PMSM伺服系統(tǒng)中復(fù)合控制器設(shè)計及實現(xiàn)

楊 毅

(國網(wǎng)湖北省電力公司技術(shù)培訓(xùn)中心，武漢 430079)

0 引 言

隨著永磁同步電機(以下簡稱PMSM)在不同運動控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對PMSM控制系統(tǒng)的設(shè)計及性能要求也越來越高，不僅要求盡可能地降低生產(chǎn)成本，同時又要求系統(tǒng)可靠性高、控制精度高等。但實際應(yīng)用中，由于電機本身固有的轉(zhuǎn)矩脈動以及外界不確定干擾的存在，速度波動不可避免。速度波動的存在必然會影響控制系統(tǒng)的調(diào)速精度及定位跟蹤精度，同時還會帶來系統(tǒng)噪聲及振動。

1 迭代學(xué)習(xí)補償控制器設(shè)計

迭代學(xué)習(xí)控制實際上是一種誤差修正算法，它通過學(xué)習(xí)之前儲存的控制器誤差信息以及輸出信息，修正補償控制器后續(xù)的輸出信息，達(dá)到減小輸出轉(zhuǎn)矩脈動的目的。由于迭代學(xué)習(xí)方法非常適合具有周期性的運動控制，對于PMSM的周期性轉(zhuǎn)矩脈動，迭代學(xué)習(xí)控制可以很好地補償抑制。

1.1 迭代學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)描述及學(xué)習(xí)律

迭代學(xué)習(xí)控制的基本做法是：對于一個做重復(fù)運動或周期性運動的軌跡跟蹤控制，通過學(xué)習(xí)前一次或者前幾次系統(tǒng)的輸出誤差信息和系統(tǒng)控制輸入，不斷地對控制器的輸出進(jìn)行優(yōu)化，使得系統(tǒng)控制輸入比上一次更接近于理想輸入，從而達(dá)到優(yōu)化控制的目的，如此不斷重復(fù)，直至系統(tǒng)輸出軌跡跟蹤上期望軌跡[1]。

1.2 周期性轉(zhuǎn)矩脈動的迭代學(xué)習(xí)補償控制器設(shè)計

目前，對于PMSM周期性轉(zhuǎn)矩脈動的抑制，電流型學(xué)習(xí)補償控制是一種較常用的方法。但是，使用此法需要較準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)矩信號，即需要對轉(zhuǎn)矩信號進(jìn)行實時的測量或者估計，可通過對速度波動進(jìn)行學(xué)習(xí)補償，從而間接地補償系統(tǒng)周期性轉(zhuǎn)矩脈動，達(dá)到減小PMSM伺服系統(tǒng)速度波動的目的。本文將選擇基于P型的迭代學(xué)習(xí)律對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行學(xué)習(xí)補償。前人對迭代學(xué)習(xí)的初值問題進(jìn)行了考慮[2]，提出了帶遺忘因子的迭代學(xué)習(xí)控制，遺忘因子的引入可以減弱初始擾動對系統(tǒng)的影響，同時在一定程度上可保證迭代學(xué)習(xí)的收斂速度[3-4]。綜上所述，采用帶有遺忘因子的P型開閉環(huán)迭代學(xué)習(xí)律。相應(yīng)地，控制律：

uk+1(t)=(1-α)uk(t)+Φek(t)+Γek+1(t)

(1)

2 反步自適應(yīng)滑?？刂破髟O(shè)計

2.1 反步設(shè)計基本思想

反步設(shè)計是Krstic M, Kanellakopoulos I, Kokotovic P．V等學(xué)者提出的基于Lyapunov理論的遞歸設(shè)計方法，它是一種后推設(shè)計方法。相比于傳統(tǒng)的Lyapunov設(shè)計方法，反步設(shè)計能夠系統(tǒng)地構(gòu)建Lyapunov函數(shù)以及反饋控制律[5]。使用反步設(shè)計方法對PMSM伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計已有很多的研究，其中，在電機控制器進(jìn)行設(shè)計中I.Kanellakopoulos等人成功地設(shè)計并應(yīng)用了反步設(shè)計方法[6]。

