基于模糊自抗擾控制在電動(dòng)汽車PMSM位置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究

李晶

摘要：為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車用PMSM轉(zhuǎn)速快速響應(yīng)和強(qiáng)魯棒性，本文提出一種基于模糊自抗擾的電動(dòng)汽車PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，將模糊控制與自抗擾控制結(jié)合，將位置反饋?zhàn)鳛榭刂破鞣答佇盘枺Y(jié)合自抗擾控制器中狀態(tài)變量估計(jì)和微分之間的誤差，建立誤差的模糊規(guī)則控制表，進(jìn)行去模糊化之后得到誤差精準(zhǔn)的控制量，并通過對非線性誤差狀態(tài)反饋控制率的誤差比例系數(shù)、微分系數(shù)、積分系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對擾動(dòng)量的補(bǔ)償控制，增強(qiáng)電動(dòng)汽車PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力。

關(guān)鍵詞：PMSM;模糊自抗擾控制;非線性誤差狀態(tài)反饋控制率

1? 概述

電動(dòng)汽車是將電能作為能量源，通過能量轉(zhuǎn)換變成由全部或部分電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛的車輛。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)即電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)既是關(guān)鍵技術(shù)又是共性技術(shù)。與普通的工業(yè)用電機(jī)控制系統(tǒng)不同，對整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、耐久性、安全性提出了更高的要求。永磁同步電機(jī)（PMSM）目前已經(jīng)成為驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)展的主要趨勢。為了提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性，一些先進(jìn)的控制方法也隨之應(yīng)用到了電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)控制上。本文主要提出的是基于自抗擾控制參數(shù)調(diào)整已達(dá)到有效抑制擾動(dòng)，提高電機(jī)控制性能的方法。PMSM本身是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性控制對象，具有變量多、耦合性強(qiáng)等特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，對其控制常常會(huì)出現(xiàn)滯后、時(shí)變等問題，因此單獨(dú)使用一種控制方法很難達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)要求，因此本文將模糊控制與自抗擾控制策略相結(jié)合，突破電機(jī)控制過程中需要?jiǎng)澐志€性與非線性、時(shí)變與非時(shí)變、確定與不確定等探究模式的局限，進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性。使之具有較強(qiáng)的魯棒性和抗擾動(dòng)特性。

2? 設(shè)計(jì)自抗擾控制器

自抗擾控制器包含跟蹤微分器（Tracking-Differentiator，TD）、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（Exrended State Observer，ESO）和非線性誤差反饋控制率（Nonlinear State Error Feedback，NLSEF）三部分組成，如圖1所示。

從圖1中我們可以看到擴(kuò)張狀態(tài)觀測器是本控制系統(tǒng)的核心部分，通過觀測器對輸入輸出進(jìn)行擾動(dòng)觀測，發(fā)現(xiàn)異常可以直接進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)不用系統(tǒng)的模型信息是否已知，都可以對其進(jìn)行內(nèi)擾觀測并補(bǔ)償直至擾動(dòng)消除，這就是自抗擾控制的優(yōu)勢所在，而且其對擾動(dòng)的觀測和補(bǔ)償是通過串聯(lián)積分器來實(shí)現(xiàn)的這樣使整個(gè)控制系統(tǒng)更容易控制。

2.1 自抗擾控制器的算法

2.1.1 跟蹤微分器

2.1.2 擴(kuò)張狀態(tài)觀測器

2.1.3 非線性狀態(tài)反饋控制律

2.2 基于模糊自抗擾控制的電動(dòng)汽車用PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

為提高電動(dòng)汽車PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性減小外部擾動(dòng)對其的影響提升系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，本文將模糊控制與自抗擾控制器相結(jié)合引入到電動(dòng)汽車PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

