线性自抗扰控制在电动汽车异步电机驱动系统中的应用

崔传真，何　维，黄红生，谢积锦，张圆圆

（钦州学院广西高校临海机械装备设计制造及控制重点实验室培育基地，广西钦州535000）

线性自抗扰控制在电动汽车异步电机驱动系统中的应用

崔传真，何维，黄红生，谢积锦，张圆圆

（钦州学院广西高校临海机械装备设计制造及控制重点实验室培育基地，广西钦州535000）

通常采用矢量控制结合效率最优原则来提高电动汽车异步电机驱动系统的效率，延长电动汽车的续驶里程，达到节能环保的目的。但效率优化系统由于各种干扰等不确定因素的存在，很难实现基于电机模型的准确解耦，严重影响磁通和转矩的动态性能。为此，设计了异步电机调速系统的二阶线性自抗扰控制器。线性自抗扰控制器不依赖系统的精确模型，利用扩张状态观测器估计出电机模型中的内扰和外扰并加以补偿。仿真和实验结果表明，与经典的PI控制器相比线性自抗扰控制器在效率优化的异步电机驱动系统中，具有更好的动态性能和抗干扰性能。

电动汽车；异步电机；效率优化；线性自抗扰控制器

续驶里程不足是电动汽车发展的瓶颈，为解决这个问题必须最大限度地提高其驱动系统的效率。目前，异步电机被广泛的应用在电动汽车中，通常采用矢量控制结合效率最优原则来达到节能环保的目的，其本质都是在轻载时降低电机磁通水平以减小铁心损耗的方法来实现效率的提升［1］。但在效率优化时存在电机磁链的变化以及电机参数时变等多种不确定因素的影响，使得系统的抗干扰能力减弱、鲁棒性降低，另外系统的动态响应速度也会明显降低。因此，对系统的控制器设计提出了较高要求。

自抗扰控制（ADRC）不依赖系统模型，能实时估计并补偿各种外扰和内扰，使系统线性化为积分串联型结构，获得良好的控制品质［2-3］。线性自抗扰控制器是对自抗扰控制器进行线性化处理，同样可以得到优良的控制性能，并且参数较少，计算简单［4］。本文分析了异步电机驱动系统的功率损耗，建立了考虑铁损的模型，设计了效率优化异步电机驱动系统的线性自抗扰控制器，并与PID控制器进行仿真和实验对比，验证所设计的控制器的有效性。

1　自抗扰控制器和线性自抗扰控制器概述

1.1自抗扰控制器

自抗扰控制器（Active disturbance rejection control，ADRC）由扩张状态观测器（Extended state observer，ESO）、跟踪微分器（Tracking differentiator，TD）和非线性状态误差反馈控效率（Non linearextended state observer，NLSO）三部分组成，它是一种基于TD处理参考输入，ESO估计系统状态、模型和外扰，实施NSEF控制的非线性控制器。对于二阶控制系统：

其中，

ω（t）是外部扰动；

f（t，x，x˙，w（t））是内部与外部扰动之和；

u为控制量；

b为控制量增益；

y为对象输出；

v0为对象输入。

(3)表述不同,即存在指代的两个要素在文字表达上不同,两个要素间可能一个是另一个的别名,或者根据上下文,两个要素都指向同一个实体,例如“中华人民共和国”←“中国”,“修理巷道的20名矿工”←“被困人员”;

二阶系统的ADRC控制器结构如图1所示。

图1　自抗扰控制器结构图

自抗扰控制算法中需要整定的参数有很多，这些参数的确定是一个繁杂的过程，目前还没有形成系统的整定方法，不利于工程实际应用［5］。

1.2线性自抗扰控制器

自抗扰控制器三个组成部分均采用非线性函数，可对其进行线性简化，得到同样性能优良的控制器［6］。并且参数较少，计算简单。简化的线性自抗扰控制器形式如下：

对于像（1）式的二阶不确定静止对象的状态方程为：

其中：x3=f是未知的被扩张的状态变量，h=f˙，b0≈b，不确定项f可由扩张状态观测器估计出来。

状态观测器的各状态变量zi（t）（i=1，2，3）是对xi（t）的跟踪，即

取u=（-z3+u0）/b0，忽略z3（t）对f（t，y，y˙，ω（t））的估计误差，则可简化为一个双积分串联模型：y¨＝（f-z3）+u0≈u0

PD控制器：

简化的LADRC的优点:不需要具体的数学模型、积分环节就能实现无静差，避免了积分反馈的负作用。除此之外，LADRC的参数大大减少，只需调节L1，L2，L3，kP，kD，b0即可。

2　基于线性自抗扰控制器的效率优化异步电机调速系统设计

2.1考虑铁损的异步电机动态数学模型[8]

感应电动机的效率优化是寻求电动机运行时本身铜损和铁损的某种平衡，使电机的总损耗最小化。但通用的数学模型是忽略铁损的，这样会阻碍控制精度的提升。基于转子磁场定向理论，考虑铁心损耗的感应电动机在同步旋转坐标系下的动态数学模型可表示为

其中：Tr=Lr/Rr，Ts=Ls/Rs

式中：Lm为定转子之间的互感；Ls，Lr为定转子之间的漏感；Rs，Rr为定转子电阻；ω1，ωr为同步转速和异步电机转速；imd，imq，ifed，ifeq为d、q轴励磁电流和铁损等效绕组电流；ψr，ψsd，ψsq为转子总磁链和d、q轴定子磁链；TL为负载转矩；usd，usq为定子侧d、q轴电压。

