采用輸出預估自抗擾的永磁同步電機調速系統

沈麗

（揚州大學 物理科學與技術學院，江蘇 揚州 225009）

1 概述

PMSM中引起時延的因素主要有：系統計算時延，傳感器和內部電流環響應時延等[1]。時延存在引起電流畸變、轉矩脈動等，降低系統穩定。解決永磁同步電機系統的時延問題至關重要。本文通過史密斯預估技術消除時延的影響，使自抗擾控制器作用于系統的非延時環節，于是控制器可以更快的對系統的變化做出響應，從而提高系統的跟蹤性能。

2 永磁同步電機數學模型

在d-q 坐標系中，PMSM的數學模型[2]，可描述如下：

其中，ud，uq為d-q 軸電壓分量；id，iq為d-q 軸上的電流分量；ψd，ψq為d-q 軸上的磁鏈分量；Ld，Lq為d-q 軸上的電感，本文采用表面粘貼式的永磁同步電機進行研究分析，于是，可知Ld=Lq=L；ω 為d-q 坐標系旋轉角頻率；J 為系統轉動慣量；Rs為每相繞組電阻；np為電機極對數；ψf為永磁體磁鏈；TL為負載轉矩；B 為粘摩系數。

3 輸出預估自抗擾控制器設計

3.1 自抗擾基本原理

ADRC 的核心思想[2，3]是根據被控對象的輸出和控制量的信息以簡單的積分串聯型系統作為標準，對系統的擾動進行實時估計，因此本文設計自抗擾控制器可設計為：

3.2 輸出預估控制器的設計

史密斯預估器引用可以使系統控制器部分等效為一個無時延環節，以提高系統的快速響應性以及對輸入信號的跟蹤性能。設對象模型為：

其中Q（s）為時延的對象傳遞函數；Qr（s）為無時延部分傳遞函數；τ 為系統的時延。

史密斯預估器的設計中引入一個中間變量y0，具體形式如下：

式(7)表明中間變量y0可由系統的輸出y 以及它的積分y˙獲得。于是，得到一個抗干擾能力強的微分環節對控制器的控制性能至關重要。

輸出預估自抗擾控制器的控制律可表示如下：

其中，y0*為輸出期望值，kp為比例控制增益，p 為ESO 極點。z1用于跟蹤y0，z2用于跟蹤系統的總干擾，b0是b 的估計值。

4 輸出預估自抗擾控制在PMSM 中的應用

圖1 所示為基于輸出預估自抗擾控制器的PMSM 系統控制結構圖。控制系統主要對轉速外環進行改進，在速度估計后加入史密斯預估器, 而后將預估后的轉速送入到自抗擾的擴張觀測器，最終實現消除延時更好的跟蹤轉速。

圖1 基于輸出預估自抗擾控制器的永磁同步電機系統控制結構圖

5 結果及其分析

采用MATLAB/SIMULINK 對控制性能進行有效性驗證。仿真采用的PMSM參數見表1。

表1 電機參數

本文以PMSM 的參考速度2000r/min 進行研究分析，圖2中速度對比曲線、圖3 輸出電流對比曲線中，可以看出在0.2時，突加負載TL=2N·m 的擾動，引入斯密斯預估器的擾動觀測器具有更好的抗干擾的能力。

圖2 轉速對比曲線

圖3 輸出電流對比曲線

從圖2 中可以發現加入斯密斯預估器的自抗擾控制能夠更好的跟蹤轉速，圖3 的輸出電流可以看出隨著輸出預估自抗擾后的控制量在0.2s 加入負載時能夠更快更穩定的輸出電流，從而達到速度的給定。從仿真結果可以發現輸出預估自抗擾具有更強的抗干擾的性能，能更快的響應跟蹤速度。

6 結論

本文將史密斯預估器引入到擾動觀測器的設計中，有效的消除時延對系統性能的影響，又提高了PMSM控制性能，并具有更強的抗干擾能力。