改進(jìn)自抗擾的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制無(wú)傳感系統(tǒng)研究*

韓 曄, 厲 虹

(北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,北京 100192)

改進(jìn)自抗擾的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制無(wú)傳感系統(tǒng)研究*

韓 曄, 厲 虹

(北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,北京 100192)

針對(duì)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)低速時(shí)傳統(tǒng)電壓模型對(duì)定子磁鏈估計(jì)不準(zhǔn)確的問題，采用自抗擾控制技術(shù)中的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)定子磁鏈和轉(zhuǎn)速進(jìn)行估計(jì)，提高觀測(cè)精度并實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的無(wú)傳感器運(yùn)行；對(duì)自抗擾調(diào)節(jié)器進(jìn)行改進(jìn)，簡(jiǎn)化調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)并引入模糊控制對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，減少待整定參數(shù)并實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。將改進(jìn)的自抗擾調(diào)節(jié)器替代PI調(diào)節(jié)器用于速度調(diào)節(jié)，以提高系統(tǒng)的抗擾性；采用空間電壓矢量調(diào)制替代傳統(tǒng)的開關(guān)表和滯環(huán)比較器，使功率器件開關(guān)頻率恒定，減小系統(tǒng)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了算法的有效性。

永磁同步電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；自抗擾控制；擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器；空間矢量脈寬調(diào)制；模糊控制

0 引 言

直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，DTC)是利用逆變器輸出的電壓矢量直接控制電機(jī)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的高性能交流電機(jī)控制方法[1]。與矢量控制相比，DTC摒棄了解耦的思想，省去了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)[2]。采用矢量控制或DTC的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)需要用機(jī)械傳感器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度，而機(jī)械傳感器的使用會(huì)增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，降低系統(tǒng)的可靠性。因此，永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)的無(wú)速度傳感器技術(shù)[3-4]也是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度和位置的估計(jì)方法可分為適用于中高速的開環(huán)估計(jì)法[5]、模型參考自適應(yīng)法[6]，適用于低速的高頻注入法[7]、卡爾曼濾波法[8]，以及適用于轉(zhuǎn)子初始位置估計(jì)的INFORM法[9]等。

PMSM具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，要滿足其在復(fù)雜系統(tǒng)中的應(yīng)用，必須提高電機(jī)性能，克服大負(fù)載和多變擾動(dòng)工況帶來(lái)的影響。在傳統(tǒng)的DTC系統(tǒng)中，采用傳統(tǒng)的電壓積分法進(jìn)行磁鏈估計(jì)會(huì)出現(xiàn)積分初值難以確定、誤差積累、直流信號(hào)偏置等問題，尤其是在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)反電勢(shì)很小，對(duì)定子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)；速度反饋采用PI算法，存在系統(tǒng)快速性和超調(diào)間的矛盾；滯環(huán)比較器只能做出非0即1的判斷，無(wú)法區(qū)分系統(tǒng)偏差的大小，造成逆變器開關(guān)頻率不恒定；系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，定子電阻值變化造成磁鏈畸變，導(dǎo)致磁鏈估計(jì)偏差較大。上述問題的存在，使DTC系統(tǒng)輸出磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，抗干擾性能較差，制約了DTC在工程中的應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)一種改進(jìn)的自抗擾控制器(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)[10-15]，對(duì)典型的ADRC結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，減少待整定參數(shù)，并引入模糊控制[16-17]對(duì)ADRC的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使控制器具有更強(qiáng)的自適應(yīng)性。采用改進(jìn)的ADRC替代PI控制器用于速度調(diào)節(jié)，減小電機(jī)參數(shù)變化和負(fù)載擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響；采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(Extended State Observer,ESO)準(zhǔn)確估計(jì)系統(tǒng)的磁鏈和轉(zhuǎn)速，提高系統(tǒng)低速運(yùn)行時(shí)的觀測(cè)精度；采用空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)技術(shù)[18]替代傳統(tǒng)的開關(guān)表和滯環(huán)比較器，保證逆變器開關(guān)頻率恒定，抑制DTC系統(tǒng)中輸出磁鏈和轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。仿真驗(yàn)證了上述方法的有效性。

