陳路明，廖自力，劉春光

(陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072)(9)

0 引 言

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，車載用電設(shè)備種類和數(shù)量的不斷增多，車輛電能需求呈現(xiàn)顯著增長態(tài)勢。傳統(tǒng)車輛多以機(jī)械傳動(dòng)方式為主，其發(fā)電系統(tǒng)逐漸難以滿足車輛的電能需求。為突破的結(jié)構(gòu)性發(fā)展瓶頸，研究者將目光轉(zhuǎn)向電傳動(dòng)車輛方向。電傳動(dòng)車輛以電能作為內(nèi)部動(dòng)力傳遞方式，具有布置的靈活性和傳遞的高效性，因此成為應(yīng)對(duì)電氣化挑戰(zhàn)的重要手段[1]。車載發(fā)電系統(tǒng)是電傳動(dòng)車輛的核心動(dòng)力系統(tǒng)，通過發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行發(fā)電，完成機(jī)電能量之間的轉(zhuǎn)化，配合高功率密度或能量密度的儲(chǔ)能裝置，穩(wěn)定輸出高質(zhì)量電能[2]?？紤]到車輛運(yùn)行環(huán)境通常比較惡劣，存在諸多不確定性的擾動(dòng)影響，如轉(zhuǎn)矩脈振、轉(zhuǎn)速波動(dòng)和負(fù)載突加突卸等，可能造成系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定性，制約其在大功率電傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

為攻克這一問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了很多嘗試，提出了很多抑制擾動(dòng)的方法?？偨Y(jié)起來大致可以分成硬件方面改變系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)和軟件方面改進(jìn)系統(tǒng)控制方法兩種。改變系統(tǒng)固有結(jié)構(gòu)是指對(duì)明顯影響電機(jī)性能的電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如轉(zhuǎn)子磁極傾斜或者定子斜槽等[3]，受到當(dāng)前電機(jī)工藝水平等條件限制，電機(jī)自身結(jié)構(gòu)改進(jìn)空間已接近極限；改進(jìn)系統(tǒng)控制方法是指對(duì)通過有效控制以減少擾動(dòng)影響的方法，車載發(fā)電系統(tǒng)大多基于常規(guī)PID 控制方式設(shè)計(jì)[4]，主要面向線性控制系統(tǒng)，但距離非線性系統(tǒng)穩(wěn)壓發(fā)電要求還存在一定差距。先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)為系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)計(jì)算或狀態(tài)估計(jì)提供了應(yīng)用空間，并且為模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和自適應(yīng)控制等智能方法的應(yīng)用提供了可能[5]，有助于提升車載發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)壓輸出能力。

自抗擾控制(以下簡稱ADRC)繼承了常規(guī)PID控制器不依賴對(duì)象模型的優(yōu)點(diǎn)，是與現(xiàn)代控制理論相結(jié)合發(fā)展起來的新型非線性控制技術(shù)，從根本上克服了常規(guī)PID的結(jié)構(gòu)性缺陷，自動(dòng)檢測和補(bǔ)償內(nèi)外擾動(dòng)，因此具有良好的控制效果[6-7]。在工程實(shí)踐上，ADRC技術(shù)在電氣系統(tǒng)、化工過程和精密機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文以某型軍用電傳動(dòng)車輛的發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，將ADRC引入到車載發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，以提高系統(tǒng)在擾動(dòng)下的穩(wěn)壓發(fā)電性能。

1 車載發(fā)電系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

車載發(fā)電系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、永磁同步電機(jī)、整流功率變換器、儲(chǔ)能元件(主要為動(dòng)力電池和超級(jí)電容復(fù)合電源)、控制器和轉(zhuǎn)子位置檢測器等構(gòu)成[8]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中各部件功能如下：控制器對(duì)來自永磁同步電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池和超級(jí)電容等部件的信號(hào)進(jìn)行處理，輸出控制指令給功率變換器，控制電機(jī)工作狀態(tài)；內(nèi)置式旋轉(zhuǎn)變壓器檢測轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信號(hào)，將檢測結(jié)果輸送給控制器；整流/逆變功率變換器處理來自控制器的信號(hào)，完成交流電到直流電整流變換及其可逆變換過程；儲(chǔ)能元件由超級(jí)電容和動(dòng)力電池組成，不同部件特性優(yōu)勢互補(bǔ)，用于滿足負(fù)載的功率和能量需求。

