帶擾動(dòng)觀測器的永磁同步電機(jī)非線性預(yù)測跟蹤控制

1、帶擾動(dòng)觀測器的永磁同步電機(jī)非線性預(yù)測跟蹤控制摘要：針對(duì)永磁同步電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速跟蹤控制問題，基于非線性預(yù)測控制方法設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，使該系統(tǒng)滿足高性能控制要求。并將負(fù)載轉(zhuǎn)矩作為未知擾動(dòng)來考慮，利用擾動(dòng)觀測器得到其估計(jì)值，從而進(jìn)步系統(tǒng)魯棒性。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，本文方法可以快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速跟蹤，并進(jìn)步系統(tǒng)對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)的魯棒性。關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；非線性預(yù)測控制；轉(zhuǎn)速跟蹤；擾動(dòng)觀測器中圖分類號(hào)：TM351 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2615202103-0367-05Nonlinear Predictive Tracking Controller for Permanent Magnet S

2、ynchronous Motor with Disturbance ObserverShen Shaobo，Li Tao，Zu Hui，Zhang GuobaoAbstract：To satisfy the high performance control demand for speed tracking， a nonlinear predictive controller for a permanent magnetic synchronous motor PMSM is designed. The load torque is also considered as the unknown

3、 perturbation and a disturbance observer is designed to get the estimated value of load torque， thus improving the robustness. Finally， simulation results show that the quick and accurate speed tracking is realized as well as the stronger robustness against load torque perturbations.Key words： perma

4、nent magnetic synchronous motor PMSM； nonlinear predictive control NPC； speed tracking； disturbance observer永磁同步電機(jī)Permanent magnetic synchronous motor，PMSM以其構(gòu)造簡單、運(yùn)行可靠、體積小、損耗低、效率高等特點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車、機(jī)器人等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用1-3。針對(duì)PMSM控制問題，目前普遍采用的控制手段是基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制技術(shù)，將轉(zhuǎn)速和電流解耦后分別進(jìn)展控制。所使用的控制方法包括經(jīng)典線性控制方法，例如PI控制4-5、基于直接反響線

5、性化6等方法，也有文獻(xiàn)使用非線性控制方法，例如自適應(yīng)控制7-8，H控制9等。但由于PMSM系統(tǒng)具有強(qiáng)非線性且存在未知擾動(dòng)的作用，上述方法無法滿足高性能控制的要求，或因?yàn)檩^高的計(jì)算量而難以實(shí)現(xiàn)。預(yù)測控制是基于最優(yōu)控制理論的魯棒控制算法，可以有效處理非線性系統(tǒng)，進(jìn)步系統(tǒng)魯棒性，從而得到廣泛應(yīng)用10-12。文獻(xiàn)13將預(yù)測控制運(yùn)用到PMSM系統(tǒng)中，運(yùn)用電流與電壓的解耦得到線性模型，但將負(fù)載轉(zhuǎn)矩作為擾動(dòng)來處理。文獻(xiàn)14，15運(yùn)用模型預(yù)測控制Model predictive control，MPC方法對(duì)PMSM系統(tǒng)進(jìn)展控制，但基金工程：國家自然科學(xué)基金61473079，61374116資助工程；江蘇省自然

6、科學(xué)基金B(yǎng)k202112211資助工程。收稿日期：2021-03-02；修訂日期：2021-04-23設(shè)計(jì)了一個(gè)擾動(dòng)觀測器，用觀測器獲得的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的估計(jì)值來代替實(shí)際值。由PMSM系統(tǒng)方程2可得故設(shè)計(jì)初始的擾動(dòng)觀測器如下式中tx為所設(shè)計(jì)的觀測器增益函數(shù)。再定義觀測器誤差，建立如下誤差方程根據(jù)文獻(xiàn)17中所使用的方法，增益函數(shù)lx取值為其中： 并且P0為大于0的常數(shù)。那么有將其代入式7可得式中ey2=y2-y2r為速度跟蹤誤差。對(duì)式8求解，那么負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測值可由下式得到假設(shè)觀測擾動(dòng)的初始虛擬值，那么可得如下觀測器方程由觀測器方程9可見，只需要測量得到系統(tǒng)實(shí)際轉(zhuǎn)速，觀測器就可以利用實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的

