永磁同步電動機自抗擾控制器設計

1、    永磁同步電動機自抗擾控制器設計    石一飛沈宇桐王玉【摘 要】針對永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)存在的參數(shù)魯棒性差、抗負載擾動性能差的缺陷，基于自抗擾控制原理，設計一種可以取代經(jīng)典pi控制器的速度環(huán)自抗擾控制器，該控制器估計系統(tǒng)的總擾動并進行前饋補償。simulink仿真結(jié)果表明，自抗擾控制較常規(guī)pi控制有較好的動態(tài)性能及較強的抗負載擾動能立和魯棒性?！娟P鍵詞】自抗擾控制器；永磁同步電機；矢量控制；速度控制永磁同步電機具有響應快、效率高、轉(zhuǎn)矩慣性比大和運行可靠性高等優(yōu)點，是高性能傳動和伺服系統(tǒng)執(zhí)行機構的最佳選擇之一，得到廣泛的應用。如機械工具、工業(yè)機

2、器人、航空、航天、特種機床等場合。永磁同步電機矢量控制的性能指標主要通過速度環(huán)反映出來，要求速度控制調(diào)速范圍寬、響應快、精度高，尤其是要求速度環(huán)控制對系統(tǒng)參數(shù)變化和負載擾動具有很強的魯棒性。傳統(tǒng)的永磁同步電機矢量控制方法借鑒早期的模擬式系統(tǒng)把速度環(huán)控制器設計為pi或者pid控制器，性能上滿足了工程應用的基本要求，方法上簡單易行，獲得廣泛的應用。但是電機本身是多變量、強耦合、非線性的控制對象，基于經(jīng)典控制理論的控制器在參數(shù)匹配良好的情況下性能良好，但是出現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)變化或者負載擾動，將導致系統(tǒng)控制性能性能下降，動態(tài)響應和抗擾能力不能得到很好地兼顧。近些年各種非線性控制方案相繼出現(xiàn)，如人工智能、無源

3、控制、滑?？刂?、反推控制等，但是這些方法控制器往往較為復雜而且都是基于對象模型設計的，限制了其在實際中的應用。自抗擾控制是20世紀90年代我國韓京清研究員吸取現(xiàn)代控制理論的成就和發(fā)揚pid基于誤差反饋消除誤差控制精髓，提出的能夠替代pid控制技術的、不依賴被控對象精確模型的新型實用的數(shù)字控制技術，在化工、電力、航天等領域得到推廣和應用。它將系統(tǒng)參數(shù)變化和外界擾動形成的總擾動通過觀測器觀測并進行補償，具有很強的魯棒性，能較好的克服傳統(tǒng)pi控制器快速性和超調(diào)、快速性與抗擾動性能矛盾。鑒于自抗擾控制器需要整定的參數(shù)多、整定困難，本文采用simulink仿真自抗擾控制算法，尋求自抗擾控制算法的參數(shù)整定

4、方法，并與pi控制器進行比較研究，驗證方案的有效性。1 自抗擾控制算法自抗擾控制器對經(jīng)典的pid控制進行優(yōu)化，采用“用誤差反饋消除誤差”的核心理念，把作用于被控對象的所有不確定因素都歸為“未知擾動”，用被控對象的電壓、電流等對它進行估計并補償，不需要外擾動的模型。包括跟蹤微分器（td）、擴張狀態(tài)觀測器（eso）和非線性狀態(tài)誤差反饋控制律（nlsef）三部分，如圖1所示。自抗擾控制器算法不唯一，典型的一階自抗擾控制器算法為：2 仿真結(jié)果應用上面給出的自抗擾控制器算法，在simulink環(huán)境下建立系統(tǒng)仿真模型進行仿真研究，系統(tǒng)框圖如圖2所示。實驗用永磁同步電動機參數(shù)分別為：rs=2.875，ld=

5、lq=8.5mh，j=0.8×10-3kgm2，f=0.175wb，p=4，額定轉(zhuǎn)速nn=1000r/min。給定轉(zhuǎn)速1000r/min，系統(tǒng)空載起動，為觀察系統(tǒng)抗負載擾動能力，t=0.1s時突加3n·m負載轉(zhuǎn)矩。圖3為速度環(huán)采用pi控制器和自抗擾控制器的速度響應曲線?？梢?，pi控制速度有較大超調(diào)，突然加負載時速度降落略大，速度恢復時間較長，而自抗擾控制器響應快、無超調(diào)，抗負載擾動能力和魯棒能力較強，對系統(tǒng)無較大的損害。3 結(jié)論自抗擾控制是一種不依賴對象動態(tài)模型結(jié)構，但是允許對象存在不確定性的控制方案，本文在矢量控制系統(tǒng)基礎上進行速度環(huán)控制算法的研究，將自抗擾控制引入永磁同

6、步電機速度環(huán)控制取代傳統(tǒng)pi控制器。仿真結(jié)果表明該方法抗負載擾動、魯棒性和自適應性均較強，具有優(yōu)良的動、靜態(tài)性能?！緟⒖嘉墨I】1劉英培，栗然，梁海平.基于最小二乘支持向量機優(yōu)化自抗擾控制器的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制方法j.中國電機工程學報，2014，27：4654-4664.2薛樹功，瞿成明，魏利勝.永磁同步電機自抗擾控制研究j.安徽工程大學學報，2011，04：44-46.3王超，李世華，田玉平.基于自抗擾技術的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制j.電氣傳動，2007，07：14-17.4孫凱，許鎮(zhèn)琳，蓋廓，鄒積勇，竇汝振.基于自抗擾控制器的永磁同步電機位置伺服系統(tǒng)j.中國電機工程學報，2007，15：43-46.5林大鵬，扈宏杰.基于ardc控制方法的電動舵機控制系統(tǒng)j.自動化應用，20