1.2 電機(jī)數(shù)學(xué)模型

在d-q坐標(biāo)系下建立永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，從定子電壓、定子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程4個(gè)角度進(jìn)行描述[9]，分別表示:

定子電壓方程:

(1)

定子磁鏈方程:

(2)

電磁轉(zhuǎn)矩方程:

(3)

機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程:

(4)

式中：ud,uq為定子d,q軸電壓；Rs為定子相電阻；id,iq為定子d,q軸電流；p=d/dt為微分算子；ψd,ψq為定子d,q軸磁鏈；ωe為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度；Ls為定子電感；p為極對(duì)數(shù)；ψf為永磁體磁鏈；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωm為電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度；B為粘滯摩擦系數(shù)。

1.3 發(fā)電控制策略

車載發(fā)電系統(tǒng)通常采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)，考慮外環(huán)反饋特性，控制電機(jī)輸出電壓恒定，將給定電壓與反饋電壓的差值作為控制量，控制車載發(fā)電系統(tǒng)，原理如圖2所示。

圖2 車載發(fā)電系統(tǒng)控制原理示意圖

發(fā)電階段電機(jī)轉(zhuǎn)速通常高于額定轉(zhuǎn)速，為保證電機(jī)仍運(yùn)行在恒功率狀態(tài)，需要采取弱磁方式進(jìn)行磁場校正，考慮到逆變器額定電壓和容量限制，電機(jī)最大相電流幅值ismax和最大相電壓幅值usmax存在以下約束條件[10]:

(5)

(6)

由式(5)知，電流約束關(guān)系在iq-id坐標(biāo)平面面上構(gòu)成一個(gè)圓，由下式可得:

(7)

由式(6)知，電壓約束條件在iq-id坐標(biāo)平面上構(gòu)成一個(gè)橢圓，由下式可得:

(8)

電流極限圓和電壓約束橢圓如圖3所示。

圖3 弱磁控制中iq-id變化關(guān)系圖

由圖3可知：電壓約束橢圓以(-ψf/Ld,0)為中心，并隨轉(zhuǎn)速升高而減??；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高時(shí)，電機(jī)反電勢將不斷增大；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到ω4時(shí)，即p·ω4·ψs=usmax時(shí)，此時(shí)電機(jī)反電勢達(dá)到逆變器最大限制電壓；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速增大到ω≥ω4時(shí)，電機(jī)進(jìn)入恒功率運(yùn)行狀態(tài)，弱磁控制直軸電流id和交軸電流iq大小，使電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增加。

2 ADRC設(shè)計(jì)

為發(fā)揚(yáng)常規(guī)PID控制器的優(yōu)點(diǎn)，克服其不足，中科院韓京清研究員提出了一種自抗擾的魯棒性控制技術(shù)，該方法深度結(jié)合了現(xiàn)代控制理論非線性的控制特點(diǎn)，不需知道被控對(duì)象具體模型，通過自動(dòng)計(jì)算并補(bǔ)償未知擾動(dòng)，提高控制性能。

2.1 自抗擾控制器結(jié)構(gòu)

圖4為ARDC的結(jié)構(gòu)框圖。它主要包括3部分組成[11]：擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(以下簡稱TD)、跟蹤微分器(以下簡稱ESO)以及非線性狀態(tài)誤差反饋控制律(以下簡稱NLSEF)。假設(shè)受到未知擾動(dòng)作用的非線性不確定對(duì)象數(shù)學(xué)模型:

(9)

其中，ESO作為ARDC的核心，用于觀測系統(tǒng)狀態(tài)，實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)總擾動(dòng)；TD用于快速無超調(diào)的跟蹤系統(tǒng)輸入，給出其各階微分信號(hào)；NLSEF用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行非線性組合，生成補(bǔ)償控制量。