7、誤差值得到負(fù)載轉(zhuǎn)矩估計(jì)值。在系統(tǒng)受到未知負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)的作用時(shí)，便可將觀測值代入到控制器中，進(jìn)步系統(tǒng)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的魯棒性。4 仿真結(jié)果本節(jié)通過兩組Matlab中Simulink仿真實(shí)驗(yàn)來分別驗(yàn)證本文方法的轉(zhuǎn)速跟蹤性能與魯棒性。實(shí)驗(yàn)中對(duì)PMSM系統(tǒng)采用id=0控制策略，控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，其中表示給定轉(zhuǎn)速與電流。不失一般性，所選用電機(jī)參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)1：不考慮負(fù)載轉(zhuǎn)矩的影響，來驗(yàn)證PMSM系統(tǒng)轉(zhuǎn)速跟蹤性能。實(shí)驗(yàn)中采用id=0控制策略，即保持電流id為0，使電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤給定值。如圖1所示，利用Clark變換與Park變換，將測量得到的PMSM三相電流ia、ib、ic轉(zhuǎn)換為d-q坐標(biāo)系下的等效電

8、流id、iq。將電流與轉(zhuǎn)速值代入控制器可得到控制量ud與uq，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。本文所采用NPC方法實(shí)驗(yàn)中的d、q軸電流值如圖2所示，可見系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，d軸電流可以穩(wěn)定在0值附近，說明NPC方法對(duì)電流具有較好的控制效果。圖3為本文NPC方法的轉(zhuǎn)速跟蹤仿真結(jié)果，而圖4為PID方法的仿真結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)PMSM轉(zhuǎn)速到達(dá)穩(wěn)定后，使給定轉(zhuǎn)速由70 rad/s上升至85 rad/s，來驗(yàn)證轉(zhuǎn)速跟蹤性能。由圖3和圖4仿真結(jié)果比照可見，在轉(zhuǎn)速兩次到達(dá)穩(wěn)定之前，PID方法分別產(chǎn)生了約20 rad/s和5 rad/s的超調(diào)量，對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。而運(yùn)用本文NPC方法，PMSM實(shí)際轉(zhuǎn)速可以無超調(diào)，更快速

9、準(zhǔn)確地跟蹤給定轉(zhuǎn)速，跟蹤效果明顯優(yōu)于PID方法。 實(shí)驗(yàn)2：驗(yàn)證系統(tǒng)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)的影響下，擾動(dòng)觀測器的估計(jì)性能以及系統(tǒng)魯棒性。首先，驗(yàn)證觀測器對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的估計(jì)性能。實(shí)驗(yàn)中在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，在t=1.5 s時(shí)，施加大小為5×105N0鹠的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，負(fù)載轉(zhuǎn)矩實(shí)際值TL與運(yùn)用擾動(dòng)觀測器得到的估計(jì)值如圖5所示。可見，在產(chǎn)生了較小的超調(diào)之后，本文所設(shè)計(jì)觀測器可以較準(zhǔn)確地估計(jì)出負(fù)載轉(zhuǎn)矩的值然后來驗(yàn)證擾動(dòng)觀測器對(duì)系統(tǒng)魯棒性能的影響。在受到轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)的影響后，具有擾動(dòng)觀測器系統(tǒng)與不具有擾動(dòng)觀測器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速跟蹤誤差如圖6所示。由圖可見，不具有擾動(dòng)觀測器的系統(tǒng)在轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)的作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速實(shí)際值與給定值產(chǎn)生

10、了最大約為1.8 rad/s的偏向。而具有觀測器的系統(tǒng)受到擾動(dòng)影響較小，只產(chǎn)生了很小的轉(zhuǎn)速誤差，實(shí)際轉(zhuǎn)速仍可以較為準(zhǔn)確地跟蹤給定值，跟蹤效果明顯優(yōu)于不具有擾動(dòng)觀測器的系統(tǒng)。這是由于觀測器可以準(zhǔn)確估計(jì)出當(dāng)前的擾動(dòng)值，并補(bǔ)償?shù)娇刂破髦?，使控制器輸出更?zhǔn)確的控制量，進(jìn)而使電機(jī)轉(zhuǎn)速與給定值一致，進(jìn)步了系統(tǒng)針對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)的魯棒性。5 完畢語本文基于非線性預(yù)測控制方法，針對(duì)PMSM轉(zhuǎn)速跟蹤問題，采用id=0控制策略，設(shè)計(jì)了具有擾動(dòng)觀測器的控制系統(tǒng)。仿真實(shí)驗(yàn)說明本文方法可以快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速跟蹤，觀測器的使用進(jìn)步r系統(tǒng)對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)的魯棒性。另外，相對(duì)于其他一些非線性控制方法，本文方法構(gòu)造較為簡單，易于工

11、程實(shí)現(xiàn)。參考文獻(xiàn)：1 Accetra A， Cirrincione M， Pucci M， et al. Sensorless control of PMSM fractional horsepower drives by signal injection and neural adaptive-band filtering J. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2021，593：1355-1366.2 劉N，盧廣山，徐瑜，等.基于改進(jìn)型滑模觀測器的PMSM無位置控制J.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2021， 454： 474-478.Liu

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