改进自抗扰的永磁同步电机直接转矩控制无传感系统研究.doc

改进自抗扰的永磁同步电机直接转矩控制无传感系统研究 控制与应用技术l EMCA迫枇与控制应圉xx，44 (4)改进自抗扰的永磁同步电机直接转矩控制无传感系统研究米韩晔，厉虹(北京信息科技大学自动化学院，北京100192)摘要针对永磁同步电机直接转矩控制系统低速时传统电压模型对定子磁链估计不准确的问题，采用自抗扰控制技术中的扩张状态观测器对定子磁链和转速进行估计，提高观测精度并实现直接转矩控制系统的无传感器运行；对自抗扰调节器进行改进，简化调节器的结构并引入模糊控制对调节器参数进行优化，减少待整定参数并实现参数的自动调节。 将改进的自抗扰调节器替代PI调节器用于速度调节，以提高系统的抗扰性；采用空间电压矢量调制替代传统的开关表和滞环比较器，使功率器件开关频率恒定，减小系统的磁链和转矩的脉动。 仿真结果验证了算法的有效性。 关键词永磁同步电机直接转矩控制；自抗扰控制；扩张状态观测器；空间矢量脉宽调制；模糊控制TM351文献标志码A16736540 (xx)04005208Research onPermanent MagSynchronous MotorDirect TorqueControlSensorless SystemBased onImproved ActiveDisturbance Rejection+HAN YeLI Hong(School ofAutomation，Beijing InformationScience&Technology University，Beijing100192，China)AbstractTo solveripples onstator fluxlinkage whenusing traditionalvoltage modelto estimate at lowspeed inthedirect torquecontrol(DTC)of permanentmag synchronousmotor(PMSM)systemThe statorflux androtorspeed wereestimated bythe extended state observer(ESO)of theactive disturbancerejection control(ADRC)technique，and thesensorless speedcontrol hadbeenrealizedThe structureof theADRC controllerwas simplifiedandfilzzy controlwas introducedto optimizethe parametersof thecontrollerIn theDTC system，the improvedADRCregulator wasused toreplace thePI regulatorfor speedregulation，and theantiinterference abilityof thesystem wasimprovedThe space vector pulsewidth modulation(SVPWM)instead ofthe traditionalselecting tableand hysteresisparator，the switchingfrequency constantandthe rippleson fluxlinkage andtorque hadbeen reducedSimulationresults verifiedthe effectivenessof thisalgorithmKey wordspermanentmag synchronousmotor(PMSM)；direct torquecontrol(DTC)；activedisturbance rejectioncontrol(ADRC)；extendedstateobserver(ESO)；spacevectorpulse widthmodulation(SVPWM)；fuzzy controlo引言譬篓茎量籍藉善譬襄篱鬈雾霉蠹燃直接转矩控制(Direct TorqueControl，DTC)旋转坐标变换，具有结构简单、转矩响应速度快等是利用逆变器输出的电压矢量直接控制电机定子优点2I。 