基于负载观测的永磁电机驱动系统自抗扰控制

盖江涛 黄守道 黄 庆 王 辉



基于负载观测的永磁电机驱动系统自抗扰控制

盖江涛1,2,3黄守道1黄 庆1王 辉1

（1. 湖南大学国家电能变换与控制工程技术研究中心 长沙 410082 2. 北京电动车辆协同创新中心 北京 100081 3. 中国北方车辆研究所车辆传动重点实验室 北京 100072）

针对永磁同步电机（PMSM）的车辆驱动系统在负载变化过程中转速受到较大影响的问题，结合自抗扰控制器（ADRC），采用对负载扰动进行观测并补偿来抑制外部扰动的方法，设计了基于负载观测的二阶ADRC速度控制系统。对负载观测ADRC的控制方程进行了推导，并将负载观测控制量作为速度环的补偿控制输入。同时与未加入负载扰动的ADRC系统作对比研究。仿真与实验结果表明，带有负载观测的ADRC调速系统具有更强的抗扰动能力，提高了PMSM变频调速系统的动态稳定性能和响应能力，证明了带有负载观测的ADRC控制系统能够更好地满足电传动履带车辆的控制系统要求。

永磁同步电机 负载观测 自抗扰控制器 调速系统

0 引言

驱动电机及其控制系统是发展电传动履带车辆的核心部件，直接为电传动履带车辆提供动力，对整个方案的牵引特性起着决定性作用。高功率密度、高效率及高可靠性的永磁同步电机[1]是先进、高效电传动履带车辆电力推进装置成败的关键所在。

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）的控制策略使系统向智能化发展，新颖非线性控制策略有自抗扰控制[2]、混合滑模控制[3]、模糊神经网络控制[4]、预测控制[5]等，能够改善驱动系统的性能。在车辆系统的特殊环境下，负载突变严重影响系统的动态性能。因此，需要采用相应的控制方法抑制外部扰动，采用负载转矩观测器能够有效地解决这一问题。文献[6,7]采用Luenberger负载转矩观测器和基于Kalman滤波器的负载转矩观测器分别对负载转矩进行观测，并对参考转矩前馈补偿，提高了转速的控制性能，但是在控制策略上并未替代PID控制思想，且Luenberger和Kalman观测器在实际程序实现中容易造成数据丢失，导致系统不稳定。文献[8]在全维观测器设计方法上，提出一种基于降阶负载扰动观测器的PMSM电流前馈补偿控制方法，获得了较好的转速控制性能，但其状态方程仍以机械转速和负载转矩为状态变量，且运用复杂的迭代运算计算转动惯量来修正负载观测器，计算较繁琐，难以实现。文献[9]为了减小负载转矩扰动，采用指数趋近方式设计滑模速度控制器，并将观测的负载转矩进行前馈补偿，以克服负载时变对控制性能的影响，但是由于滑模控制开关的切换动作所造成的控制不连续性，抖振现象无法避免，只能达到减小抖振的目的。文献[10]采用一种新的负载转矩降阶观测器设计方法，将观测到的负载转矩成比例地前馈补偿，实现滑模抗扰动自适应控制，提高了负载扰动时调速系统的响应速度，然而在实际调速系统中仍然存在颤振现象。

自抗扰控制器通过对系统内部、外部扰动的实时估计和补偿，结合非线性控制策略，可以得到更好的动静态性能，具有更强的鲁棒性和适应性。当负载大范围变化时，通过观测系统负载的突变，根据系统的响应偏差进行补偿，同时考虑转动惯量对自抗扰控制器（Active Disturbance Rejection Controller, ADRC）负载转矩观测器的影响，对转动惯量、摩擦力等不确定因素用扩张状态观测器（Extended State Observer，ESO）进行辨识[11,12]，结合非线性反馈控制律组合成积分器串联型系统。

本文研究利用ADRC设计的负载观测器，将电传动履带车辆的PMSM调速系统的负载观测器与ADRC相结合，针对负载扰动进行前馈补偿，ESO只估测未被补偿的扰动量，同时建立被控对象的部分模型，既达到负载观测的目的，又使ADRC具有更好的抗负载扰动的能力。经过系统仿真和实验分析表明，本文设计的系统能够有效抑制负载变化对转速的影响，同时与未引入负载观测系统作对比，证明了自抗扰控制系统在车辆驱动中具有更好的使用效果。