1 改進(jìn)ADRC的速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

1. 1 ADRC的數(shù)學(xué)模型

ADRC主要由三部分組成：非線性跟蹤微分器(Tracking Differentiator，TD)、ESO和非線性狀態(tài)誤差反饋(Nonlinear State Error Feedback，NLSEF)。其中TD實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸入信號(hào)的快速跟蹤，并能從中提取出良好的微分信號(hào)；ESO是ADRC的核心，通過ESO的觀測(cè)可以得到各狀態(tài)變量的估計(jì)值，且能估計(jì)出內(nèi)外擾動(dòng)的實(shí)時(shí)作用量并加以反饋和補(bǔ)償；NLSEF是ESO和TD產(chǎn)生的狀態(tài)量估計(jì)值間誤差的非線性組合。

設(shè)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中:f0，b0——已知部分；f1，b1——未知部分；w(t)——未知擾動(dòng)；u——控制輸入。

一階ADRC結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 一階ADRC結(jié)構(gòu)框圖

圖1中，v是系統(tǒng)輸入信號(hào)；v1是v的跟蹤信號(hào)；y是被控對(duì)象的輸出信號(hào)；z1是y的跟蹤信號(hào)；z2是擾動(dòng)觀測(cè)值；b0是補(bǔ)償因子；z2/b0是用于補(bǔ)償對(duì)象內(nèi)外擾動(dòng)的補(bǔ)償量。u0是經(jīng)過NLSEF得到的被控對(duì)象初始信號(hào)；u是經(jīng)過補(bǔ)償擾動(dòng)后得到的最終控制信號(hào)。

由于一階ADRC需要整定的參數(shù)較多，且參數(shù)的調(diào)整過程繁雜，不利于在工程中推廣應(yīng)用。為了降低模型的復(fù)雜性并減小控制器的計(jì)算量，本文在保留ADRC精華的前提下，對(duì)控制器進(jìn)行改進(jìn)。

1. 2 改進(jìn)的ADRC速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

PMSM的運(yùn)動(dòng)方程為

(2)

式中：Te——電磁轉(zhuǎn)矩；TL——負(fù)載轉(zhuǎn)矩；ωr——電機(jī)轉(zhuǎn)速；B——摩擦力矩；J——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

根據(jù)式(2)，轉(zhuǎn)速輸出方程可寫為

(3)

由式(3)可知，負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦力矩的變化都會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)速控制的精度產(chǎn)生影響，所以將其視為擾動(dòng)，則式(3)可表示為

(4)

由于TD的主要作用是提取微分信號(hào)，但對(duì)一階ADRC而言，ESO只輸出系統(tǒng)和觀測(cè)擾動(dòng)的跟蹤信號(hào)，并沒有控制對(duì)象的微分輸出信號(hào)，所以TD在系統(tǒng)中只起到了濾波作用。為降低模型復(fù)雜性并減少待整定參數(shù)，可省略TD。在NLSEF中由于fal函數(shù)的特性曲線并不平滑，這種不平滑特性易使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后產(chǎn)生抖振，故可采用比例增益替代NLSEF部分，便于數(shù)字計(jì)算的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。此時(shí)，一階ADRC控制器數(shù)學(xué)模型如下。

ESO：

(5)

非線性誤差反饋控制率：

(6)

式中的fal函數(shù)表示為

(7)

在工程應(yīng)用中，一階ADRC中NLSEF的誤差增益系數(shù)β不易調(diào)節(jié)，在多變擾動(dòng)工況的條件下，該參數(shù)需要進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，這不利于實(shí)際應(yīng)用。因此,本文將模糊控制用于ADRC的設(shè)計(jì)中，利用模糊規(guī)則對(duì)NLSEF中的參數(shù)進(jìn)行整定，達(dá)到在線修改參數(shù)的目的，有利于ADRC控制器在工程實(shí)際中的應(yīng)用。

