張羽，關振宏，王濤，杜平，孟一

(西南交通大學 磁浮技術與磁浮列車教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

基于自抗擾控制技術的多電機同步控制

張羽，關振宏，王濤，杜平，孟一

(西南交通大學 磁浮技術與磁浮列車教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

對采用偏差耦合控制策略的永磁同步電機多電機同步控制進行仿真研究。引入自抗擾控制技術實現(xiàn)電機控制，各同步控制器的輸出補償負載轉矩?？紤]到電機實際運行中參數(shù)隨溫度發(fā)生變化，為進一步提高轉速同步控制性能，采用模型參考自適應算法對電機參數(shù)進行在線辨識，結果用于在線修正自抗擾控制器結構參數(shù)。從理論上分析了擾動引起的誤差收斂情況，仿真結果驗證了整體方案的可行性，可以實現(xiàn)4臺永磁同步電機的轉速同步控制。

永磁同步電機；轉矩補償；參數(shù)辨識；誤差收斂；在線修正

0 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活等領域，多電機同步控制策略一直是高精度、高轉速傳動系統(tǒng)中的核心問題。偏差耦合控制在三臺及以上的多電機同步控制中有著廣泛的應用，為達到更好的同步性能指標，研究人員對此控制策略進行一系列改進如：利用智能算法模糊控制[1]、神經(jīng)元算法[2]等對同步控制器中的PI進行改進，利用自適應前饋控制[3]、反演控制[4]、內(nèi)膜控制[5]、滑模變結構控制[6]等先進控制策略實現(xiàn)同步控制算法，以消除電機輸出轉速與給定轉速間的誤差。這一系列的改進措施可以實現(xiàn)良好的控制性能，但利用改進的同步控制器進行交軸電流補償對最終同步性能的提高效果不明顯，而采用先進控制策略實現(xiàn)同步控制算法未考慮電機運行過程中電機參數(shù)變化帶來的影響。為實現(xiàn)更好的轉速同步性能，本文采用自抗擾控制技術實現(xiàn)電機轉速控制，同步控制器輸出對電機轉矩進行補償，同時考慮電機運行過程中定子電阻、交直軸電感、磁鏈隨溫度發(fā)生變化，轉動慣量隨負載發(fā)生變化。文獻[7]對采用自抗擾控制技術的永磁同步電機矢量控制方案進行轉動慣量辨識，本文將考慮電機實際運行過程中電機參數(shù)隨溫度發(fā)生的變化，利用模型參考自適應控制方法對電阻、電感、轉動慣量進行在線辨識，將辨識結果反饋給自抗擾控制器，通過仿真對整體方案進行驗證。仿真中主要考慮三方面擾動影響：轉矩擾動、電機參數(shù)擾動、掉電故障。

1 算法描述

1.1 自抗擾控制器

自抗擾控制技術通過跟蹤微分器TD解決了快速性和超調量之間的矛盾，同時采用的預測+補償模式，可以處理各種非線性、時變、不確定等一系列復雜問題。TD用于安排輸入信號的過渡過程和提取其微分信號，其離散形式為[8]：

fh=fhan(v1-v0,v2,r0,h)

v1=v1+hv2

v2=v2+hfh

v0為需要安排過渡過程的信號，v1為其跟隨信號，v2為其微分信號。

擴張狀態(tài)觀測器ESO用于觀測系統(tǒng)的狀態(tài)變量，離散型線性擴張狀態(tài)觀測器為：

e=z1-y

z1=z1+h(z2-β11e)

z2=z2+h(-β12e)

(1)

y為系統(tǒng)輸出量，z1、z2分別為狀態(tài)量和擾動量估計值。

非線性誤差補償NLSEF部分采用非線性組合，補償系統(tǒng)擾動項：

e1=v1-z1

1.2 永磁同步電機模型

永磁同步電機控制結構如圖1所示，采用id=0 控制方案，永磁同步電機控制方程為：

也可表示為：

(2)

x1=x2+b2u

(3)

Γ=s3+(β21+β11)s2+(β21β11+β12)s+β21β12

選取β21=P,β11=2P,β12=P2

(4)

可以將系統(tǒng)特征方程配置成Γ=(s+P)3,即外環(huán)帶寬為P,同理適用于電流內(nèi)環(huán)。按照此比例構造自抗擾控制器控制參數(shù)。

圖1 電機控制結構

1.3 多電機偏差耦合控制

偏差耦合控制結構如圖2所示，各同步控制器輸入3個信號，即本電機的速度反饋和相鄰兩電機的轉速。最終目的是消除本電機轉速與相鄰兩電機轉速之間的偏差：

通過對速度差的比例積分可得到電機的電磁轉矩，而利用電機間的轉速差值產(chǎn)生的轉矩直接補償各電機的轉矩項在物理意義上更為直觀。

Te=k1(ωref-ω)+k2∫(ωref-ω)