1 速度环控制数学模型

交流PMSM的数学模型是一个多变量、非线性和强耦合系统。该系统采用三相正弦波电流驱动的隐极式转子SPMSM为被控对象，，由此构成的调速系统采用矢量控制策略，在各物理量设定的正方向坐标系中，PMSM的运动方程为[13-15]

2 基于负载观测PMSM调速ADRC设计

2.1 ADRC的数学模型

ADRC由跟踪微分器（Tracking Differentiator，TD）、ESO和非线性状态误差反馈控制律（Nonlinear States Error Feedback，NLSEF）三部分组成。由于PMSM调速系统可以看成二阶离散系统，因而将电流转速环整合成一个二阶ADRC速度控制系统。通过速度反馈和负载观测值得到部分系统模型，将部分扰动项补偿到ESO中，同时与NLSEF对总扰动的补偿一起组成控制量，实现反馈量对参考量的 跟踪。

通过ADRC控制算法将PMSM的二阶自抗扰控制器设计如下。

（1）TD方程为

（2）ESO方程为

（3）NLSEF方程为

至此，可设计出二阶速度电流环自抗扰控制器结构，如图1所示。

图1 二阶自抗扰控制器结构

2.2 负载观测PMSM调速ADRC设计

为了抑制外部扰动（如负载突变及摩擦力）和内部扰动（如转动惯量变化）等因素给车辆调速系统带来的影响，采用ADRC对PMSM的负载进行观测，同时对速度环进行调节。通过式（1）～式（5）得出PMSM二阶转速方程为

令

则式（10）可简化为

根据交流永磁电机的输出状态方程可知，在没有负载转矩即空载运行状态下，有

为方便运算先省去极对数在式（14）中的值，通过Laplace变换可得

对式（7）采用线性化形式，简化成线性扩张状态观测器（Linear Extended State Observer, LESO），将非线性函数转化为线性函数即，则

图2 控制系统结构框图

3 仿真

本文对自主研发的变频调速控制系统进行了控制系统数字化实现，利用Matlab/Simulink对控制系统进行了数字仿真，永磁同步电机参数见表1。

表1 永磁同步电机参数

Tab.1 PMSM parameters

仿真工作主要对比采用负载观测前、后ADRC控制系统的电流和转矩波形，给定转速为6 000r/min，空载启动，在0.5s时加入负载转矩。仿真结果如图3和图4所示。

（a）未引入负载观测

（b）引入负载观测

图3 ADRC系统相电流波形对比

Fig.3 Comparison of ADRC system phase current waveforms

从图3可知，在未加入负载观测的情况下，电流波形产生了畸变，由于负载观测ADRC的设计补偿量的作用，使得加入负载观测后谐波含量明显降低，也保证了在图4的电机转矩波形的对比中，加入负载观测的ADRC调速系统的转矩脉动更小，对于速度控制系统转速的影响也更小，使转速更加平稳、转速恢复时间更快。这表明负载观测ADRC调速系统抗负载突变的能力更强，并且该控制策略具有更好的动态稳定性能，适于车辆驱动系统。

（a）未引入负载观测

（b）引入负载观测

图4 系统转矩波形对比

Fig.4 Comparison of system torque waveforms

图5 系统的高转速响应波形对比

4 实验

电机实验平台如图6所示，系统采用11.3kW的PMSM作为被控对象，通过扭矩功率测量仪测试转矩、功率、转速等参数，最终与母线回馈变频驱动加载实验台相连，进行空载和负载实验。实验对比分析了采用负载观测前、后的ADRC驱动系统的控制性能，在示波器和CCS调试软件中可以观测实时的转速和电流实验波形。

图6 实验平台

载波频率为7.5kHz，PMSM控制器采用内置软件示波器，实时监控PMSM调速系统，电机空载起动并达到额定转速=6 000r/min。在约60ms时，给ADRC电机调速系统突加负载5N·m，实验波形如图7所示。由图7可知，在未引入负载观测的ADRC调速系统中，转速的跌落幅度较大，且恢复时间长；在加入负载观测的ADRC调速系统中，通过对负载扰动的观测，并实时进行有效的负载转矩补偿，能够及时地减弱突加负载带来的外部扰动，使调速系统稳定性能更好，即具有更好的负载扰动抑制效果。

