祁世民，周 臻，竇曉華,3，王 永

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230027；2.解放軍63893部隊(duì),洛陽 471003；3.酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，蘭州 732750)

基于自抗擾控制的PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制研究

祁世民1,2，周 臻1，竇曉華1,3，王 永1

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230027；2.解放軍63893部隊(duì),洛陽 471003；3.酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，蘭州 732750)

針對傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)(PMSM)空間矢量調(diào)制-直接轉(zhuǎn)矩控制(SVM-DTC)存在轉(zhuǎn)矩脈動大以及PID參數(shù)整定繁瑣等缺點(diǎn)，介紹了一種基于自抗擾控制(ADRC)的PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制方法。通過設(shè)計(jì)ADRC控制器，對電機(jī)運(yùn)行過程中的擾動進(jìn)行觀測和補(bǔ)償，提高了電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度，降低了轉(zhuǎn)矩脈動。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方法的可行性和有效性。

永磁同步電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；自抗擾控制；空間矢量調(diào)制

0 引 言

20世紀(jì)80年代中期，德國學(xué)者M(jìn).Depenbrock教授首次提出直接轉(zhuǎn)矩控制(以下簡稱DTC)[1]。隨后，直接轉(zhuǎn)矩控制以其轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，控制性能對電機(jī)參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點(diǎn)受到了大量關(guān)注。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略使用兩個滯環(huán)比較器對磁鏈和轉(zhuǎn)矩分別進(jìn)行控制，控制性能依賴滯環(huán)的帶寬，同時存在轉(zhuǎn)矩脈動大、逆變器開關(guān)頻率不恒定等缺點(diǎn)。

針對傳統(tǒng)DTC存在的問題，眾多學(xué)者對其進(jìn)行改進(jìn)并做了大量的研究。E.Ozkop等將空間矢量調(diào)制策略應(yīng)用到直接轉(zhuǎn)矩控制中，即SVM-DTC策略[2]。隨后J.Yuan等將雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的SVM-DTC控制策略應(yīng)用到感應(yīng)電機(jī)調(diào)速中[3]。該策略使用兩個PI調(diào)節(jié)器替代了轉(zhuǎn)矩環(huán)和磁鏈環(huán)的滯環(huán)比較器，轉(zhuǎn)矩與磁鏈PI調(diào)節(jié)器的輸出作為參考電壓矢量，再通過空間矢量調(diào)制的方法控制逆變器開關(guān)信號進(jìn)而驅(qū)動電機(jī)。該方法不僅利用有限的電壓矢量，而是利用矢量調(diào)制的方法調(diào)制參考電壓矢量，解決了開關(guān)頻率不恒定的問題。但是由于速度環(huán)、磁鏈環(huán)、轉(zhuǎn)矩環(huán)均采用PID控制，使得參數(shù)的整定變得復(fù)雜繁瑣，且時常面臨超調(diào)與快速性之間的矛盾。自抗擾控制是由中國科學(xué)院系統(tǒng)科學(xué)研究所韓京清研究員提出的控制策略[4]，自抗擾控制將系統(tǒng)中的模型不確定性以及外部擾動看成總的擾動，通過設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(以下簡稱ESO)對總的擾動進(jìn)行觀測并對其進(jìn)行補(bǔ)償，控制性能優(yōu)異，魯棒性強(qiáng)。

針對以上問題，本文提出了一種基于自抗擾控制的PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制策略，將自抗擾控制與SVM-DTC策略相結(jié)合，通過設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩環(huán)、磁鏈環(huán)自抗擾控制器，將電機(jī)運(yùn)行過程中的參數(shù)不確定性以及外部擾動看成總的擾動并進(jìn)行觀測和補(bǔ)償，提高了電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)控制精度，降低了電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈脈動。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種新型的直接轉(zhuǎn)矩控制擁有更優(yōu)異的控制性能。

1 PMSM數(shù)學(xué)模型

為建立三相永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，先作如下假設(shè)以簡化分析：

(1)轉(zhuǎn)子永磁材料電導(dǎo)率為零，磁導(dǎo)率與空氣相同；

(2)忽略鐵心磁阻，不計(jì)渦流損耗和磁滯損耗；

(3)永磁體上無阻尼繞組；

(4)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢呈正弦分布；

(5)永磁體與三相繞組產(chǎn)生的磁場在氣隙中均呈正弦分布。

在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，建立在定子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(M-T旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系)下的永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型如下[5]：

式中：|ψs|為定子磁鏈的幅值；ψα與ψβ為定子磁鏈在兩相靜止坐標(biāo)系α,β軸上的投影；Rs為定子繞組電阻；uM，uT為定子電壓在M-T旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系M,T軸上的分量；iM,iT為定子電流在M,T軸上的分量； ωs為電角速度；ωr為機(jī)械角速度；p為電機(jī)極對數(shù)； Te為電機(jī)提供的電磁轉(zhuǎn)矩；Tl為外界的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動慣量；B為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的摩擦阻尼系數(shù)。

2 PID SVM-DTC控制系統(tǒng)

將式(4)代入式(3)，可得：

由式(2)可以看出，通過控制uM的大小可以改變定子磁鏈的幅值，因此可以設(shè)計(jì)控制律uM，使得定子磁鏈的幅值|ψs|為恒定值。而由式(6)可以看出，當(dāng)|ψs|為恒定值時，uT與Te之間呈線性關(guān)系，即可以通過控制uT來控制電磁轉(zhuǎn)矩Te的大小進(jìn)而控制轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。而|ψs|的穩(wěn)態(tài)精度越高，|ψs|就越接近常值，uT與Te之間的線性關(guān)系就越好，因此定子磁鏈幅值的脈動會影響電磁轉(zhuǎn)矩的控制性能。這就是雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)SVM-DTC控制的基本原理，稱之為PID SVM-DTC控制策略。

