自抗扰控制器adrc的改进与发展

自抗扰控制器adrc的改进与发展

0永磁无刷直流电机扭矩波动的自抗扰控制器随着电子技术的发展和永磁材料的磁性能的提高，近年来永磁无刷直流电机受到了广泛的关注和发展。永磁无刷直流电机具有调速方便、结构简单、维护简便、电磁污染小、功率密度大等优点，在伺服系统及小功率拖动系统中得到了广泛的应用。然而，由于电机本身结构以及馈电系统等方面的原因，无刷直流电机具有较大的转矩波动，这限制了其在精密传动和大功率驱动等系统中的应用；另外，转矩波动导致电机振动加剧，噪声增加，也影响了电机寿命。国内外学者针对这一问题进行了大量的研究，提出了各种不同的方法以抑制转矩波动。抑制转矩波动的措施，总体上可分为2种：(1)基于电机结构的措施，包括定子斜槽或转子磁极倾斜，分数槽绕组以及虚槽假齿等，这些措施针对某种特殊需要进行电机结构设计，往往能取得很好的效果；(2)基于控制系统的措施，包括对电机控制系统采用的各种转矩波动最小化控制方法。20世纪80年代后期以来电力电子器件和微电子技术快速发展，控制器成本大大降低，这为先进控制策略在电机控制系统中的实现提供了可能。自抗扰控制器继承了PID控制器不依赖于对象模型的优点，利用非线性结构从根本上克服了经典PID所固有的缺陷，其基本思想和方法与传统控制器相比有很大的突破。大量仿真实验表明，该控制器算法简单，参数适应性广，能自动检测并补偿控制对象的内外扰动，控制对象参数发生变化或遇到不确定性扰动时都能得到很好的控制效果，具有较强的适应性、鲁棒性和可操作性，而且在一定类型对象范围内具有通用性。目前，自抗扰控制器已被成功地应用在机器人高速高精度控制、传动装置的运动控制和异步电机变频调速控制以及无刷直流电机控制系统等诸多领域。本文给出了永磁无刷直流电机转矩波动的自抗扰控制方案。实验结果表明，该方案不仅能够明显抑制永磁无刷直流电机运行过程中的转矩波动，而且电机具有很好的动态响应性能，同时控制系统具有较强的适应性和鲁棒性。1设置基于状态的扭矩反馈抑制转矩波动一直是永磁无刷直流电机控制的重要内容。按转矩波动产生的原因，可分为：电磁因素引起的转矩波动、电流换向引起的转矩波动、齿槽引起的转矩波动、电枢反应影响和机械工艺引起的转矩波动等，其中前3者对转矩波动影响较大。针对不同的原因，国内外许多学者作了大量的研究工作。对于齿槽转矩产生和削弱方法，采用定子斜槽的方法可取得较好效果。对于换相转矩波动，文献从3个不同的状态作了详细的分析，指出换相转矩波动与反电势和电源电压以及转速之间的关系；针对换相时总电流下降的现状，采用电流反馈、重叠换相以及人工智能算法等方法维持换相时总电流不变以抑制换相转矩波动。文献对电机的相电压和相电流进行Fourier级数分解，针对转矩谐波进行补偿。文献对电枢反应引起的转矩波动做了分析，并在设计磁路和换相控制两个方面提出了削弱电枢反应对转矩波动的影响。文献提出利用转矩观测器间接转矩反馈方法，即利用反电势、相电流、电机转速作为输入信号，波动转矩作为输出信号构成波动转矩观测器，实时在线估计转矩大小的变化，针对不同的情况作相应的补偿。文献将直接转矩控制的概念引入无刷直流电机控制系统中，其对转矩波动的抑制取得了较好效果。总之，引起无刷直流电机转矩波动的因素很复杂，针对不同的情况可采用相应的控制方法，各种方法都有自己的优缺点和适应的场合，在不同环境下针对不同的要求，可以采用不同的方法。2基于自抗扰的非线性不确定对象检测自抗扰控制器是基于跟踪微分器(TD)安排过渡过程、扩张状态观测器(ESO)估计系统状态、模型和外扰由非线性反馈控制律(NLSEF)来给定控制信号的一种非线性控制器。它通过非线性变换，将非线性结构转化为线性系统的积分串联结构，从而实现了动态系统的反馈线性化。