圖4 ADRC結(jié)構(gòu)框圖

2.2 ADRC數(shù)學(xué)模型

TD:

(10)

ESO:

(11)

NLSEF:

(12)

式中：e為系統(tǒng)輸出量與輸出值之間差值；z1，z2分別為系統(tǒng)輸出量及其微分估計(jì)值；β1,β2為表達(dá)式的可調(diào)參數(shù)，需要被整定；α1,α2為濾波因子；δ為線性區(qū)間的寬度；b為擾動(dòng)補(bǔ)償參數(shù)；u為補(bǔ)償后得到的控制量；v1為輸入信號(hào)的跟蹤值；v為輸入信號(hào)的給定值；r為速度因子，決定跟蹤的速度；h為濾波因子，對(duì)噪聲起濾波作用；e1為輸入信號(hào)的跟蹤值與輸出值之間差值；u0為非線性組合輸出的控制量；α為濾波因子。

非線性濾波函數(shù)fal(·)取:

(13)

由于ADRC結(jié)構(gòu)中包含較多參數(shù)，需要依據(jù)已知的被控對(duì)象特點(diǎn)等信息，整定內(nèi)部參數(shù)，建立面向?qū)ο蟮腁DRC應(yīng)用模型。

2.3 ADRC仿真模型

依據(jù)數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境中搭建ADRC模型[13]，如圖5所示。

圖5 MATLAB/Simulink ADRC仿真模型

ADRC各主要部分的仿真模型如圖6所示。

(a) TD

(b) ESO

(c) NLSEF

將上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，得到ADRC功能模塊，替換常規(guī)PID控制器，嵌入到車載發(fā)電系統(tǒng)模型，圖7即為建立得到的自抗擾發(fā)電系統(tǒng)模型。

圖7 基于自抗擾的車載發(fā)電系統(tǒng)模型

3 仿真試驗(yàn)結(jié)果

仿真試驗(yàn)前，需要對(duì)車載發(fā)電系統(tǒng)模型進(jìn)行參數(shù)整定：首先依據(jù)表1所示的永磁同步電機(jī)主要參數(shù)，建立實(shí)際電機(jī)仿真模型；然后整定控制器主要參數(shù)，建立自抗擾發(fā)電系統(tǒng)模型的應(yīng)用基礎(chǔ)；最后設(shè)定擾動(dòng)環(huán)境，觀測輸出結(jié)果，對(duì)比研究兩種控制器的作用效果。

表1 永磁同步電機(jī)主要參數(shù)

根據(jù)實(shí)際調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)基本參數(shù)進(jìn)行整定：TD中速度因子r盡量較大，取為r=100，兼顧濾波效果和安排過渡過程，設(shè)定濾波因子h=0.1；取濾波函數(shù)fal(·)中的各參數(shù)為α1=05，α2=0.25,δ=0.05，擾動(dòng)補(bǔ)償參數(shù)b=1.5npψf(JLq)-1作為參考值，β1=120，β2=2 500；取NLSEF中α=0.1，β=80，建立起ADRC仿真模型。

為檢驗(yàn)基于自抗擾控制的車載發(fā)電系統(tǒng)效果，將外部擾動(dòng)下的主要參數(shù)變化作為參考指標(biāo)，采用有限帶寬的白噪聲模擬發(fā)動(dòng)機(jī)油泵故障或積碳等造成的轉(zhuǎn)速擾動(dòng)，對(duì)比研究ADRC和常規(guī)PID控制器的輸出曲線，結(jié)果如圖8所示。