圖1 PID SVM-DTC控制框圖

3 ADRC SVM-DTC控制系統(tǒng)

以圖1的控制結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，利用自抗擾控制技術(shù)分別對速度環(huán)、磁鏈環(huán)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行改進(jìn)。下面進(jìn)行速度環(huán)ADRC控制器設(shè)計(jì)，由PMSM運(yùn)動式(5)可得：

式中：

將f擴(kuò)張為新的狀態(tài)，即x1=ωr, x2=f。這樣式(7)變?yōu)椋?/p>

則利用自抗擾控制中擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(以下簡稱ESO)的設(shè)計(jì)方法得到觀測器如下：

再取：

合理的安排參數(shù)k0就可以使跟蹤誤差信號e1無限接近于0，即實(shí)現(xiàn)對參考速度信號的跟蹤。

在永磁同步電機(jī)調(diào)速控制中，電機(jī)期望到達(dá)的參考速度信號通常為階躍信號，而電機(jī)的初始速度為0，這就使得在電機(jī)的起動階段電機(jī)轉(zhuǎn)速與期望轉(zhuǎn)速之間的誤差較大，容易引起初始控制律過大，使起動電流過大從而造成安全隱患，也容易引起轉(zhuǎn)速的超調(diào)和振蕩。自抗擾控制中的跟蹤微分器(TD)可以很好地解決這個問題，根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)二階線性跟蹤微分器如下：

圖2 TD輸入輸出特性曲線

圖3是速度環(huán)ADRC控制器的控制框圖，其中TD模塊是按照式(14)設(shè)計(jì)的跟蹤微分器；LESF模塊是按照式(12)對誤差的線性組合；ESO模塊是按照式(10)設(shè)計(jì)的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，擴(kuò)張的狀態(tài)z2用于擾動的補(bǔ)償。

圖3 速度環(huán)ADRC控制框圖同理，式(2)可以轉(zhuǎn)化

圖4 ADRC SVM-DTC控制框圖

4 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本文控制策略的可行性和有效性，利用MATLAB/Simulink搭建仿真模型分別對兩種方法進(jìn)行仿真[7]，為方便進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真中的電機(jī)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)平臺中的伺服電機(jī)參數(shù)一致，具體參數(shù)見表1。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)電機(jī)參數(shù)

圖5 PIDSVM-DTC仿真曲線圖6 ADRCSVM-DTC仿真曲線

為驗(yàn)證算法的有效性，在實(shí)驗(yàn)平臺上分別驗(yàn)證兩種算法，實(shí)驗(yàn)平臺以TI公司的DSP TMS 320F28377D為控制核心，電機(jī)為登奇GK6032伺服電機(jī)，具體參數(shù)見表1，實(shí)驗(yàn)平臺裝置如圖7所示。

圖8 PIDSVM-DTC實(shí)驗(yàn)曲線圖9 ADRCSVM-DTC實(shí)驗(yàn)曲線

5 結(jié) 語

本文研究了基于ADRC的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制，針對PID SVM-DTC控制策略下定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩脈動大以及PID參數(shù)整定繁瑣的問題，分別設(shè)計(jì)了速度環(huán)與磁鏈環(huán)ADRC控制器。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ADRC SVM-DTC控制策略解決了電機(jī)轉(zhuǎn)速的超調(diào)和振蕩問題，擁有更高的穩(wěn)態(tài)精度，同時，電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈的脈動也顯著降低，有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1] DEPENBROCK M.Direct self-control (DSC) of inverter-fed induction machine[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1988,3(4):420-429.

[2] OZKOP E,OKUMUS H I.Direct torque control of induction motor using space vector modulation (SVM-DTC) [C]//Power System Conference,Aswan,2008:368-372.

[3] YUAN Jing,MA Xigeng,LIU Jiannan.Simulation research of induction motor based on SVM-DTC with three-level Inverter[C]//Electronics Information and Emergency Communication,Beijing,2015:410-413.

[4] 高志強(qiáng).自抗擾控制思想探究[J].控制理論與應(yīng)用,2013,30(12):1498-1510.

[5] CHAPMAN S J.電機(jī)學(xué)[M].第5版.北京：電子工業(yè)出版社，2012:125-165.

[6] 王成元，夏加寬，楊俊友，等.電機(jī)現(xiàn)代控制技術(shù)[M].1版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006: 161-164.

[7] 趙輝,胡仁杰.SVPWM的基本原理與應(yīng)用仿真[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,30(14):350-353.

Research on Direct Torque Control of PMSM Based on Active Disturbance Rejection Control

QIShi-min1,2,ZHOUZhen1,DOUXiao-hua1,3,WANGYong1

(1.University of Science and Technology of China,Hefei 230027,China; 2.63893 Troops of PLA, Luoyang 471003,China; 3.Jiuquan Satellite Launching Center,Lanzhou 732750,China)

For permanent magnet synchronous motor (PMSM), aiming at the disadvantage of the traditional space vector modulation direct torque control (SVM-DTC), such as the large torque ripple and the complexity of PID parameter tuning, a PMSM direct torque control method based on active disturbance rejection control (ADRC) was proposed. By designing the ADRC controller to observe and compensate the disturbance, the torque ripple was reduced and the control precision of the motor speed was improved. Simulation result and experimental results verify the feasibility and effectiveness of the method.

PMSM; direct torque control(DTC); ADRC; space vector modulation

2016-01-09

TM341,TM351

A

1004-7018(2017)02-0042-04

祁世民(1991-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制。