段小麗 高 新

（1. 晉中學院，山西 晉中 030060；2. 太原惠特科技有限公司，太原 030006）

自抗擾應用于異步電機直接轉矩控制系統

段小麗1高 新2

（1. 晉中學院，山西 晉中 030060；2. 太原惠特科技有限公司，太原 030006）

在異步電機直接轉矩控制調速系統中，為了解決低速、隨機干擾、轉子電阻變化時控制性能變差的問題，本文提出在異步電機直接轉矩控制控制系統的轉速環(huán)中采用自抗擾控制技術，自抗擾控制器可以對系統的內擾和外擾，進行估計、補償和控制。異步電機的調速系統的設計就能夠不依賴于異步電動機的精確的數學模型，設計了基于自抗擾控制器的調速系統，并建立了其仿真結構圖。仿真結果表明：相對于經典的PID控制器，采用自抗擾控制器的系統可以的升高響應速度，且超調量很小，擴展狀態(tài)器估計出來的轉速的精度很高，電機參數攝動對其影響小，魯棒性好。

自抗擾控制；直接轉矩控制；仿真

隨著現代控制技術的不斷發(fā)展，異步電動機的性能也不斷提高，異步電機的調速方法在實際中已得到廣泛的應用。它主要是基于現代控制理論，依靠精確的數學模型加上典型的PID控制，但是由于異步電機的數學模型具有非線性、多變量耦合的特點。高性能的異步電機的調速系統常用矢量控制、直接轉矩控制等，但是它們要求系統參數精確可知。雖然采用滑模變結構控制可以解決魯棒性好難題，抖動問題的依然存在。不論何種方法，在電機速度較低時，要獲得準確的電機速度、位置都是很困難的。另外，傳統的PID控制器要根據不同的工況來調節(jié)控制器的參數，這就給現場調試增加了難度。

經過十幾年的研究，中科院系統所韓京清研究員和他的團隊，提出了自抗擾控制器（ADRC）這種非線性控制器。它最大的優(yōu)點就是對不確定的系統的可以有效的控制。自抗擾控制器是由微分跟蹤器（TD）、擴展狀態(tài)觀測器（ESO）、非線性組合（NLSEF）三部分組成。自抗擾控制技術的思想源于經典 PID，是基于誤差來抵制或者消除誤差，它是不完全依靠系統數學模型的控制律，這是由于擴展狀態(tài)觀測器能夠實時估計并補償系統在運行過程中受到的各種外部與內部擾動（負載擾動和電機本身參數時變擾動）的總和[1-2]。利用了自抗擾控制器的這個優(yōu)點，結合其在其他相關領域的研究成果，本文在異步電機直接轉矩控制中的轉速環(huán)中采用了自抗擾控制算法，以實現異步電機的高性能的控制。

1 基于直接轉矩控制的異步電機調速系統

1.1 直接轉矩控制原理

直接轉矩控制技術是一種新型的交流電機控制技術，以其結構簡單、魯棒性強、動態(tài)性能好等優(yōu)點得到了廣泛的關注。

實現直接轉矩控制的過程：通過速度調節(jié)器，一般采用PI控制器，把電機的實際轉速n與給定轉速n*進行比較，得到了轉矩給定值Te*；磁鏈和轉矩估計器利用定子電流和電壓值可以得到實際磁鏈的幅值|ΨS|和實際轉矩 Te；轉矩調節(jié)器利用實際轉矩Te與給定轉矩值 Te*的偏差得到轉矩開關信號 TQ；磁鏈調節(jié)器根據實際磁鏈幅值|ΨS|與給定磁鏈幅值|ΨS*|幅值的偏差得到磁鏈開關信號ΨQ；通過定子磁鏈分量可以得到磁鏈所在區(qū)間信號SN，這樣，根據磁鏈開關信號ΨQ、轉矩開關信號TQ和磁鏈位置信號SN，通過查表的方式得到逆變器開關信號Sabc，控制逆變器提供合適的電壓來控制電機的準確運行，其工作原理圖如圖1所示[3-4]。

