基于雙觀測(cè)器的四旋翼無人機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)矢量控制技術(shù)研究

馬曉婧 劉向辰

基金項(xiàng)目：2022年甘肅省高等學(xué)校創(chuàng)新基金項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：基于DSP+FPGA硬件構(gòu)架的農(nóng)林植保雙余度控制無人機(jī)的研究與開發(fā)；項(xiàng)目編號(hào)：2022B-301。

作者簡(jiǎn)介：馬曉婧（1987— ），女，甘肅臨夏人，講師，碩士；研究方向：機(jī)電一體化。

摘要：無人機(jī)在飛行過程中，磁場(chǎng)增強(qiáng)型永磁同步電機(jī)容易受到多重低次凸極性諧波的影響以及負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩干擾的問題。針對(duì)上述問題，文章提出一種高頻脈振諧波注入轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器結(jié)合負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩分段函數(shù)滑模觀測(cè)器的雙觀測(cè)器無人機(jī)電機(jī)矢量控制策略。文章通過高頻脈振諧波注入轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器，可以有效抑制無人機(jī)電機(jī)系統(tǒng)中存在的多重低次凸極性諧波的影響，改善電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的估算精度，通過負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器可以消除電機(jī)負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩的干擾。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；凸極性諧波；諧波注入；擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩觀測(cè)

中圖分類號(hào)：TM341；TP183 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

民用無人機(jī)較常采用的永磁同步電機(jī)一般具有內(nèi)置式磁場(chǎng)增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用反凸極設(shè)計(jì)原理，即（Ld>Lq）。既保證了良好的轉(zhuǎn)矩輸出能力和輸出效率，又?jǐn)U大了電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)速范圍。因此，民用無人機(jī)驅(qū)動(dòng)+控制系統(tǒng)采用內(nèi)置式磁場(chǎng)增強(qiáng)型永磁同步電機(jī)更加適應(yīng)于野外復(fù)雜的飛控環(huán)境。

為了提高滑模+自適應(yīng)PMSM控制［1-2］的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，王澤霖等［3］在“傳統(tǒng)滑模+自適應(yīng)控制”的理論基礎(chǔ)上混合加入了非奇異快速終端滑模積分函數(shù)，提高了系統(tǒng)的收斂性，降低了電機(jī)的抖動(dòng)。為了提高永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確估計(jì)，王曉琳等［4］采用自適應(yīng)基準(zhǔn)鎖相環(huán)［5］，通過誤差重構(gòu)并且以電流最小為目標(biāo)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)鎖相環(huán)的鎖相基準(zhǔn)參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)位置誤差信號(hào)的準(zhǔn)確補(bǔ)償，解決了無人機(jī)飛控系統(tǒng)中溫度、轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)矩等傳感器信號(hào)繁雜、觀測(cè)誤差大的問題。

本文在以上研究的基礎(chǔ)上，提出一種高頻脈振諧波注入轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器結(jié)合負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩分段函數(shù)滑模觀測(cè)器的無人機(jī)雙觀測(cè)器電機(jī)矢量控制策略。該策略改善了轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的估算精度，消除了負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩的干擾，提高了無人機(jī)飛行的穩(wěn)定性。

1 高頻脈振諧波注入轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器

由于磁場(chǎng)增強(qiáng)型電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的影響，電機(jī)存在多重低次凸極性。多重低次凸極性會(huì)產(chǎn)生多重電流高頻信號(hào)的疊加，使得無人機(jī)在飛行過程中，永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速出現(xiàn)估測(cè)不準(zhǔn)確，特定多重凸極性諧波干擾如下。

從圖1中可以看出，定子d軸電感并不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，而是多種低次諧波分量的疊加耦合，由于電機(jī)的極對(duì)數(shù)p=4，因此+2ωe，+3ωe和+4ωe等低次諧波的影響較為嚴(yán)重。

由于多重低次凸極性諧波的影響會(huì)降低轉(zhuǎn)子位置的觀測(cè)精度，所以需要對(duì)其進(jìn)行有效抑制。

基于高頻脈振諧波注入轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器原理如圖2所示。

通過高頻脈振諧波注入法的轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器，可以消除多重凸極性低次諧波干擾的問題，得到準(zhǔn)確的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。

2 分段函數(shù)滑模負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器

永磁同步電機(jī)經(jīng)典矢量控制技術(shù)一般采用基于指數(shù)趨近律（s.=-asgn（s）-bs）的滑模觀測(cè)器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行觀測(cè)。該觀測(cè)方案雖然收斂速度較快，但在滑模面附近容易出現(xiàn)抖振問題。因此，本文采用一種基于分段函數(shù)趨近律的滑模觀測(cè)器。