考慮如下單輸入單輸出系統(tǒng)

(2)

對于第一個子系統(tǒng)，期望的控制是對于給定xd，設(shè)計一種魯棒的控制算法，實現(xiàn)x1對xd的準(zhǔn)確跟蹤。同時，將x2看作虛擬控制，需要設(shè)計相應(yīng)的虛擬控制率，選取合適的Lyapunov函數(shù)，證明子系統(tǒng)的鎮(zhèn)定性。同樣的方法，可以對下一個子系統(tǒng)逐推設(shè)計，對上一個子系統(tǒng)得到的虛擬控制律進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤，最后逐推直至完成整個系統(tǒng)的設(shè)計。以上即為系統(tǒng)反步設(shè)計的基本思想。

2.2 反步自適應(yīng)滑?？刂破髟O(shè)計

由于很多低速高性能伺服系統(tǒng)往往運行于低速甚至超低速狀態(tài)，那么此時的伺服系統(tǒng)便不再是簡單的調(diào)速系統(tǒng)。在一些應(yīng)用場合，如控制力矩陀螺的控制中，不僅要求系統(tǒng)具有較好的速度平穩(wěn)性，同時還要能夠進(jìn)行精確的位置跟蹤操作，此時普通的調(diào)速系統(tǒng)難以同時勝任這種工作[7]。為此，設(shè)計的PMSM伺服系統(tǒng)在速度模式和定位模式兩種工作模式下都是通過位置環(huán)實現(xiàn)的。這樣既保證了低速時系統(tǒng)速度平滑性，同時增強了系統(tǒng)帶載運行能力[8]。對于動態(tài)系統(tǒng)，考慮到系數(shù)不確定性和外部干擾的影響有：

(3)

令d1=d+ΔD，則：

(4)

設(shè)系統(tǒng)干擾及不確定項d1有界，即有|d1|

魯棒控制算法的設(shè)計和實現(xiàn)是控制總目標(biāo)，在不確定項d1的影響下，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子實際位置θ對轉(zhuǎn)子位置給定值θd的準(zhǔn)確跟蹤。

基于上述分析，系統(tǒng)針對位置子系統(tǒng)，將虛擬控制看作ω，考慮以下公式描述的Lyapunov函數(shù)：

(5)

式中：字母θd表示轉(zhuǎn)子位置；字母θ表示轉(zhuǎn)子的實際位置。

對式(5)求導(dǎo)有：

(6)

將虛擬控制項ω設(shè)計成：

(7)

式中：k1>0。經(jīng)過推導(dǎo)和整理，Lyapunov函數(shù)的導(dǎo)數(shù)可以表示：

(8)

綜上所述，在全局范圍內(nèi)虛設(shè)計的擬控制項ω*能夠漸近穩(wěn)定位置子系統(tǒng)。

進(jìn)一步需要設(shè)計速度子系統(tǒng)，實現(xiàn)速度子系統(tǒng)對位置子系統(tǒng)得到的虛擬控制項的精確跟蹤。

首先，速度跟蹤誤差項可以定義為ωe=ω-ω*，采用轉(zhuǎn)子實際位置θ和ωe描述系統(tǒng)方程，具體可以表示：

(9)

對于上述級聯(lián)系統(tǒng)，考慮下述Lyapunov函數(shù)：

(10)

式中：S=ωe為滑模函數(shù)，其導(dǎo)數(shù)：

(11)

對上述Lyapunov 函數(shù)求導(dǎo)有：

(θ-θd)[ωe-k1(θ-θd)]+

-k1(θ-θd)2(θ-θd)ωe+

(12)

設(shè)計速度環(huán)滑?？刂坡扇缦拢?/p>

(13)

將式(13)帶入式(12)可得：

-k1(θ-θd)2-η|S|+|Sd1|≤

-k1(θ-θd)2-η|S|+|S||d1|

(14)

為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選擇η>|d1|，此時：

(15)

根據(jù)Barbalat引理，可得：

(16)