模糊控制器的輸入為系統(tǒng)給定速度與狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)反饋速度的狀態(tài)估計(jì)值間的誤差e和誤差變化率ec，輸出為NLSEF中待整定參數(shù)的修正值Δβ。在它們的論域上均定義7個(gè)語(yǔ)言子集，分別為{“正大(PB)”、“正中(PM)”, “正小(PS)”、“零(ZO)”、“負(fù)大(NB)”、“負(fù)中(NM)”, “負(fù)小(NS)”}。取e和ec的論域分別為[-4，+4]、[-15，+15]， 隸屬度函數(shù)選取高斯型；取Δβ的論域?yàn)閇-0.6，0.6]，隸屬度函數(shù)選取三角形；模糊推理采用Mamdani算法，去模糊化算法采用平均加權(quán)法[19]。對(duì)Δβ整定的模糊規(guī)則如表1所示。

表1 Δβ模糊規(guī)則表

去模糊化后，查出修正值Δβ后代入式(8)：

(8)

式中：β′——NLSEF中誤差增益的初始值。

改進(jìn)的自抗擾速度調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的一階自抗擾速度調(diào)節(jié)器框圖

2 基于ESO的磁鏈和轉(zhuǎn)速觀測(cè)器

PMSM DTC無(wú)傳感系統(tǒng)需要對(duì)定子磁鏈和轉(zhuǎn)速進(jìn)行準(zhǔn)確觀測(cè)。由于PMSM在αβ坐標(biāo)系下的定子磁鏈方程中包含電機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)子位置信息，所以將定子磁鏈方程作為研究對(duì)象，把含磁鏈和轉(zhuǎn)速的不確定項(xiàng)擴(kuò)張為新的狀態(tài)變量，利用ESO進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè),并提取出磁鏈和轉(zhuǎn)速狀態(tài)信息，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)傳感器運(yùn)行。

PMSM在兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓方程為

(9)

磁鏈方程為

(10)

式中：iα、iβ,uα、uβ,ψα、ψβ——定子電流、電壓、磁鏈在α、β軸上的分量；

ψr——轉(zhuǎn)子永磁磁鏈；

Ls——定子電感；

Rs——定子電阻；

ωr——電機(jī)轉(zhuǎn)速;

θr——轉(zhuǎn)子位置角。

由式(9)、式(10)可得

(11)

由于系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量的是定子電流和電壓，待估量為定子磁鏈，因此選輸入變量U=[uαuβ]T,輸出變量I=[iαiβ]T，狀態(tài)變量X1=[ψαψβ]T，即可得到狀態(tài)方程：

(12)

為設(shè)計(jì)狀態(tài)觀測(cè)器，將f(X1)分解成兩部分，即：

式中:f1(X1)——線性項(xiàng);f2(X1)——非線性項(xiàng)。

由于f2(X1)中包含轉(zhuǎn)子位置信息θr，所以將f1(X1)視為系統(tǒng)的已知部分，將f2(X1)視為系統(tǒng)的未知部分并擴(kuò)張成新的狀態(tài)變量X2，即有

(13)

(14)

根據(jù)式(14)可構(gòu)造ESO為

(15)

由式(15)可得定子磁鏈的實(shí)時(shí)觀測(cè)值：

(16)

(17)

(18)

與一些傳統(tǒng)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)速估計(jì)方法相比，基于ESO的觀測(cè)方法可將系統(tǒng)中的所有不確定因素都?xì)w為未知擾動(dòng)，只要ESO對(duì)擴(kuò)張項(xiàng)的觀測(cè)準(zhǔn)確，就可以保證磁鏈和轉(zhuǎn)速的估計(jì)準(zhǔn)確，減小了電機(jī)參數(shù)變化和負(fù)載擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，提高了磁鏈解算和轉(zhuǎn)速估計(jì)的準(zhǔn)確性。

3 SVPWM DTC系統(tǒng)

表貼式PMSM的轉(zhuǎn)矩方程為

(19)

對(duì)式(19)求導(dǎo)可得

(20)

式(20)表明，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te與負(fù)載角δ之間存在著非線性關(guān)系。當(dāng)δ很小時(shí)，cosδ可近似為1，則Te與δ之間近似為線性關(guān)系。所以，用PI調(diào)節(jié)器可將轉(zhuǎn)矩誤差T轉(zhuǎn)化成負(fù)載角增量δ，這時(shí)，可依據(jù)負(fù)載角偏差δ、定子磁鏈位置角θs和給定定子磁鏈幅值計(jì)算出參考定子磁鏈?zhǔn)噶吭讦力伦鴺?biāo)上的分量：