采用矢量控制或DTC的电机调速系统+基金项目国家自然科学基金项目 (11472058)作者简介韩晔(1991一)，男，硕士研究生，研究方向为交流电机非线性控制。 厉虹(1959一)，女，教授，研究方向为高性能电气传动控制系统。 一52万方数据电札两控制应闭xx，44 (4)控制与应用技术i EMCA需要用机械传感器检测电机的转子速度，而机械传感器的使用会增加系统的成本和复杂性，降低系统的可靠性。 因此，永磁同步电机(PermanentMag SynchronousMotor，PMSM)的无速度传感器技术川也是近年来的研究热点。 对电机转子速度和位置的估计方法可分为适用于中高速的开环估计法J、模型参考自适应法。 ，适用于低速的高频注入法-，。 、卡尔曼滤波法一，以及适用于转子初始位置估计的INFORM法一1等。 PMSM具有多变量、非线性、强耦合的特点，要满足其在复杂系统中的应用，必须提高电机性能，克服大负载和多变扰动工况带来的影响。 在传统的DTC系统中，采用传统的电压积分法进行磁链估计会出现积分初值难以确定、误差积累、直流信号偏置等问题，尤其是在电机低速运行时反电势很小，对定子磁链难以准确观测；速度反馈采用PI算法，存在系统快速性和超调间的矛盾；滞环比较器只能做出非0即1的判断，无法区分系统偏差的大小，造成逆变器开关频率不恒定；系统运行时，定子电阻值变化造成磁链畸变，导致磁链估计偏差较大。 上述问题的存在，使DTC系统输出磁链和电磁转矩脉动较大，抗干扰性能较差，制约了DTC在工程中的应用。 本文设计一种改进的自抗扰控制器(ActiveDisturbance RejectionControl，ADRC)“”，对典型的ADRC结构进行简化，减少待整定参数，并引入模糊控制每17。 对ADRC的参数进行优化，使控制器具有更强的自适应性。 采用改进的ADRC替代PI控制器用于速度调节，减小电机参数变化和负载扰动对系统的影响；采用扩张状态观测器(Extended StateObserver，ESO)准确估计系统的磁链和转速，提高系统低速运行时的观测精度；采用空间矢量脉宽调制(Space VectorPulse WidthModulation，SVPWM)技术副替代传统的开关表和滞环比较器，保证逆变器开关频率恒定，抑制DTC系统中输出磁链和转矩的脉动。 仿真验证了上述方法的有效性。 1改进ADRC的速度调节器设计11ADRC的数学模型ADRC主要由三部分组成非线性跟踪微分器(Tracking Differentiator，TD)、ESO和非线性状态误差反馈(Nonlinear StateError Feedback，NLSEF)。 其中TD实现对系统输入信号的快速跟踪，并能从中提取出良好的微分信号；ESO是ADRC的核心，通过ESO的观测可以得到各状态变量的估计值，且能估计出内外扰动的实时作用量并加以反馈和补偿；NLSEF是ESO和TD产生的状态量估计值间误差的非线性组合。 设被控对象数学模型为咒“=f0戈叭，戈，?z“一，t+60“+六x，戈，?z”，伽()+blM (1)式中五，6。 已知部分；，6，部分；纠()扰动；“控制输入。 一阶ADRC结构如图1所示。 图1一阶ADRC结构框图图1中，秽是系统输入信号；刨是钉的跟踪信号；y是被控对象的输出信号；。 是Y的跟踪信号；z是扰动观测值；b。 是补偿因子；zb。 是用于补偿对象内外扰动的补偿量。 是经过NLSEF得到的被控对象初始信号；2,是经过补偿扰动后得到的最终控制信号。 由于一阶ADRC需要整定的参数较多，且参数的调整过程繁杂，不利于在工程中推广应用。 为了降低模型的复杂性并减小控制器的计算量，本文在保留ADRC精华的前提下，对控制器进行改进。 12改进的ADRC速度调节器设计PMSM的运动方程为d疋一咒=曰甜。 +， (2)U6式中C电磁转矩；乃负载转矩；，电机转速；日摩擦力矩；卜转动惯量。 