（a）未引入负载观测

（b）引入负载观测

图7 突加负载转速实验波形对比

Fig.7 Comparison of experimental speed waveforms under sudden change of load

图8是电机在带载起动且保持增速的状态下，用示波器观测电机转速和转矩的波形对比。可明显看出，电机带载起动到达转速=3 000r/min时，在未引入负载观测ADRC调速系统中，电磁转矩脉动较大，且转速受实验参数影响明显，在转速到达额定转速=6 000r/min时，转速产生超调，转矩波形的谐波也较多；相比之下，引入负载观测的ADRC调速系统在带载起动时也能保持较好的稳态性能，波形稳态波动很小，能达到转速平稳，满足超调小的性能要求。

（a）未引入负载观测

（b）引入负载观测

图8 带负载起动时转速和转矩实验波形对比

Fig.8 Comparison of experimental waveforms of starting speed and torque with load

图9是在两种调速控制系统中，在速度给定为-200～200r/min的正弦波情况下实验波形对比。实验中ADRC调速系统带小负载起动，且负载保持不变。在有负载观测的ADRC控制系统中，动态响应性能较好，波形未出现迟滞现象；相比之下，未加入负载观测的ADRC系统，受外部负载扰动的影响较大，转速波形在一定程度上出现畸变，受实验参数变化的影响较明显。因此对于电传动履带车辆调速系统来说，利用负载观测的ADRC控制系统可很好地抑制外部负载扰动的影响，能在实际运行过程中达到很好的速度控制性能。

（a）未引入负载观测

（b）引入负载观测

图9 速度给定为-200～200r/min的正弦波，电机转速实验波形对比

Fig.9 Comparison of experimental PMSM speed waveforms at-200～200r/min sinusoid

5 结论

本文通过自抗扰控制器实现了负载观测，并将其应用于永磁电机驱动系统中，与典型ADRC调速系统相比，得出以下结论：

1）针对典型ADRC调速系统存在的问题，用控制系统的负载观测部分对电机负载扰动进行辨识，得到了具有实际补偿价值的扰动模型并引入到线性扩张状态观测器。

2）通过优化非线性状态误差反馈控制律进行补偿，设计出具有负载观测的二阶ADRC控制系统，有利于满足交流永磁伺服电机的高性能调速系统 要求。

3）简化了系统的控制结构，在保证系统动态性能的同时，增强了系统的稳定性。仿真和实验结果证明，采用负载观测优化ADRC复合控制策略，在电传动履带车辆控制系统领域能够得到更好的应用。

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Active-Disturbance Rejection Controller for Permanent Magnet Motor Drive System Control Based on Load Observer

1,2,3111

（1. National Engineering Research Center of Energy Conversion and Control Hunan University Changsha 410082 China 2. Collaboration Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing Beijing 100081 China 3. Science and Technology on Vehicle Transmission Laboratory China North Vehicle Research Institute Beijing 100072 China）

As the speed will be greatly influenced by the variation of load in permanent magnet synchronous motor (PMSM) vehicle driving system, a two-order active disturbance rejection controller (ADRC) speed control system based on load observer is designed. The control system is combined with ADRC to observe and compensate load disturbance, which can suppress external disturbance. The control equation of ADRC governing system with load observer is deduced, and the load observe control volume is established as the compensation input of speed loop. Besides, it is compared with ADRC system without load disturbance. Simulation and experimental results show that ADRC governing system with load observer has stronger ability of anti-interference, and the dynamic performance and the response performance of PMSM frequency control system have improved. ADRC control system with load observer can better satisfy the control requirements of electric vehicle.

Permanent magnet synchronous motor, load observer, active disturbance rejection controller, speed modulation system

TM351

盖江涛 男，1981年生，博士研究生，研究员，研究方向为车辆电传动、特种电机及其控制。

E-mail: jiangtaogai@163.com

黄守道 男，1962年生，教授，博士生导师，研究方向为电力电子传动装置及其控制、特种电机及其控制。

E-mail: shoudaohuang@tom.com（通信作者）

2014-08-01 改稿日期 2015-11-01

国家自然科学基金（51377050）和国家“十二五”科技支撑计划重点项目（2012BAZ02072）资助。