(a)轉(zhuǎn)速波動(dòng)噪聲曲線

(b)輸出電壓變化曲線

(c)輸出電壓局部放大曲線

(d)電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化曲線

(e)電機(jī)電流變化曲線

由圖8可知，車載發(fā)電系統(tǒng)采用不同的控制器得到的結(jié)果存在一定差異。開始時(shí)，常規(guī)PID控制器電壓曲線上升迅速，但出現(xiàn)明顯超調(diào)，0.6 s左右輸出電壓能夠穩(wěn)定在750 V左右，相比而言，ADRC電壓曲線上升較慢，但基本不超調(diào)，0.3 s左右輸出電壓穩(wěn)定在750 V左右；在1 s時(shí)刻后，由于轉(zhuǎn)速存在噪聲擾動(dòng)，轉(zhuǎn)速在50 r/min上下波動(dòng)，導(dǎo)致輸出電壓的不穩(wěn)定，ADRC電壓波動(dòng)在1 V左右，明顯小于常規(guī)PID控制器近4 V的電壓波動(dòng)，對(duì)擾動(dòng)的抑制作用比較顯著。

另外，采用ADRC后，車載發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅值得到降低，明顯低于常規(guī)PID控制器的對(duì)應(yīng)結(jié)果；在施加轉(zhuǎn)速噪聲擾動(dòng)時(shí)，能夠通過內(nèi)部補(bǔ)償機(jī)制快速抑制擾動(dòng)影響。同時(shí)，ADRC電流波動(dòng)的幅值和頻率得到改善，明顯低于常規(guī)PID控制器的對(duì)應(yīng)結(jié)果?？傊?，相比常規(guī)PID控制的車載發(fā)電系統(tǒng)，自抗擾控制的車載發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)壓控制效果得到顯著提升。

4 結(jié) 語

針對(duì)車載發(fā)電系統(tǒng)存在的擾動(dòng)問題，建立了永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型和車載發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，引入自抗擾控制手段研究轉(zhuǎn)速擾動(dòng)下的系統(tǒng)輸出變化情況，對(duì)比常規(guī)PID控制器的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了自抗擾控制在車載發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。然而，在控制器設(shè)計(jì)過程中，主要側(cè)重外部擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，還未將內(nèi)部的諸多擾動(dòng)因素考慮進(jìn)來，后續(xù)研究中要側(cè)重研究內(nèi)部主要的擾動(dòng)因素，優(yōu)化調(diào)整ADRC自身結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)，全面提升車載發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定工作能力。

[1] 廖自力,馬曉軍,臧克茂,等.全電戰(zhàn)斗車輛發(fā)展概況及關(guān)鍵技術(shù)[J].火力與指揮控制,2008,33(5):1-4.

[2] 張希,米春亭.車輛能量管理:建模、控制與優(yōu)化[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013:127-138.

[3] 夏長亮,俞衛(wèi),李志強(qiáng).永磁無刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的自抗擾控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(24):137-142.

[4] 盧鐵軍.混合動(dòng)力汽車電動(dòng)機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化控制系統(tǒng)研究[D].北京:北京信息科技大學(xué),2013.

[5] 盧達(dá).永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制策略研究[D].杭州:浙江大學(xué),2013.

[6] 邱曉波,竇麗華,韓京清,等.自抗擾控制在坦克機(jī)動(dòng)目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)中的應(yīng)用[J].兵工學(xué)報(bào),2009,30(7):104-107.

[7] 郭鑫,劉新妹.自抗擾控制器在平面電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2014,30(7):989-993.

[8] 毛明,韓政達(dá),劉翼.論全電車輛的能量管理和功率管理[C]//第三屆特種車輛全電化技術(shù)發(fā)展論壇組織委員會(huì).第三屆特種車輛全電化技術(shù)發(fā)展論壇論文集,2014:162-168.

[9] 劉偉,殷國棟.混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)建模與控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014:28-31.

[10] 唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010:252-262.

[11] 鄭穎,馬大為,姚建勇,等.基于自抗擾技術(shù)的火箭炮伺服系統(tǒng)解耦控制[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2014,35(4):6-10.

[12] 蘇位峰.異步電機(jī)自抗擾矢量控制調(diào)速系統(tǒng)[D].北京:清華大學(xué),2004.

[13] 王正林,王勝開,陳國順,等.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012:44-64.