(21)

則定子磁鏈?zhǔn)噶康钠顬?/p>

(22)

再結(jié)合定子電流和電阻及其采樣周期就可以得到預(yù)期電壓矢量Us及其分量Uα、Uβ的大小：

(23)

(24)

式中:φ——參考電壓矢量的位置角。

計(jì)算出參考電壓矢量后，通過SVPWM算法得到電壓矢量間的等效組合。其中，完成SVPWM算法可分為三個(gè)步驟，首先要判斷出電壓矢量所處的扇區(qū)，然后推導(dǎo)出電壓矢量的通用時(shí)間變量，再根據(jù)電壓矢量的作用時(shí)間生成控制信號(hào)，最終輸出六路脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變器控制電機(jī)。

由上述分析可知，在參考定子磁鏈和參考電壓矢量的計(jì)算中考慮了電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的誤差，利用SVPWM算法將得到的預(yù)期電壓矢量表示成基本電壓矢量和零電壓矢量的優(yōu)化組合，并以逼近預(yù)期電壓矢量為目標(biāo)來(lái)確定開關(guān)電壓矢量的作用時(shí)間，最終對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的偏差進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償，降低系統(tǒng)輸出的磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。另外，在傳統(tǒng)的DTC系統(tǒng)中，滯環(huán)比較器環(huán)寬的設(shè)置范圍會(huì)影響到逆變器的開關(guān)頻率，導(dǎo)致開關(guān)頻率不恒定。SVPWM算法的采樣周期恒定，可保證逆變器的開關(guān)周期和頻率恒定，提高了系統(tǒng)的可靠性。

4 仿 真

基于改進(jìn)ADRC的PMSM DTC無(wú)傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，速度調(diào)節(jié)采用模糊ADRC，通過ESO對(duì)定子磁鏈和轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確估計(jì)，得到反饋的電磁轉(zhuǎn)矩值和轉(zhuǎn)速估計(jì)值。給定電磁轉(zhuǎn)矩和反饋電磁轉(zhuǎn)矩間的誤差信號(hào)經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后輸出負(fù)載角的偏差。根據(jù)負(fù)載角的偏差、定子磁鏈位置角及給定磁鏈的幅值計(jì)算出參考定子磁鏈?zhǔn)噶浚源_定預(yù)期電壓矢量，最終經(jīng)過SVPWM輸出6路控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變器。

圖3 基于改進(jìn)ADRC的PMSM DTC無(wú)傳感器系統(tǒng)

在MATLAB/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真。其中逆變器的直流母線電壓Ud=400 V，磁鏈給定值Ψ*=0.215 Wb。PMSM參數(shù)如下：極對(duì)數(shù)p=4，定子電阻R=2.875，dq軸電感Ld=Lq=8.5 mH，轉(zhuǎn)子磁鏈Ψf=0.215 Wb，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.8×10-4kg·m2，摩擦因數(shù)B=0。

給定轉(zhuǎn)速為300 r/min、轉(zhuǎn)矩為3 N·m的條件下，轉(zhuǎn)速在0.1 s時(shí)從300 r/min突變到600 r/min，轉(zhuǎn)矩在0.25 s時(shí)由3 N·m跳變到10 N·m。圖4為采用傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)和改進(jìn)ADRC的DTC系統(tǒng)得到的定子磁鏈軌跡。

圖4 定子磁鏈圓波形

圖4表明，在傳統(tǒng)的DTC系統(tǒng)中，磁鏈圓有一定的環(huán)寬，其半徑在0.215 Wb處波動(dòng)，因此定子磁鏈的脈動(dòng)較大。在采用改進(jìn)ADRC的DTC系統(tǒng)中，定子磁鏈圓的環(huán)寬明顯變窄，磁鏈脈動(dòng)減小。