圖2 偏差耦合控制結構

1.4 電機參數(shù)在線辨識

電機在實際運行過程中隨著溫度的升高，電阻、電感會增大，磁鏈會減小。電機參數(shù)在線辨識方面：最小二乘法、卡爾曼濾波、模型參考自適應[10]等一系列在線辨識策略各有優(yōu)缺點?；陔姍C參數(shù)辨識后需要與自抗擾控制器結合的要求，選擇辨識精度高、算法復雜度適中的模型參考自適應進行參數(shù)在線辨識，由永磁同步電機狀態(tài)方程構造參考模型。

由波波夫超穩(wěn)定理得到各電機參數(shù)辨識公式如下：

2 仿真分析

2.1 仿真參數(shù)

電機1額定轉矩6 N·m，額定轉速4 500 r/min,額定直流母線電壓300 V,電機極數(shù)4。以1號電機為原型機，其余電機參數(shù)在電機1的基礎上，考慮電阻增加20% 以內(nèi)，電感增加10%以內(nèi),磁鏈降低8% 以內(nèi)變化,各電機參數(shù)如表1所示。

表1 電機參數(shù)

表2 抗擾控制器參數(shù)

2.2 仿真波形

負載擾動和掉電故障情況下的電機輸出波形：四臺永磁同步電機各電機起始給定為300 rad/s,6 N，0.1s 時2號電機發(fā)生負載擾動，負載增加到14 N 。0.3 s時3號電機發(fā)生掉電故障，直流電壓由300 V降為225 V,0.4 s 時刻直流母線電壓恢復。0.5 s 時刻電機給定轉速由300 rad/s 變?yōu)?300 rad/s 。電機間同步轉速誤差最大發(fā)生在2號、4號電機間(Δω24)和3、2號電機間(Δω32)。同步轉速誤差誤差比≤0.016 7%。圖5中2號電機在增加8 N 負載擾動瞬間每臺電機將平均增加2 N左右的轉矩。圖6在轉矩擾動發(fā)生瞬間，四臺電機參考電流幾乎一致。仿真波形如圖3所示。

圖3 電機輸出轉速

圖4 電機間轉速差

圖5 各電機補償轉矩

圖6 電機參考交軸電流

參數(shù)擾動情況下的參數(shù)辨識波形：以電機1為例，參數(shù)發(fā)生改變情況下的辨識結果如圖7～9所示。虛線為給定值，實線為辨識值，其中電阻辨識誤差≤2.5%,電感辨識誤差≤0.2%,磁鏈辨識誤差≤0.3%。

圖7 電阻辨識

圖8 電感辨識

圖9 磁鏈辨識

3 結束語

整體控制方案可以實現(xiàn)負載擾動、掉電故障、參數(shù)擾動三種主要擾動情況下的永磁同步電機輸出轉速同步的目的。方案中考慮到了電機實際運行中因溫升引起參數(shù)變化情況，采用自適應控制算法在線辨識電機主要參數(shù)可以達到電機參數(shù)精確辨識的要求，將辨識結果用于在線調整自抗擾控制器結構參數(shù)，提高了自抗擾控制器的控制性能和系統(tǒng)的魯棒性。

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Multi-motor Synchronous Control Based on Active Disturbance Rejection Control Technique

Zhang Yu, Guan Zhenhong, Wang Tao, Du Ping, Meng Yi

(Key Laboratory of the Ministry of Education for Maglev Technology and Maglev Train, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China)

Based on a simulation of multi-motor synchronous control over permanent magnet synchronous motors adopting deviation coupling control, this paper uses active disturbance rejection technique to achive motor control, whereby the outputs of synchronous controllers compensate for load torque. Considering the fact that motor parameters change with temperature during its operation, in order to improve the speed synchronization control performance, we use the model reference adaptive algorithm to achieve online identification of motor parameters, and apply the result for online correction of the structure parameters of the adaptive disturbance rejection controller. This paper analyzes theoretically error convergence caused by disturbance. Simulation results verify the feasibility of the total scheme. Using this control strategy, one can achieve speed synchronization control over four permanent magnet synchronous motors.

permanent magnet synchronous motor;torque compensation; parameter identification; error convergence; online correction

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.003

TM921

A

1000-3886(2017)02-0009-03

張羽(1992-)，男，遼寧盤錦人，碩士生，研究方向為電力電子與交流傳動。 關振宏 (1967-)，男，湖南常德人，碩士生導師，副教授，研究方向為電力牽引與傳動控制。 王濤(1972-)，男，四川樂山人，碩士生導師，副教授，研究方向為交流傳動技術，計算機控制技術。 杜平(1992-)，男，四川廣安人，碩士生，研究方向為電力電子與交流傳動。孟一 (1993-)，男，河南商丘人，碩士生，研究方向為電力電子與交流傳動。