一S3一万方数据控制与应用技术EM“迫札与柱。 纠应团xx，44 (4)根据式 (2)，转速输出方程可写为百do)r=了e一了B，一了TL (3)出l，。 l，、7由式 (3)可知，负载转矩、转动惯量和摩擦力矩的变化都会对转速控制的精度产生影响，所以将其视为扰动，则式 (3)可表示为r|，J_-wr=叫(f)+bu (4)其中训(t)=一了BF，一弓；6=了1_；H=t。 由于TD的主要作用是提取微分信号，但对一阶ADRC而言，ESO只输出系统和观测扰动的跟踪信号，并没有控制对象的微分输出信号，所以TD在系统中只起到了滤波作用。 为降低模型复杂性并减少待整定参数，可省略TD。 在NLSEF中由于fal函数的特性曲线并不平滑，这种不平滑特性易使系统在进入稳态后产生抖振，故可采用比例增益替代NLSEF部分，便于数字计算的实现，同时加快系统的响应速度。 此时，一阶ADRC控制器数学模型如下。 ESOrel2z1一?彳l=石2一卢olfal(e，a，艿)+6疋 (5)【名2=一卢02fal(e，a，6)非线性误差反馈控制率re2rz1=3e。 (6)【t=LZ2b式中的fal函数表示为re8sgn(e)e I8fal(e,a,8)=l寿|eI67式中e系统速度跟踪误差；，系统实际速度；f系统给定速度；z系统速度的状态估计；z扰动信号的观测值；fal(e，a，艿)最优控制函数；口O1之间的跟踪因子；6滤波因子；3。 、JB02ES0输出误差校正增益；口误差增益系数；t。 输出信号；t经过扰动补偿后的系统给定电磁转矩信号。 在工程应用中，一阶ADRC中NLSEF的误差增益系数口不易调节，在多变扰动工况的条件下，该参数需要进行手动调节，这不利于实际应用。 因此，本文将模糊控制用于ADRC的设计中，利用模糊规则对NLSEF中的参数进行整定，达到在线修改参数的目的，有利于ADRC控制器在工程实际中的应用。 模糊控制器的输人为系统给定速度与状态观测器对反馈速度的状态估计值间的误差e和误差变化率输出为NLSEF中待整定参数的修正值邮。 在它们的论域上均定义7个语言子集，分别为正大(PB)”、“正中(PM)”，“正小(PS)”、“零(ZO)”、“负大(NB)”、“负中(NM)”，“负小(NS)”。 取e和e。 的论域分别为一4，+4、_15，+15，隶属度函数选取高斯型；取郑的论域为-06，06，隶属度函数选取三角形；模糊推理采用Mamdani算法，去模糊化算法采用平均加权法9I。 对邮整定的模糊规则如表1所示。 表14B模糊规则表去模糊化后，查出修正值口后代入式 (8)卢=37+芦 (8)式中37NLsEF中误差增益的初始值。 改进的自抗扰速度调节器结构如图2所示。 2基于ESO的磁链和转速观测器PMSM DTC无传感系统需要对定子磁链和转速进行准确观测。 由于PMSM在叩坐标系下的定子磁链方程中包含电机的定子磁链和转子位置万方数据电札国控制应闭xx，44 (4)控制与应用技术l E哺弘图2改进的一阶自抗扰速度调节器框图信息，所以将定子磁链方程作为研究对象，把含磁链和转速的不确定项扩张为新的状态变量，利用ESO进行实时观测，并提取出磁链和转速状态信息，最终实现系统的无传感器运行。 PMSM在两相静止坐标系下的电压方程为磁链方程为严2三sin十砂rc。 88r (10)【九=三。 ip+砂，sin0，式中i如，、，砂一嵋定子电流、电压、磁链在Ot,3轴上的分量；砂，转子永磁磁链；。 定子电感；R。 定子电阻；，电机转速；臼，转子位置角。 由式 (9)、式 (10)可得由于系统实际测量的是定子电流和电压，待估量为定子磁链，因此选输入变量U=“。 M。 7，输出变量，=i。 7，状态变量x，=砂。 帆T，即可得到状态方程f丑-=八x-)+ (12)【J=h(X，)其中厂(X，)=即b=1=一LO岫,cos孙啡为设计状态观测器，将八X。 )分解成两部分，R一工(X1)=一产-，五(X1)=式中L(x。 )线性项；(x。 )非线性项。 由于五(x，)中包含转子位置信息0，所以将(x，)视为系统的已知部分，将厶(x。 )视为系统的部分并扩张成新的状态变量X，即有X2=五(x1)=【口。 (t)(t)】1 (13)记戈=f，则式 (13)可扩张成新的线性控制系统rXl=五(X】)+X2+bUE=孝 (14)【，九(盖，)根据式 (14)可构造ESO为80=Z1一X1e=9一y=e。 2。 =Z一卢。 e+fo(Z。 )+6u (15)22=一32fal(ea6)P=h(z。 )由式 (15)可得定子磁链的实时观测值Z。 =多。 礼】1 (16)扩张状态变量的实时观测值乙=【a。 a。 】7，根据Z可得到转子位置角和转速的估计值0“，2arctanc17，=Il()牡警 (18)甜，2T(J若)峨礁幽以以也一tRt+虬毽一t疋一t一一啡啡喝nCS砂妒疋一t疋一t玑良洫i宝沙以峨衅一+峨面嗥i丘丘+k坫尺R怡+卜阳峨出砂沙Rt毽一t+砂砂匙一t咫一t一一dp一些出监出万方数据控制与应用技术EMCA迫札与控刊应用xx，44 (4)与一些传统的定子磁链和转速估计方法相比，基于ESO的观测方法可将系统中的所有不确定因素都归为扰动，只要ESO对扩张项的观测准确，就可以保证磁链和转速的估计准确，减小了电机参数变化和负载扰动对系统的影响，提高了磁链解算和转速估计的准确性。 3SVPWM DTC系统表贴式PMSM的转矩方程为1n疋=半慨sin8 (19)对式 (19)求导可得坚dt=差2L?p硒堂dtlt s。 r I。 电机。 由上述分析可知，在参考定子磁链和参考电压矢量的计算中考虑了电磁转矩和定子磁链的误差，利用SVPWM算法将得到的预期电压矢量表示成基本电压矢量和零电压矢量的优化组合，并以逼近预期电压矢量为目标来确定开关电压矢量的作用时间，最终对磁链和转矩的偏差进行准确补偿，降低系统输出的磁链和转矩脉动。 另外，在传统的DTC系统中，滞环比较器环宽的设置范围会影响到逆变器的开关频率，导致开关频率不恒定。 SVPWM算法的采样周期恒定，可保证逆变器的开关周期和频率恒定，提高了系统的可靠性。 (20)4仿真式 (20)表明，电机的电磁转矩t与负载角6之间存在着非线性关系。 当6很小时，cos8可近似为1，则t与6之间近似为线性关系。 所以，用PI调节器可将转矩误差r转化成负载角增量丛，这时，可依据负载角偏差、定子磁链位置角0。 和给定定子磁链幅值吵!计算出参考定子磁链矢量在邙坐标上的分量2I沙沁。 s(ps+幽 (21)【虻=I砂?I sin(0。 +)则定子磁链矢量的偏差为f砂a2砂一吵“， 29、【砂口=孑一沙4再结合定子电流和电阻及其采样周期就可以得到预期电压矢量U。 及其分量u。 、的大小IUs2u+嵋 (24)【咖=arctan(U。 )式中西参考电压矢量的位置角。 计算出参考电压矢量后，通过SVPWM算法得到电压矢量间的等效组合。 其中，完成SVPWM算法可分为三个步骤，首先要判断出电压矢量所处的扇区，然后推导出电压矢量的通用时间变量，再根据电压矢量的作用时间生成控制信号，最终输出六路脉冲信号驱动逆变器控制一56一基于改进ADRC的PMSM DTC无传感系统结构如图3所示。 其中，速度调节采用模糊ADRC，通过ESO对定子磁链和转速准确估计，得到反馈的电磁转矩值和转速估计值。 给定电磁转矩和反馈电磁转矩间的误差信号经过PI调节后输出负载角的偏差。 根据负载角的偏差、定子磁链位置角及给定磁链的幅值计算出参考定子磁链矢量，以确定预期电压矢量，最终经过SVPWM输出6路控制信号驱动逆变器。 图3基于改进ADRC的PMSM DTC无传感器系统在MATLABSimulink环境下进行仿真。 其中逆变器的直流母线电压Ua=400V，磁链给定值哕+=0215Wb。 PMSM参数如下极对数P=4，定子电阻R=2875Q，dq轴电感Ld=。 =85mH，转子磁链识=0215Wb，转动惯量J=0810kgITl2，摩擦因数B=0。 给定转速为300rmin、转矩为3Nin的条件下，转速在01S时从300rrain突变到600rmin，转矩在025S时由3NITI跳变到儿坐r坐r+RRk冶=虬万方数据迫扎西控制应用xx，44 (4)控制与应用技术E帅队10Nm。 图4为采用传统DTC系统和改进ADRC的DTC系统得到的定子磁链轨迹。 