圖5是相同條件下用傳統(tǒng)的電壓模型進(jìn)行定子磁鏈估計(jì)的曲線。

圖5 基于電壓模型的估計(jì)磁鏈曲線

圖6是在相同條件下用ESO觀測(cè)定子磁鏈的曲線。

圖6 基于ESO的估計(jì)磁鏈曲線

比較圖5和圖6，ESO對(duì)定子磁鏈的估計(jì)比電壓模型的估計(jì)更加準(zhǔn)確，在穩(wěn)態(tài)時(shí)磁鏈脈動(dòng)更小。這主要是因?yàn)镋SO對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)的準(zhǔn)確估計(jì)和補(bǔ)償。另外，與傳統(tǒng)的電壓模型相比，ESO的觀測(cè)沒有純積分環(huán)節(jié)，不會(huì)產(chǎn)生較大的誤差積累和直流漂移，也不存在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)反電勢(shì)很小、對(duì)定子磁鏈難以觀測(cè)的問題，所以在低速時(shí)對(duì)磁鏈的估計(jì)準(zhǔn)確性更高。

圖7是在相同條件下采用傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)和改進(jìn)ADRC的DTC系統(tǒng)得到的電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線。

圖7 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

圖7表明，與傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)相比，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行速度變化時(shí)，采用改進(jìn)ADRC的DTC系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)矩變化更小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也有所減小。這是由于用SVPWM技術(shù)替代滯環(huán)比較器和開關(guān)表，經(jīng)過優(yōu)化組合的電壓矢量可以對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的偏差進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；另外，采用ESO對(duì)定子磁鏈的觀測(cè)更加準(zhǔn)確，提高了控制精度，能夠更加準(zhǔn)確地補(bǔ)償磁鏈和轉(zhuǎn)矩的偏差。

圖8是在相同條件下采用傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)和改進(jìn)ADRC的DTC系統(tǒng)得到的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。

圖8表明，傳統(tǒng)的DTC系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速超調(diào)較大，穩(wěn)態(tài)階段存在轉(zhuǎn)速脈動(dòng)，且轉(zhuǎn)速受負(fù)載變化的影響明顯，穩(wěn)態(tài)誤差為2.25%；而改進(jìn)ADRC的DTC系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速基本無(wú)超調(diào)，穩(wěn)態(tài)精度高，轉(zhuǎn)速受負(fù)載變化的影響更小，穩(wěn)態(tài)誤差為0.48%，且恢復(fù)時(shí)間更短。說(shuō)明改進(jìn)的ADRC具有抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。

圖8 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

同樣條件下，改進(jìn)ADRC的DTC系統(tǒng)中ESO對(duì)電機(jī)速度的誤差觀測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 ESO對(duì)速度的觀測(cè)誤差

圖9表明，ESO對(duì)系統(tǒng)速度的狀態(tài)估計(jì)和系統(tǒng)實(shí)際速度間的誤差很小，說(shuō)明ESO對(duì)系統(tǒng)中的非線性因素和擾動(dòng)的估計(jì)比較精確，驗(yàn)證了ESO實(shí)時(shí)估計(jì)系統(tǒng)內(nèi)外擾動(dòng)作用的實(shí)用性與有效性。

圖10是在給定轉(zhuǎn)速為1 200 r/min、負(fù)載為3 N·m的條件下，分別采用常規(guī)ADRC和改進(jìn)ADRC得到的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。

圖10 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

圖10表明，在電機(jī)的速度調(diào)節(jié)中，采用帶狀態(tài)觀測(cè)器前饋補(bǔ)償加模糊控制的一階ADRC，省略了TD，以線性誤差控制率替代NLSEF中的非線性fal函數(shù)，減少了控制器待整定參數(shù)和系統(tǒng)計(jì)算量，降低了模型的復(fù)雜性，縮短了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。此外，采用模糊控制對(duì)ADRC控制器中NLSEF的參數(shù)進(jìn)行整定，對(duì)于不同的外部工況條件，參數(shù)無(wú)需手動(dòng)調(diào)節(jié)，有利于工程應(yīng)用。

圖11是在電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，在0.1 s突加負(fù)載到3 N·m的條件下，傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)和改進(jìn)ADRC的DTC系統(tǒng)得到的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。