即閉環(huán)系統(tǒng)是全局漸進(jìn)穩(wěn)定的。

至此，便完成了PMSM反步滑?？刂破鞯幕驹O(shè)計。但上述設(shè)計存在著一個問題，由于滑?？刂?Sliding Mode Control,SMC)的非連續(xù)控制部分是決定SMC強魯棒性的主要因素，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以由SMC通過高頻切換控制刻意地改變，從而將系統(tǒng)狀態(tài)限制在滑模面上[8]。只有在預(yù)先確定外部擾動及系統(tǒng)參數(shù)不確定性的上界時，才能明確切換增益值的數(shù)值，即選擇切換增益值η時，需要依賴于d1的上界dmax。但在多數(shù)情況下，dmax是未知的、不可獲得的。一般情況，在切換增益選擇時，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性都會選擇足夠大的切換增益,需要注意的是，為了避免嚴(yán)重的抖動現(xiàn)象需要避免過大的切換增益[9]。因此，需要引入自適應(yīng)機制，即實現(xiàn)切換增益的選擇可以根據(jù)擾動量的大小實時自動更新。

(17)

式中:κ>0。同理，自適應(yīng)滑模控制算法將由式(18)表示：

(18)

定理：對于式(9)所描述的PMSM控制系統(tǒng)，如果采用式(17)的自適應(yīng)律和式(18)的控制律，則閉環(huán)系統(tǒng)是漸進(jìn)穩(wěn)定的。

證明：選擇Lyapunov函數(shù)：

(19)

對上述Lyapunov函數(shù)沿系統(tǒng)軌跡求導(dǎo)，并將式(17)和式(18)代入式(19)，可得：

|S||d1|-|S|dmax

(20)

由于dmax>|d1|，則有：

(21)

根據(jù)Barbalat引理，可知：

(22)

即PMSM伺服系統(tǒng)是全局漸進(jìn)穩(wěn)定的。

3 基于迭代學(xué)習(xí)補償?shù)姆床阶赃m應(yīng)滑模復(fù)合控制器設(shè)計

帶遺忘因子的P型開閉環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制在削弱周期性轉(zhuǎn)矩脈動方面都能夠起到很好的效果。迭代學(xué)習(xí)控制算法主要解決的是PMSM周期性轉(zhuǎn)矩脈動問題，它對由于周期性轉(zhuǎn)矩脈動引起的速度波動可以得到有效的抑制。然而迭代學(xué)習(xí)無法抑制非周期性轉(zhuǎn)矩引起的速度波動及其他不確定性干擾[10]。因此，將迭代學(xué)習(xí)控制器得到的轉(zhuǎn)矩脈動補償量作為自適應(yīng)滑模控制的輸出補償，構(gòu)建一種復(fù)合控制，即基于迭代學(xué)習(xí)補償?shù)姆床阶赃m應(yīng)滑?？刂?簡稱ILC-ASMC)，就可以使伺服系統(tǒng)在保證控制精度的同時，增強系統(tǒng)的魯棒性及響應(yīng)的快速性?；诜床剿枷朐O(shè)計的自適應(yīng)滑模的控制律：

(23)

由迭代學(xué)習(xí)控制得到的系統(tǒng)周期性轉(zhuǎn)矩脈動補償：

uk+1(t)=(1-α)uk(t)+Φek(t)+Γek+1(t)

(24)

將迭代學(xué)習(xí)得到的控制輸出用于補償自適應(yīng)滑模控制器輸出，便得到復(fù)合控制輸出：

(25)

在此復(fù)合控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的速度波動由迭代學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)矩脈動補償器及自適應(yīng)滑?？刂破鞴餐种?。自適應(yīng)滑?？刂破鲗S持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性起主要作用，對由于系統(tǒng)參數(shù)變化等因素引起的速度波動可以得到很好的抑制。

3.1 實驗平臺及電機參數(shù)