從公式（1）可以看出，當(dāng)趨近函數(shù)遠(yuǎn)離滑模面時(shí)，趨近函數(shù)可以快速收斂于滑模面；當(dāng)趨近函數(shù)在滑模面附近抖動(dòng)時(shí)，趨近函數(shù)可以快速接近滑模面，即x→0，f（x）→0。

兩種趨近律的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)趨近曲線如圖3所示。

比較圖3（a）和（b）可以看出，指數(shù)趨近律趨近速度較快，但在滑模面0處抖振明顯，而分段函數(shù)趨近律的運(yùn)動(dòng)軌跡更加優(yōu)異。兩種趨近律的運(yùn)動(dòng)曲線如圖4所示。

從圖4中的兩種趨近律的運(yùn)動(dòng)曲線可以看出，本文所提出的分段函數(shù)趨近律可以快速接近于滑模面并且在滑模面0附近不存在抖振現(xiàn)象，因此其具有更加優(yōu)異的趨近特性。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink軟件下搭建的仿真模型如圖5所示。

仿真參數(shù)如下：額定功率650 W，額定電流3.5 A，定子每相電阻3.5 Ω，d軸電感Ld=2.8mH，q軸電感Lq=1.2mH，極對(duì)數(shù)p=4，開關(guān)頻率為10 kHz，計(jì)算機(jī)軟件下搭建的仿真模型如圖6所示。

為了驗(yàn)證電機(jī)抗干擾能力和電機(jī)定子電流的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，令電機(jī)空載啟動(dòng)至500 r/min，運(yùn)行至0.3s時(shí)增加負(fù)載轉(zhuǎn)矩5N·m，0.3s后降低至負(fù)載轉(zhuǎn)矩2.5N·m，在此過程中，d、q軸電流波形如圖7所示，電機(jī)定子三相電流動(dòng)態(tài)仿真波形如圖8所示。

比較圖7（a）和（b）可以看出，相比PI控制算法，本文所提出的改進(jìn)型矢量控制算法下的d、q軸電流相應(yīng)時(shí)間縮短且基本不受負(fù)載轉(zhuǎn)矩的干擾。

比較圖8（a）和（b）可以看出，相比傳統(tǒng)PI控制算法，本文所提出的改進(jìn)型矢量控制算法下的電機(jī)定子三相啟動(dòng)電流降低，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)間降低，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變時(shí)，電機(jī)定子三相電流的正弦特性更好。

4 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證仿真理論的正確性和實(shí)用性，需要搭建無人機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，在進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變時(shí)，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)試驗(yàn)分析。

在圖9（a）和（b）中，當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行至參考給定轉(zhuǎn)速200 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩突增50%，PI控制算法下的電機(jī)轉(zhuǎn)速降低75 r/min，且在100ms后恢復(fù)至參考給定轉(zhuǎn)速；改進(jìn)型控制算法下的電機(jī)轉(zhuǎn)速降低32 r/min且在54ms后恢復(fù)至參考給定轉(zhuǎn)速。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩突降50%，PI控制算法下的電機(jī)轉(zhuǎn)速升高77 r/min且在115ms后恢復(fù)至參考給定轉(zhuǎn)速，改進(jìn)型控制算法下的電機(jī)轉(zhuǎn)速升高30 r/min且在60ms后恢復(fù)至參考給定轉(zhuǎn)速。

在上述動(dòng)態(tài)過程中，改進(jìn)型控制算法下的q軸電流抖振明顯低于PI控制算法下的q軸電流抖振。改進(jìn)型控制算法下的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與觀測(cè)轉(zhuǎn)速基本能夠保持一致，波動(dòng)幅度較小。

5 結(jié)語

本文提出的“無人機(jī)轉(zhuǎn)子位置+轉(zhuǎn)矩雙觀測(cè)器電機(jī)矢量控制技術(shù)”能夠改善轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的估算精度，消除負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩的干擾，有效提高了無人機(jī)飛控系統(tǒng)的控制精度和抗外界干擾能力。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 王永超）

Abstract： The flux-intensifying PMSM is susceptible to the influence of multiple low-order harmonics and load disturbance torque， during the flight of drone. In this paper， a UAV motor vector control strategy of dual-observer based on rotor position observer of high-frequency pulse harmonic injection combined with load disturbance torque observer of piecewise function sliding mode is proposed. This control strategy can effectively suppress the influence of multiple low-order harmonics by the rotor position observer and eliminate the disturbance of load torque by the load disturbance torque observer.

Key words： permanent magnet synchronous motor; convex polarity harmonic; harmonic injection; perturbation torque observation