圖11 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

圖11表明，改進(jìn)ADRC的抗干擾能力較PI調(diào)節(jié)器更強(qiáng)，這主要是由于ADRC中的ESO將系統(tǒng)的負(fù)載擾動(dòng)和電機(jī)的參數(shù)變化都?xì)w為未知擾動(dòng)，并進(jìn)行準(zhǔn)確的估計(jì)和補(bǔ)償，使系統(tǒng)對(duì)負(fù)載突變具有很強(qiáng)的抗干擾能力。同時(shí)，引入模糊規(guī)則對(duì)ADRC的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，在一定范圍內(nèi)優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，也進(jìn)一步提高了控制器的自適應(yīng)性。

圖12是在給定轉(zhuǎn)速為400 r/min、負(fù)載為4 N·m的條件下，實(shí)際轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線和ESO觀測(cè)的估計(jì)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。

圖12 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

圖12表明，基于ESO的速度估計(jì)方法，估計(jì)轉(zhuǎn)速能快速跟蹤電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，在穩(wěn)態(tài)階段的速度辨識(shí)誤差約為0.4 r/min，穩(wěn)態(tài)精度較高，說(shuō)明ESO的轉(zhuǎn)速估計(jì)方法準(zhǔn)確。這主要是因?yàn)榛贓SO速度觀測(cè)的方法受電機(jī)參數(shù)變化的影響小，并可以對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)進(jìn)行有效補(bǔ)償，所以轉(zhuǎn)速估計(jì)準(zhǔn)確性較高。

圖13是在相同條件下轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置和ESO觀測(cè)得到的轉(zhuǎn)子估計(jì)位置曲線。

圖13 轉(zhuǎn)子位置

圖13表明，ESO速度觀測(cè)器估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置與電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置比較接近，說(shuō)明這種觀測(cè)方法能減小電機(jī)參數(shù)變化和負(fù)載擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速估計(jì)的影響，在電機(jī)低速穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)是準(zhǔn)確的。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于改進(jìn)ADRC的PMSM DTC無(wú)傳感系統(tǒng)。系統(tǒng)采用改進(jìn)的模糊自抗擾速度調(diào)節(jié)器替代PI調(diào)節(jié)器，提高了調(diào)節(jié)器的自適應(yīng)性和系統(tǒng)的抗干擾能力；引入ESO對(duì)定子磁鏈和轉(zhuǎn)速進(jìn)行更準(zhǔn)確的觀測(cè)，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)傳感運(yùn)行，與傳統(tǒng)的電壓模型相比，提高了磁鏈解算的準(zhǔn)確性；采用SVPWM技術(shù)替代傳統(tǒng)的開關(guān)表和滯環(huán)比較器，有效降低磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。仿真驗(yàn)證了控制策略的有效性，為PMSM DTC無(wú)速度傳感器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速估計(jì)提供了可行的思路。

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Research on Permanent Magnet Synchronous Motor Direct Torque Control Sensorless System Based on Improved Active Disturbance Rejection*

HANYe,LIHong

(School of Automation, Beijing Information Science & Technology University, Beijing 100192, China)

To solve ripples on stator flux linkage when using traditional voltage model to estimate at low speed in the direct torque control (DTC) of permanent magnet synchronous motor (PMSM) system. The stator flux and rotor speed were estimated by the extended state observer (ESO) of the active disturbance rejection control (ADRC) technique, and the sensorless speed control had been realized. The structure of the ADRC controller was simplified and fuzzy control was introduced to optimize the parameters of the controller. In the DTC system, the improved ADRC regulator was used to replace the PI regulator for speed regulation, and the anti-interference ability of the system was improved. The space vector pulse width modulation (SVPWM) instead of the traditional selecting table and hysteresis comparator, the switching frequency constant and the ripples on flux linkage and torque had been reduced. Simulation results verified the effectiveness of this algorithm.

permanent magnet synchronous motor (PMSM); direct torque control (DTC); active disturbance rejection control (ADRC); extended state observer (ESO); space vector pulse width modulation (SVPWM); fuzzy control

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11472058)

韓 曄(1991—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榻涣麟姍C(jī)非線性控制。 厲 虹(1959—)，女，教授，研究方向?yàn)楦咝阅茈姎鈧鲃?dòng)控制系統(tǒng)。

TM 351

A

1673-6540(2017)04- 0052- 08

2016 -10 -24