搭建實驗平臺及驅(qū)動控制系統(tǒng)，用于對設(shè)計的迭代學(xué)習(xí)補償?shù)姆床阶赃m應(yīng)滑?？刂?ILC-ASMC)復(fù)合控制系統(tǒng)抑制速度波動能力、魯棒性及響應(yīng)的快速性進(jìn)行驗證。本實驗平臺包含一套PMSM驅(qū)動控制系統(tǒng)、PMSM、磁粉制動器和扭矩傳感器。PMSM電機參數(shù)如表1所示。

表1 PMSM電機參數(shù)

3.2 ILC-ASMC復(fù)合控制系統(tǒng)驗證

對于設(shè)計的復(fù)合控制系統(tǒng)有效性驗證主要從以下兩方面進(jìn)行：驗證復(fù)合控制系統(tǒng)對速度波動的抑制能力和系統(tǒng)帶載位置跟蹤性能；同時，對復(fù)合控制系統(tǒng)的魯棒性、抗干擾能力進(jìn)行驗證。

(1) 帶載位置跟蹤性能

為了驗證設(shè)計的復(fù)合控制系統(tǒng)位置跟蹤性能，圖1給出了未使用迭代學(xué)習(xí)補償與使用迭代學(xué)習(xí)補償時，系統(tǒng)帶載三角波位置跟蹤曲線，負(fù)載大小3 N·m。同時基于三角波位置跟蹤及誤差數(shù)據(jù)可知，在使用迭代學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)矩脈動補償前，三角波位置跟蹤誤差最大約5°；而在加入迭代學(xué)習(xí)補償后，位置帶載跟蹤的精度明顯提高，位置跟蹤誤差基本在2°以內(nèi)。相比補償前，補償后位置跟蹤誤差減小約60%。因此，設(shè)計的復(fù)合控制在提高PMSM伺服系統(tǒng)位置跟蹤精度上有很好的效果。

(a) 未使用迭代學(xué)習(xí)補償

(b) 使用迭代學(xué)習(xí)補償后

(2)魯棒性驗證

迭代學(xué)習(xí)控制對于抑制周期性轉(zhuǎn)矩脈動具有良好的效果，但是對于未知的干擾及非周期性轉(zhuǎn)矩卻沒有多大抑制效果，尤其在有突加的未知干擾情況下，其魯棒性較差。然而自適應(yīng)滑模控制在增強系統(tǒng)魯棒性及響應(yīng)的快速性上有著明顯的優(yōu)勢。圖2是位置給定為斜坡信號時，使用ILC-ASMC復(fù)合控制和PID控制時系統(tǒng)響應(yīng)曲線；在t=2.5 s時突加了3 N·m的負(fù)載擾動。圖2為自適應(yīng)切換增益響應(yīng)曲線。

從圖2得到的斜坡跟蹤曲線可知，復(fù)合控制對擾動響應(yīng)的快速性明顯優(yōu)于PID控制，具有較強的魯棒性。在t=2.5 s突加負(fù)載擾動時，復(fù)合控制能夠更快地響應(yīng)，并且及時地跟蹤上給定信號；而PID控制時，系統(tǒng)的魯棒性及快速性要差很多，控制效果不及本文設(shè)計的復(fù)合控制器。圖3是系統(tǒng)自適應(yīng)切換增益的響應(yīng)曲線。在系統(tǒng)沒有收到未知擾動的情況下，自適應(yīng)機制可以迅速地根據(jù)擾動量的大小自動調(diào)節(jié)切換增益值，從而免去了對未知擾動上界的要求。

圖2 斜坡信號位置跟蹤

圖3 自適應(yīng)切換增益曲線

4 結(jié) 語

PMSM在低速運行情況下存在著諸多問題，其中低速轉(zhuǎn)矩脈動及速度波動是影響系統(tǒng)性能的主要原因。迭代學(xué)習(xí)控制算法用于解決PMSM伺服系統(tǒng)周期轉(zhuǎn)矩脈動的問題，設(shè)計了帶遺忘因子的P型開閉環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制器；然后在增強系統(tǒng)魯棒性上，基于反步設(shè)計思想完成了自適應(yīng)滑模控制器的設(shè)計；最后，將迭代學(xué)習(xí)獲得的轉(zhuǎn)矩脈動補償量補償?shù)阶赃m應(yīng)滑?？刂破鬏敵鲋校瑯?gòu)建了復(fù)合控制，在保證系統(tǒng)控制精度的同時增強了系統(tǒng)的魯棒性。

[1] WANG Y Q ,GAO F R,Francis J.Doyle III.Survey on iterative learning control, repetitive control, and run-to-run control.Journal of Process Control，19(10),2012:1589-1600.

