度進行了有效地控制。模型參考自適應(yīng)算法對于外界的干擾可以進行較為快速的反應(yīng)，加快系統(tǒng)穩(wěn)定。從實驗結(jié)果進行分析，相較于傳統(tǒng)控制方法，電流紋波得到了有效抑制，同時對電機速度進行了有效的跟蹤。在速度實驗與變載實驗中，通過MPC- MARS算法控制，電機系統(tǒng)展現(xiàn)了對于外界干擾的強魯棒特性，同時整體運行過程中電流波動小、系統(tǒng)恢復(fù)速度快、電機運行穩(wěn)定。

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Design of Model Predictive Control System for Permanent Magnet Synchronous Linear Motor Based on Adaptive Observer

（School of Electrical Engineering Hebei University of Science and Technology Shijiazhuang 050018 China）

Permanent magnet synchronous linear motor has poor speed control performance and highly depends on speed sensor. Thus, this paper designs a permanent magnet synchronous linear motor predictive current control system (MPC-MRAS) based on model reference adaptive observer. The stator voltage equation model that removes the cross-coupled electromotive force is used to predict the current controller, replacing the traditional current controller. The mathematical model of the motor itself is used as the reference model of the model prediction adaptive system, and the mathematical model of the designed output estimated current is used as the adjustable model. The motor speed is obtained by the adaptive law of the current difference design of the reference model and the adjustable model. This solution not only reduces the dependence of the current controller on motor parameters, but eliminates the influence of current coupling on the model predictive model predictive controller. At the same time, it also simplifies the complexity and cost of the control system, and improves the control performance and anti-interference ability of the control system. Simulation software is used to build predictive controllers and adaptive observers to apply to motor control systems, which verifies the superiority of the proposed control strategy. It is shown that this control strategy can realize online and accurate speed identification, and can also effectively reduce current ripple and improve current tracking performance.

Permanent magnet synchronous linear motor, speed sensorless, model predictive control, model reference adaptation

TM359.4

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200682

國家自然科學(xué)基金項目（51877070，51577048）、河北省自然科學(xué)基金項目（E2018208155）、河北省高層次人才項目（A201905008）和高節(jié)能電機及控制技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室開放項目（KFKT201901）資助。

2020-06-28

2020-09-29

李 爭 男, 1980年生, 博士, 教授, 博士生導(dǎo)師, 研究方向為特種電機及其控制技術(shù)。E-mail: Lzhfgd@163.com

孫鶴旭 男, 1956年生, 博士, 教授, 博士生導(dǎo)師, 研究方向為運動控制與新能源技術(shù)。E-mail: sunhxhb@outlook.com（通信作者）

（編輯 陳 誠）