砂nvba)传统DTC系统V。 iWb(b)改进ADRC的DTC系统图4定子磁链圆波形图4表明，在传统的DTC系统中，磁链圆有一定的环宽，其半径在0215Wb处波动，因此定子磁链的脉动较大。 在采用改进ADRC的DTC系统中，定子磁链圆的环宽明显变窄，磁链脉动减小。 图5是相同条件下用传统的电压模型进行定子磁链估计的曲线。 图5基于电压模型的估计磁链曲线图6是在相同条件下用ESO观测定子磁链的曲线。 比较图5和图6，ESO对定子磁链的估计比电压模型的估计更加准确，在稳态时磁链脉动更小。 这主要是因为ESO对系统扰动的准确估计和补偿。 另外，与传统的电压模型相比，ESO的观测没有纯积分环节，不会产生较大的误差积累和图6基于ESO的估计磁链曲线直流漂移，也不存在电机低速运行时反电势很小、对定子磁链难以观测的问题，所以在低速时对磁链的估计准确性更高。 图7是在相同条件下采用传统DTC系统和改进ADRC的DTC系统得到的电磁转矩响应曲线。 6040200080604020Ot|s(b)改进ADRC的DTC系统图7转矩响应衄线图7表明，与传统DTC系统相比，当电机运行速度变化时，采用改进ADRC的DTC系统输出的转矩变化更小，转矩脉动也有所减小。 这是由于用SVPWM技术替代滞环比较器和开关表，经过优化组合的电压矢量可以对磁链和转矩的偏差进行准确补偿，提高系统的稳态性能；另外，采用ESO对定子磁链的观测更加准确，提高了控制精度，能够更加准确地补偿磁链和转矩的偏差。 图8是在相同条件下采用传统DTC系统和一57万方数据控制与应用技术EMCA迫札与控制应用xx，44 (4)改进ADRC的DTC系统得到的转速响应曲线。 图8表明，传统的DTC系统中，转速超调较大，稳态阶段存在转速脉动，且转速受负载变化的影响明显，稳态误差为225；而改进ADRC的DTC系统中，转速基本无超调，稳态精度高，转速受负载变化的影响更小，稳态误差为048，且恢复时间更短。 说明改进的ADRC具有抗干扰能力强、稳定性好的优点。 ls(a)传统DTC系统ds(b)改进ADRC的DTC系统图8转速响应曲线同样条件下，改进ADRC的DTC系统中ESO对电机速度的误差观测结果如图9所示。 图9ESO对速度的观测误差图9表明，ESO对系统速度的状态估计和系统实际速度间的误差很小，说明ESO对系统中的非线性因素和扰动的估计比较精确，验证了ESO实时估计系统内外扰动作用的实用性与有效性。 图10是在给定转速为1200rmin、负载为一583Nm的条件下，分别采用常规ADRC和改进ADRC得到的转速响应曲线。 图lO转速响应曲线图10表明，在电机的速度调节中，采用带状态观测器前馈补偿加模糊控制的一阶ADRC，省略了TD，以线性误差控制率替代NLSEF中的非线性蹦函数，减少了控制器待整定参数和系统计算量，降低了模型的复杂性，缩短了系统的调节时间。 此外，采用模糊控制对ADRC控制器中NLSEF的参数进行整定，对于不同的外部工况条件，参数无需手动调节，有利于工程应用。 图11是在电机堵转时，在01S突加负载到3N-m的条件下，传统DTC系统和改进ADRC的DTC系统得到的转速响应曲线。 改进ADRC，矿rPl图11转速响应曲线图11表明，改进ADRC的抗干扰能力较PI调节器更强，这主要是由于ADRC中的ESO将系统的负载扰动和电机的参数变化都归为扰动，并进行准确的估计和补偿，使系统对负载突变具有很强的抗干扰能力。 同时，引入模糊规则对ADRC的参数进行自动调节，在一定范围内优化系统参数，也进一步提高了控制器的自适应性。 图12是在给定转速为400rmin、负载为4Nm的条件下，实际转速响应曲线和ESO观测的估计转速响应曲线。 伽瑚咖跏枷瑚。 瑚一一暑L【I二)22o一乏o4一兰兰己)，毒万方数据迫札与拄刊应用xx，44 (4)控制与应用技术；EMCA篓芦一5nLL。 JLJJ_J图12转速响应曲线图12表明，基于ESO的速度估计方法，估计转速能快速跟踪电机的实际转速，在稳态阶段的速度辨识误差约为04rmin，稳态精度较高，说明ESO的转速估计方法准确。 这主要是因为基于ESO速度观测的方法受电机参数变化的影响小，并可以对系统扰动进行有效补偿，所以转速估计准确性较高。 