采用输出预估自抗扰的永磁同步电机调速系统

沈丽

（扬州大学 物理科学与技术学院，江苏 扬州 225009）

1 概述

PMSM中引起时延的因素主要有：系统计算时延，传感器和内部电流环响应时延等[1]。时延存在引起电流畸变、转矩脉动等，降低系统稳定。解决永磁同步电机系统的时延问题至关重要。本文通过史密斯预估技术消除时延的影响，使自抗扰控制器作用于系统的非延时环节，于是控制器可以更快的对系统的变化做出响应，从而提高系统的跟踪性能。

2 永磁同步电机数学模型

在d-q 坐标系中，PMSM的数学模型[2]，可描述如下：

其中，ud，uq为d-q 轴电压分量；id，iq为d-q 轴上的电流分量；ψd，ψq为d-q 轴上的磁链分量；Ld，Lq为d-q 轴上的电感，本文采用表面粘贴式的永磁同步电机进行研究分析，于是，可知Ld=Lq=L；ω 为d-q 坐标系旋转角频率；J 为系统转动惯量；Rs为每相绕组电阻；np为电机极对数；ψf为永磁体磁链；TL为负载转矩；B 为粘摩系数。

3 输出预估自抗扰控制器设计

3.1 自抗扰基本原理

ADRC 的核心思想[2，3]是根据被控对象的输出和控制量的信息以简单的积分串联型系统作为标准，对系统的扰动进行实时估计，因此本文设计自抗扰控制器可设计为：

3.2 输出预估控制器的设计

史密斯预估器引用可以使系统控制器部分等效为一个无时延环节，以提高系统的快速响应性以及对输入信号的跟踪性能。设对象模型为：

其中Q（s）为时延的对象传递函数；Qr（s）为无时延部分传递函数；τ 为系统的时延。

史密斯预估器的设计中引入一个中间变量y0，具体形式如下：

式(7)表明中间变量y0可由系统的输出y 以及它的积分y˙获得。于是，得到一个抗干扰能力强的微分环节对控制器的控制性能至关重要。

输出预估自抗扰控制器的控制律可表示如下：

其中，y0*为输出期望值，kp为比例控制增益，p 为ESO 极点。z1用于跟踪y0，z2用于跟踪系统的总干扰，b0是b 的估计值。

4 输出预估自抗扰控制在PMSM 中的应用

图1 所示为基于输出预估自抗扰控制器的PMSM 系统控制结构图。控制系统主要对转速外环进行改进，在速度估计后加入史密斯预估器, 而后将预估后的转速送入到自抗扰的扩张观测器，最终实现消除延时更好的跟踪转速。

图1 基于输出预估自抗扰控制器的永磁同步电机系统控制结构图

5 结果及其分析

采用MATLAB/SIMULINK 对控制性能进行有效性验证。仿真采用的PMSM参数见表1。

表1 电机参数

本文以PMSM 的参考速度2000r/min 进行研究分析，图2中速度对比曲线、图3 输出电流对比曲线中，可以看出在0.2时，突加负载TL=2N·m 的扰动，引入斯密斯预估器的扰动观测器具有更好的抗干扰的能力。

图2 转速对比曲线

图3 输出电流对比曲线

从图2 中可以发现加入斯密斯预估器的自抗扰控制能够更好的跟踪转速，图3 的输出电流可以看出随着输出预估自抗扰后的控制量在0.2s 加入负载时能够更快更稳定的输出电流，从而达到速度的给定。从仿真结果可以发现输出预估自抗扰具有更强的抗干扰的性能，能更快的响应跟踪速度。

6 结论

本文将史密斯预估器引入到扰动观测器的设计中，有效的消除时延对系统性能的影响，又提高了PMSM控制性能，并具有更强的抗干扰能力。