首先根據(jù)TD產(chǎn)生的微分與ESO的狀態(tài)變量之間的誤差，得到誤差比例系數(shù)，建立誤差比例系數(shù)、微分系數(shù)和積分系數(shù)的模糊控制規(guī)則，去模糊化之后得到精準(zhǔn)的控制量，以實(shí)現(xiàn)NLSEF的參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。最后按照控制框圖NLSEF和ESO的擾動(dòng)補(bǔ)償一起作為控制量，以此來實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)汽車PMSM驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最優(yōu)控制。改進(jìn)之后自抗擾控制器能夠提升PMSM的位置精度，同時(shí)系統(tǒng)抗擾能力也明顯增強(qiáng)。通過仿真實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析，改進(jìn)后的模糊自抗擾控制器具有響應(yīng)速度快、無超調(diào)、穩(wěn)態(tài)精度高、對負(fù)載及系統(tǒng)擾動(dòng)魯棒性更強(qiáng)的特點(diǎn)。

對于模糊自抗擾位置伺服系統(tǒng)而言，只需要給定位置誤差以及位值誤差變化率，就能實(shí)現(xiàn)利用模糊控制對NLSEF控制參數(shù)的自整定，最終實(shí)現(xiàn)參數(shù)跟蹤實(shí)際位置誤差進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，有利于提高位置精度。從上述算法及圖示中我們可以知道，自抗擾控制器參數(shù)比較多，每一個(gè)部分都有其自己的參數(shù)需要整定，因此我們需要把跟蹤微分器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和非線性反饋控制律中涉及到參數(shù)分開整定，這樣才能夠得到完整的自抗擾控制器整定參數(shù)。其中跟蹤微分器參數(shù)基本上可以固定化，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器參數(shù)與擾動(dòng)幅值成正比，非線性反饋控制率參數(shù)整定是難度最大的，本文采用模糊控制理論對非線性組合部分參數(shù)進(jìn)行整定，將誤差e和誤差變化率ec作為控制器的輸入，利用模糊規(guī)則對參數(shù)βi進(jìn)行修改，從而實(shí)現(xiàn)其整定。假設(shè)誤差e及誤差變化率ec和βi在模糊集的論域?yàn)椋?3，3）。隸屬度函數(shù)為靈敏度較高的三角函數(shù)?？刂埔?guī)則如下：

①對于位置誤差e較大的情況，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加比例增益的值，保障系統(tǒng)的快速跟蹤能力，使系統(tǒng)反應(yīng)迅速。對于位置誤差e較小的情況下，可以適當(dāng)增加積分增益和比例增益的值，使得系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性能增強(qiáng)，同時(shí)適當(dāng)增加微分增益的值一直振蕩的發(fā)生。

②對于位置誤差率ec較大的情況則需要減小微分增益和比例增益增加積分增益保障系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定。另外在位置誤差變化率ec較小的情況下適當(dāng)增加微分增益同時(shí)針對實(shí)際工作情況調(diào)整比例增益和積分增益。綜上所述根據(jù)控制規(guī)則得到相應(yīng)的控制規(guī)則表。

2.3 電動(dòng)汽車PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

3? 結(jié)論

其實(shí)結(jié)合了模糊控制的自抗擾控制器即（Fuzzy-ADRC）與原來的自抗擾控制器即ADRC相比，僅僅是對其組成部分的非線性反饋控制率（NLSEF）部分進(jìn)行調(diào)整，這樣就使整個(gè)控制器Fuzzy-ADRC的參數(shù)達(dá)到最優(yōu)控制效果，從而提高了PMSM伺服位置控制精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示結(jié)論是成立的，這也為Fuzzy-ADRC應(yīng)用在更多的PMSM伺服控制系統(tǒng)中打下良好的基礎(chǔ)，使其能在工程實(shí)際應(yīng)用中取代PID控制器。

試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的控制對象電動(dòng)汽車的PMSM相關(guān)參數(shù)如下：額定功率為1.85kW，額定轉(zhuǎn)速為6000r/min，定子繞組Rs=1.8Ω，直軸、交軸自感Ld=Lq=7.3mH，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.0013kg·m2，極對數(shù)np=2，額定轉(zhuǎn)速Te=3N·M，轉(zhuǎn)子磁鏈ψf=0.248Wb，額定頻率fN=200Hz。給定位置為0.001rad，空載啟動(dòng)電機(jī)，在1s時(shí)施加1牛米的擾動(dòng)進(jìn)行干擾，得到仿真圖形如圖2，由此可知Fuzzy-ADRC能夠較快的對擾動(dòng)進(jìn)行響應(yīng)，確保PMSM位置伺服系統(tǒng)的自抗擾效果良好。

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