圖1 直接轉矩控制原理圖

1.2 基于DTC的調速系統

異步電機直接轉矩控制技術是近年來發(fā)展起來的一種高性能交流調速技術。它是根據電壓型逆變器的工作原理，控制定子磁鏈的走走停停，實現對電機轉矩的直接控制，以期獲得優(yōu)良的動態(tài)性能。傳統的直接轉矩控制系統的速度控制器是采用PI調節(jié)器，如圖2所示。

圖2 傳統的DTC調速系統

在中高速區(qū)，電機定子磁鏈軌跡為圓形，轉速、轉矩能準確、快速跟隨給定值，定子電流曲線是正弦曲線，控制性能良好，系統能夠保持穩(wěn)定。但是在低速區(qū)，由于電機參數和額定值有很大的差別，磁鏈軌跡、轉速、轉矩、定子電流都發(fā)生了畸變，嚴重的影響了系統的性能。所以，常規(guī)的PID控制器是根據不同的工況，參數要做相應的調整，很難滿足大范圍的速度調節(jié)需求。本文采用了在速度環(huán)中用自抗擾控制器取代PI控制器的調速方案。

2 自抗擾控制器

2.1 ADRC原理

自抗擾控制器最顯著的優(yōu)點是適用于不確定系統，通過擴展狀態(tài)觀測器，直接可以從輸出信號里面估計系統的未知內擾和外擾，最后在控制律中加以補償。因此，自抗擾控制器具有一定自適應功能。自抗擾控制器結構如圖3虛框部分所示，微分跟蹤器（TD）的作用是解決系統輸入不可微，并給出適當的系統過渡過程。z1(t)，z2(t)是擴展狀態(tài)觀測器（ESO）對動態(tài)變量的的估計，z3(t)是ESO對系統“總擾動”實時作用量的估計，反饋量 z3(t)/b0將實時補償系統“總擾動”。非線性組合（NLSEF）可以非線性加工組合各階誤差信號。b的估計值是b0[5]。

圖3 自抗擾控制原理圖

2.2 基于自抗擾控制器的異步電機直接轉矩控制系統的設計

由于非線性跟蹤微分器是一種控制環(huán)節(jié)，它的作用是解決系統輸入不可微，并給出適當的系統過渡過程，考慮到系統的復雜度，暫不采用這個環(huán)節(jié)，所以，在設計的系統中，采用一個一階NLSEF，一個二階ESO。

最后，得到采用自抗擾控制器的異步電機直接轉矩控制系統的結構圖，如圖4所示。

圖4 基于ADRC的電機直接轉矩控制系統的結構圖

3 仿真實驗及結果分析

通過上述分析，在直接轉矩控制系統的轉速環(huán)中用ADRC取代PI，在Matlab 7.0/simulink環(huán)境下，構建其仿真結構圖，如圖5所示。

仿真采用三相鼠籠型異步電機，電機參數：額定電壓 us=380V，額定頻率 f=50Hz，額定功率 Pn=1.5kW，定子電阻Rs=6.03Ω，轉子電阻Rr=6.085Ω，定子電感 Ls=0.519H，轉子電感 Lr=0.5192H，定轉子互感 Lm=0.4893H，轉動慣量 J=0.00488kg·m2，極對數np=2。

1）低速突加負載

圖6表示在轉速為n=200r/min時，負載轉矩在t=0.3s時由TL=0階躍到TL=15N·m時的轉速仿真結果比較。

圖6 低速突加負載轉速響應

從仿真結果可以看出，在異步電動機 ADRCDTC調速系統中的低速性能比PI-DTC調速系統有了明顯的改善，動態(tài)響應無超調，突加負載后的動態(tài)速降比PI控制的系統要小，轉速恢復到給定轉速的時間也更短。所以，自抗擾控制的系統解決了傳統直接轉矩控制系統低速性能不好的缺陷。