[2] 林潛,葛寶明,畢大強,等.永磁同步電機控制硬件在環(huán)測試平臺的實現(xiàn)[J].電工電能新技術(shù),2014,33(3):76-80.

[3] 張興,郭磊磊,楊淑英,等.永磁同步發(fā)電機無速度傳感器控制[J].中國電機工程學(xué)報,2014,34(21):3440-3447.

[4] 佘致廷,董旺華,秦亞勝,等.基于反步滑模變結(jié)構(gòu)的PMSM速度控制[J].控制工程,2016(S1):1-5.

[5] 范越,馬大為,吳躍飛.自適應(yīng)反步滑模控制在火箭炮伺服系統(tǒng)中應(yīng)用[J].火力與指揮控制,2014(6):86-89.

[6] 劉芳璇,李益民,崔晶,等.基于ACA-BFA算法的PMSM自適應(yīng)模糊滑模控制[J].電氣傳動,2015,45(11):58-61.

溫度之差達(dá)到17 ℃，溫度曲線如圖12所示。

表2 不同水道仿真結(jié)果

圖12 不同水道方案的繞組平均溫度曲線

從以上分析可知，冷卻水流量和入水口溫度一定時，水的流速影響電機散熱能力，同時水道接觸面積也影響電機散熱能力，在電機冷卻系統(tǒng)設(shè)計時，需要結(jié)合電機的工藝要求和機殼強度，綜合設(shè)計電機的水道，能有效降低電機溫升。

3.5 試驗對比分析

經(jīng)過仿真分析，#5的水道結(jié)構(gòu)冷卻效果最好，所以采用#5水道結(jié)構(gòu)進(jìn)行樣機試制，實物樣機和臺架試驗如圖13所示，進(jìn)行電機持續(xù)工況下穩(wěn)態(tài)溫升性能測試，電機繞組穩(wěn)態(tài)溫度為98 ℃，溫升曲線如圖14所示。

圖13 樣機實驗臺架

圖14 樣機實驗值和仿真值對比

參數(shù)仿真值測試值繞組平均溫度T/(℃)94.598

圖14中，電機繞組穩(wěn)態(tài)溫度仿真值與測試值對比如表3所示，測試值與仿真值偏差3.7%，滿足工程需求。

4 結(jié) 語

本文對新能源客車用驅(qū)動電機的溫度場進(jìn)行建模，仿真分析了電機持續(xù)運行工況的穩(wěn)態(tài)溫度場和短時運行工況的瞬態(tài)溫度場，可知，此驅(qū)動電機的溫升滿足設(shè)計要求，可以可靠運行。同時，對該電機冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了研究和優(yōu)化，仿真和實驗結(jié)果表明，圓周螺旋水道結(jié)構(gòu)的散熱效果最好，適合作為電動客車用高轉(zhuǎn)矩密度電機的冷卻水路，并且通過對電機水道的優(yōu)化，可有效降低電機溫升。

[1] 陳清泉,孫立清.電動汽車的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].科技導(dǎo)報,2005,23(4):24-28.

[2] 彭海濤,何志偉,余海闊.電動汽車用永磁同步電機的發(fā)展分析[J].微電機,2010,43(6):78-81.

[3] 王曉遠(yuǎn),高鵬,趙玉雙.電動汽車用高功率密度電機關(guān)鍵技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報,2015,30(6):53-59.

[4] 張鑫鑫.增程式電動汽車驅(qū)動電機及其溫度特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[5] 曹君慈,李偉力,程樹康,等.復(fù)合籠條轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機溫度場計算及相關(guān)性分析[J].中國電機工程學(xué)報,2008,28(30):96-103.