异步电机损耗功率：

在一定的转子角频率ωr和一定的负载转矩条件下，电动机的可控损耗与转子磁链ψr的大小有关。对ψr求偏导

令式（8）等于零，可得到不同转矩和转速情况下的最优磁链

由式（9）可以看出，在电机在轻载效率优化控制时，其转子磁链明显下降，转速响应速度也会变慢，影响电动汽车异步电机驱动系统的运行性能。必须使用抗干扰能力强的控制器，本文使用线性自抗扰控制器，可以实现磁链和转矩的解耦。

2.2异步电机的线性自抗扰控制

由式（8）可以看出，考虑铁损的异步电机动态方程中含有交叉耦合项，使得异步电动机的转速和磁链互相影响，使系统的控制品质下降。根据异步电机各励磁电流之间的关系：

可将异步电机的数学模型转换为线性自抗扰控制器的标准模型。

（1）磁链子系统

（2）转速子系统

2.3电动汽车异步电机效率优化线性自抗扰控制系统

本文采用两个二阶自抗扰控制器分别控制磁链和转速。采用自抗扰控制器的异步电机效率优化运行系统如图2所示。

图2　基于线性自抗扰控制器的效率优化异步电机调速系统

3　实验对比研究

线性自抗扰控制器的参数采用免疫遗传算法，选择种群大小为100，交叉概率为Pc＝［0.5，0.7］，变异概率Pm＝［0.1，0.2］，群体更新代数为50.

实验1：仿真开始时，n=960 r/min，ψr=0.8Wb.轻载启动，在t=1.2 s时启动效率优化控制算法，仿真时间为5 s.电机转速和转子磁链如图3和4所示。由图3可见，转速响应迅速，很快达到稳态值，稳态误差较小。由图4可见，在采用效率优化控制算法后，转子磁链明显降低，但状态扩张观测器可以使转子磁链快速跟踪优化的转子磁链，误差很小。

图3　电机转速跟踪波形

图4　电机转子磁链跟踪波形

实验2：线性自抗扰控制器和传统PI控制器在异步电机效率优化运行控制系统中的对比研究。转速为n=960 r/min，空载启动，在t=2 s时突加负载额定负载。转速响应如图5所示，由图可见，在负载扰动下，线性自抗扰控制器比PI控制器对电磁转矩和转速的调节时间短，稳态误差小，电机的响应较快。

图5　转速响应曲线对比

4　结束语

电动汽车异步电机是一个多变量、强耦合的非线性系统，很难达到理想的控制效果。特别是在轻载时，电机的效率较低，采用效率优化控制策略可以有效地提高系统的效率，达到节能的目的。但效率优化的本质是降低转子磁链，引起电机响应降低。本文使用线性自抗扰控制器，可以实现转子磁链和转速的动态解耦，在效率优化的同时提高电机的响应速度。实验结果表明，本文提出的控制策略能兼顾电机的效率优化和动态响应，所设计的控制器的抗干扰能力优于传统的PI控制器，在电动汽车异步电机驱动系统中具有较好的应用前景。

［1］杨耕，耿华，王焕钢.一种考虑感应电机动态效率的转矩控制策略［J］.电工技术学报，2005，20（7）：93-98.

［2］韩京清．从PID技术到“自抗扰控制”技术［J］．控制工程，2002，3（4）：13-18．

［3］TanYaolong，ChangJie，TanHualin.AdaptiveBackstep pingcontrolandfrictioncompensationforACservowithiner tiaandloaduncertainties［J］.IEEETransactionsonIE，2003， 50（5）：944-952.

［4］刘丽英.线性自抗扰控制策略在异步电机调速系统中的应用研究［D］.天津：天津大学，2010.

［5］SISakai，HYoichi．AdvantageofElectricMotorforAntiSkid ControlofElectricVehicle［J］.EPEJournal，2001，11（4）：26-32.

［6］李珂.电动汽车高效快响应电驱动系统控制策略研究［D］.济南：山东大学，2007.

［7］朱丽玲，于希宁，刘磊，等.基于遗传算法的ADRC参数整定及其应用［J］.仪器仪表用户，2005，12（4）：64-66.

［8］基于自抗扰控制器的异步电机矢量控制系统研究［D］.湘潭：湖南科技大学，2007.

The application of Ladrc on Asynchronous Motor Drive System in Electric Vehicles

A bstracts: In order to extend the trip range of electric cars，achieve the goal of energy conservation and environmental protection，SPWM combined with the optimal efficiency is the usual method. But efficiency optimization system exists serious external disturbance and various nonlinear uncertainties，so the motor model decoupling can be difficult to achieve accurately. And the magnetic flux and torque dynamic performance is affected by seriously. In order to improve dynamic performance of induction motor speed control system，designed linear ADRC to replace PI controller in efficiency optimization of asynchronous motor. LADRC don't depend on the precise model of system，using ESO to estimates inner and outside disturb，at the same time to compensate. Simulation and experimental results show that，the LADRC has better dynamic performance and anti-interference performance than PI controller in efficiency optimization of asynchronous motor drive system. K ey w ords:electric cars；asynchronous motor；efficiency optimization；LADRC

CUI Chuan-zhen，HE Wei，HUANG Hong-sheng，XIE Ji-jin，ZHANG Yuan-yuan
（Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory Breeding Base of Coastal Mechanical Equipment Design，Manufacturing and Control，College of Physics and Electronic，Qinzhou University，Qinzhou Guangxi 535000，China ）

TP273

A

1672-545X（2016）06-0011-03

2016-03-10

广西高校临海机械装备设计制造及控制重点实验室培育基地主任课题基金资助项目（编号：GXLH 2014YB-03）；港口桥式起重机驱动控制系统的研究（编号：GXLH 2014ZD-02）。

崔传真（1987-），女，山东枣庄人，硕士，助教，主要从事汽车控制系统研究。