2）轉子電阻變化

由于異步電動機長時間運轉，系統模型的參數可能會發(fā)生攝動，可以設轉子電阻值為 1.0Ω。這樣就可以模擬電機的實際運行情況，例如，由于電機長時間的運轉，使轉子電阻過熱，阻值變大。圖7表示電機轉速在600r/min時轉速仿真結果比較。

從仿真結果可以看出，在PI-DTC調速系統中，轉速超調量大。但是采用ADRC的系統，無超調。這是由于ESO能夠及時有效地觀測到，由于系統參數的改變從而引起的模型的改變，并實時加以補償和控制。

圖7 轉子電阻改變的轉速響應

3）隨機干擾

給系統施加了隨機信號發(fā)生器的干擾。圖8表示電機轉速在600r/min時轉速仿真結果比較。

圖8 隨機干擾的轉速響應

從仿真結果可以明顯的看出，采用PI控制器的系統，轉速的動態(tài)性能非常差，而在ADRC控制的系統中，轉速可以較平穩(wěn)的運行。自抗擾控制的系統對于干擾有很好的觀測和補償的作用。

4 結論

本文在異步電機直接轉矩控制系統中采用了自抗擾控制器，設計了在速度環(huán)中采用自抗擾控制器的調速系統，與常規(guī)的PI調節(jié)器相比，自抗擾控制器可以準確的對系統模型的擾動進行估計、補償、控制，提高了系統的響應速度；同時由于有非線性組合，有效的解決了響應快速性與超調量之間的矛盾。這是PI調節(jié)器不能解決的問題。仿真與實驗結果表明，采用自抗擾控制器的系統具有優(yōu)良的動態(tài)控制性能，受隨機干擾、轉子電阻變化的影響較小，魯棒性很好。自抗擾控制器是一種新型的控制器，有關的理論還在繼續(xù)的研究中，自抗擾控制器的應用會涉及到各個領域。但是目前的研究僅僅是仿真。如何將仿真付諸于實踐，直至研發(fā)出來產品，是我們下一步進行的工作。

[1] 段小麗. 異步電機自抗擾控制研究[D].太原：中北大學, 2009.

[2] 陳文文. 船舶航向非線性系統自抗擾控制器的仿真研究[D]. 濟南：山東大學, 2008.

[3] 朱曉碩，綦慧. 基于 DSP的異步電機改進型直接轉矩控制研究[J]. 電氣傳動自動化, 2007, 34(4): 444-450.

[4] 陳穎，卓菡. 直接轉矩控制的改進方法[J]. 電力與電工, 2009, 23(3): 32-33.

[5] Thomas M, Jahns, Vadimir Blasko. Recent Advances in Power Electronics Technology for Industrial and Traction Machine Drives[C]. PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL.89, NO. 6, JUNE 2001: 23-25.

Application of Active Disturbance Rejection to Direct Torque Control of Induction Motor

Duan Xiaoli1 Gao Xin2
(1. Jinzhong University, Jinzhong, Shanxi 030060；2. Huite Science And Technology Co., Ltd, Taiyuan 030006)

In order to solve the problem of control performance becomes poor under low speed,random disturbance and rotor resistance variation in the asynchronous motor direct torque control speed regulating system, active disturbance rejection technology was applied to the control system of induction motor direct torque control speed loop is intruduced in this paper, the inner disturbance and outside disturbance can be estimate, compensation and control. The design of the speed regulation system of asynchronous motor can not depend on the precise mathematical model of asynchronous motor, the speed control system based on ADRC is designed, and set the simulation structure is set up. Simulation results show that compared with the classical PID controller, response speed is quick , and overshoot volume is small in the sysem of ADRC, the extended state estimate of the accuracy of speed is high, the motor parameter perturbation is small, the influence of good robustness.

active disturbance rejection; direct torque control; simulation

段小麗（1982-）女，山西臨汾人，碩士研究生，助教，研究方向為控制理論與應用。