图13是在相同条件下转子的实际位置和ESO观测得到的转子估计位置曲线。 转子实际I E置转子估汁一立置7I“?6I9f图13转子位置图13表明，ESO速度观测器估计的转子位置与电机转子的实际位置比较接近，说明这种观测方法能减小电机参数变化和负载扰动对系统转速估计的影响，在电机低速稳态运行时对转子位置的估计是准确的。 5结语本文设计了基于改进ADRC的PMSM DTC无传感系统。 系统采用改进的模糊自抗扰速度调节器替代PI调节器，提高了调节器的自适应性和系统的抗干扰能力；引入ESO对定子磁链和转速进行更准确的观测，并实现系统的无传感运行，与传统的电压模型相比，提高了磁链解算的准确性；采用SVPWM技术替代传统的开关表和滞环比较器，有效降低磁链和转矩脉动。 仿真验证了控制策略的有效性，为PMSM DTC无速度传感器系统的转速估计提供了可行的思路。 【参考文献】1杨建飞，胡育文永磁同步电机最优直接转矩控制J中国电机工程学报，xx，31 (27)1091152高靖凯，林荣文，张润波永磁同步电机直接转矩控制的研究及算法改J电机与控制应用，xx，42 (11)16203李君，李毓洲无速度传感器永磁同步电机的SVMDTC控制J中国电机工程学报，xx，27 (3)28344JANISZEWSKI DSensor lesscontrol ofpermanentmag synchronousmotor basedon KalmanfilterJPower Engineering，Energy andElectricalDrives，xx (1)11-135吴奇，程小华永磁同步电机的无传感器控制策略J电机与控制应用，xx，36 (8)29326张伯泽，阮毅基于MRAS内置式永磁同步电机无位置传感器控制研究J电机与控制应用，xx，43 (4)13167缪学进，李永东，肖曦高频信号注入无速度传感器永磁同步电机控制系统J电气传动，xx，37 (3)11-148于信忠，张承瑞，李虎修，等基于自适应扩展卡尔曼滤波器的永磁同步电机超低速控制J电机与控制应用，xx，39 (9)24299刘颖，周波，李帅，等转子磁钢表贴式永磁同步电机转子初始位置检测J中国电机工程学报，xx，31 (18)485410韩京清自抗扰控制技术M北京国防工业出版社。 xx11李婉婷，厉虹永磁同步电机自抗扰控制技术研究J电气传动，xx，45 (9)202412刘英培一种永磁同步电机直接转矩控制无传感运行优化方法J中国电机工程学报，xx，34 (30)5368537713刘英培，栗然，梁海平基于最小二乘支持向量机优化自抗扰控制器的永磁同步电机直接转矩控制方法J中国电机工程学报，xx，34 (27)4654466414邵立伟，廖晓钟，张宇河，等自抗扰控制在永磁同步电机无速度传感器调速系统的应用J电工技术学报，xx，21 (6)3539(下转第63页)一59万方数据电机一再控制应闭xx，44 (4)控制与应用技术EM“表2单神经元PI置位误差序号雩鬟耋等7输专姜影平篙彭总絮膨(os1)(。 )11(2826rrain)2530922(5652rrain)53-606234f11304rmin)10612065446(16956rrain)164177458(22608rrain)217234386to(25434rrain)24225934表4单神经元PI速度平稳度序号繁i雩7输专霉雕平蓑影总蛩膨11(2826rrain)2530922(5652rrain)53584534f11304rmin)109118444246f16956rrain)164j742958(22608rrain)22123326610(25434rmin)24825823结语本文设计了一种基于单神经元PI的伺服转台控制系统。 通过仿真及试验，结果表明单神经元PI方案相比于传统的PI方案具有较高的精度，且具有工程应用价值。 (上接第59页)15顾问，王久和基于自抗扰控制的永磁同步电机矢量控制策略J电源学报，xx，9 (5)656816薛薇，路鸦立永磁同步电机调速系统的模糊自抗扰控制J电机与控制