永磁同步電機的自抗擾控制調(diào)速策略

徐 偉 賈 彬

（1.唐山智鴻家電銷售有限公司，河北 唐山 063000；2.唐山創(chuàng)元方大電氣有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000）

永磁同步電機是強禍合、非線性、參數(shù)攝動的被控對象，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、調(diào)速性能好等優(yōu)點，以永磁同步電機為驅(qū)動裝置的傳動系統(tǒng)在交流調(diào)速中占有重要的地位。采用高性能控制策略有助于提高永磁同步電機傳動系統(tǒng)的各種動靜態(tài)性能，有利于電氣傳動系統(tǒng)向高性能、輕量化、高效節(jié)能的方向發(fā)展。

1 永磁同步電機簡介

電機(Motor)是一種依靠磁場為介質(zhì)而進行機械能與電能之間相互轉(zhuǎn)換的裝置，一般情況下，主要有兩種產(chǎn)生磁場的方式來滿足電機能量的轉(zhuǎn)換：一是通過電勵磁的方式轉(zhuǎn)換，其原理是，給電機的勵磁繞組通入一定量的勵磁電流，該勵磁電流的作用是使電機的繞組能夠維持勵磁，這種方式的電機在日常生產(chǎn)生活中十分普遍，主要有同步、異步電機以及直流電機等；另一種是像永磁電機這類的電機，他們不需要勵磁電流，而是利用自身的永磁體產(chǎn)生磁場。

伴隨著科技的進步以及社會的發(fā)展，當(dāng)前的永磁電機具有功率密度高、轉(zhuǎn)動慣量大、功率因數(shù)小以及效率高等特點，其在諸如民用、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。目前普遍應(yīng)用于社會生產(chǎn)各領(lǐng)域的永磁同步電機(PermanentMagnetSynch ronousMotor,PMSM)和無刷直流電機(BrushlessdoMotor,BLDG)都是屬于永磁電機的范疇。對于無刷直流電機來說，它運行時由定子繞組和表面磁鐵所產(chǎn)生的反電動勢的波形是方波。利用反電動勢是方形波的特點，可以很輕松的獲得電機轉(zhuǎn)子的位置信息，因此，無刷直流電機的控制方式也顯得十分簡單。但無刷直流電機運行時容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動，不能滿足大型高性能系統(tǒng)的要求，因此這種電機多用于像散熱器、壓縮機等之類的小型系統(tǒng)中。永磁同步電機與無刷直流電機的不同點主要體現(xiàn)在激勵電壓的方式以及控制策略這兩個方面。在永磁同步電機中，電機的反電動勢總體上是正弦波形，而反電動勢波形的優(yōu)劣程度是由永磁材料充磁的質(zhì)量所決定的。若在電機的轉(zhuǎn)子中能夠正確的放置永磁材料體，那么就可以得到純正弦的氣隙密度。但是由于實際情況下，定子繞組不可能精確正弦分布，所以氣隙密度也只可能是不精確的正弦波形。

永磁同步電機永磁體的安裝方式及其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對電機的性育出了永磁同步電機三種最基本的轉(zhuǎn)子安裝結(jié)構(gòu)，分別為面貼式，有很大影響。圖1 給出了永磁同步電機三者最基本的轉(zhuǎn)子安裝結(jié)構(gòu)。

圖1

2 自抗擾控制技術(shù)

典型的自抗擾控制器是由三部分組成的，分別為跟蹤微分器(TD)、擴張狀態(tài)觀測器(ESO)、非線性狀態(tài)誤差反饋控制率(NLSEF)。TD 首先安排過渡，實現(xiàn)快速無超調(diào)地跟蹤系統(tǒng)給定的輸入信號，并且按照階數(shù)提取微分信號；其次，ESO 對系統(tǒng)輸出狀態(tài)和擾動進行觀測，同時對系統(tǒng)擾動進行前饋補償；最后通過NLSEF 對TD 的輸入和ESO 的誤差信號進行非線性組合，與ESO 檢測的綜合擾動一起作為被控對象的控制量。

2.1 追蹤微分器(TD)

跟蹤微分器是自抗擾控制器的第一部分，跟蹤微分器通過合理的安排過渡過程來提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，這樣不僅降低了系統(tǒng)的超調(diào)量也使其能夠快速的跟蹤系統(tǒng)參考輸入量，同時按照控制器的階數(shù)得到近似的微分信號。設(shè)動態(tài)系統(tǒng)：

其中任意解均滿足在原點漸近穩(wěn)定，則對于任意有界可積的函數(shù)v(t)為輸入的新動態(tài)系統(tǒng)

2.2 擴張狀態(tài)觀測器(ESO)

擴張狀態(tài)觀測器得到系統(tǒng)輸出信號y(t)的跟蹤信號z1(t)和各階導(dǎo)數(shù)信號zi(t)，以及系統(tǒng)擾動估計信號zn+1(t)來對擾動進行估計。將外部擾動和模型誤差擴充為一個新狀態(tài)變量，根據(jù)經(jīng)典狀態(tài)觀測器原理可得到如下方程：

選擇合適的函數(shù)就可以將系統(tǒng)的各狀態(tài)變量以及總擾動觀測出來。

2.3 非線性狀態(tài)誤差反饋控制器(NLSEF)

跟蹤微分器(TD)和擴張狀態(tài)觀測器(ESO)分別產(chǎn)生跟蹤信號和狀態(tài)變量，非線性狀態(tài)誤差反饋控制器是通過對以上兩個參數(shù)的誤差采用函數(shù)來求解控制量的結(jié)構(gòu)。一般形式如下：

其中：ei(i=1，2，…，n)是個跟蹤信號與狀態(tài)變量估計值之差；fi(ei，t)為非線性函數(shù)；u0(t)是系統(tǒng)控制量；-zn+1(t)/b起補償擾動的作用。

3 永磁同步電機自抗擾控制器的設(shè)計

設(shè)擾動：

得出

由上式可以看出永磁同步電機的運動阻尼系數(shù)、轉(zhuǎn)動慣量以及外部擾動均可在a(t)中體現(xiàn)出來。所以要合理安排過渡來實現(xiàn)輸入信號被實時的跟蹤。同時為了提高系統(tǒng)的抗擾動能力要對a(t)進行觀測和補償。因此，根據(jù)自抗擾控制原理設(shè)計的一階自抗擾控制器具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中：ω*為給定速度變量；v1 為跟蹤信號；ω 為電機實際轉(zhuǎn)速；z1 為觀測信號；z2為擾動反饋。

圖2 一階自抗擾控制器結(jié)構(gòu)圖

二階擴張狀態(tài)觀測器：

一階非線性狀態(tài)誤差反饋控制器：

4 結(jié)語

本文探討和研究了基于自抗擾控制策略的永磁同步電機傳動系統(tǒng)，隨著控制理論和電氣技術(shù)的不斷發(fā)展，將會有更多先進的現(xiàn)代控制理論被應(yīng)用于永磁同步電機無速度傳感器的研究工作中，以期使系統(tǒng)的動靜態(tài)性能進一步完善。