设有受未知外扰作用的非线性不确定对象为式中：f(x,x&,L,x(n-1),t)为未知函数；w(t)为未知外扰；x(t)为量测输入；u为控制输入；b为控制输入系数。其对应的自抗扰控制器结构如图1所示。在自抗扰控制器中，非线性跟踪微分器安排过渡过程并提供此过渡过程各阶导数，减小了系统初始误差，解决了系统快速性和超调性之间的矛盾，并可根据实际需要安排给定输入的过渡过程。扩张状态观测器把有未知外扰的非线性不确定对象用非线性状态反馈化为积分串联型，是一种对非线性不确定对象实现反馈线性化的结构。把系统化为积分器串联型以后，就能对它用非线性反馈控制率来设计出理想的控制器。扩张状态观测器和状态误差反馈的非线性配置不依赖于描述对象的具体数学表达式和外扰的具体形式，只要适当选好有关的非线性函数及其参数，自抗扰控制器将对一定范围的对象具有很好的适应性和鲁棒性。一阶自抗扰控制器方程为式中Rt、α0、δ、β1、α1、δ1、β2、β3、α2、δ2均为自抗扰控制器参数。跟踪微分器、扩张状态观测器以及非线性反馈控制率对应的参数可分开进行整定。非线性函数取为该控制算法只需对象的输入输出数据u和x，简单且易实现。3干预矩阵波动的自扰控制器方案3.1电机电磁转速、机械运动方程图2为三相桥式永磁无刷直流电机主回路，用集中参数表示时，并且忽略电枢反应，电机电势平衡方程为式中：ux、ix、R、L、M、ex分别为无刷直流电机每相电压、电流、电阻、自感、互感以及反电势；x=a,b,c。电机电磁转矩方程为式中ωm为电机的机械角速度。机械运动方程为式中：D为粘滞阻尼系数；T为负载转矩；J为转动惯量。3.2基于自抗扰的转速跟踪控制式中：Ex为ex的幅值；ke为反电势系数；ω为电角速度。则Tex可近似取为式中：p为极对数；由式(4)可得令转矩子系统扰动对a、b、c三相构造3个相同的扩张状态观测器观测电机的各相电磁转矩式中b0=pke/(L-M)。由此可得式中：a为转矩子系统运行过程中的实时作用值；Tˆe为电磁转矩跟踪值。自抗扰控制器最大的优点就在于其不依赖于对象模型。由扩张状态观测器所得的转矩跟踪值和转矩子系统的实时作用值，构造以逆变桥直流侧电压为控制输入、电磁转矩为测量输入的一阶自抗扰控制器来抑制永磁无刷直流电机运行过程中的转矩波动，控制输入参数b取为1/(2L-2M)。虽然转矩子系统扩张状态观测器观测的转矩并不是严格的电机电磁转矩，但误差并不大。仿真结果表明，该转矩观测已经能够满足系统抑制转矩波动的要求。3.3自抗扰控制器设计令转速子系统扰动即可设计转速子系统一阶自抗扰控制器，以转矩Te为控制输入，电角速度ω为量测输入。自此，本文根据永磁无刷直流电机自身特点以及自抗扰控制器的设计原则，将电机等效为由2个非线性系统构成的积分串联型对象，设计了2个一阶自抗扰控制器实现对电机的内外环控制，即外环控制转速并给出内环转矩参照值，内外控制转矩以抑制转矩波动，最终以逆变桥直流侧电压为控制输入，电角速度ω为量测输入，自抗扰控制方案如图3所示。在自抗扰控制器中，系统的外扰和内扰处于同等地位，而扩张状态观测器能够快速地跟踪电磁转矩输出并给出转矩子系统的实时作用值。对于给定的转矩参考值，转矩波动作为较大的系统内扰，可由扩张状态观测器实时估计并通过调整逆变器电压输出加以补偿，因此也就能够使转矩保持平稳。4电机转速响应实验本文以TI公司的数字信号处理器(DSP)TMS320LF2407A为基础验证了永磁无刷直流电机转矩波动的自抗扰控制方案，硬件框图如图4所示。自抗扰控制器参数在Matlab环境中初步整定，并在实验过程中作一定调整。相应的自抗扰控制算法通过软件实现。实验样机采用四对极的桥式Y接无刷直流电机，两两120°导通控制，具体参数为：额定直流侧电压UN=36V；额定转矩TN=0.4N⋅m；额定转速nN=2100r/min；相电阻R=0.66Ω；有效电感L-M=1.4mH(±1.3%)；反电势系数Ke=0.06V/(rad/s)；转动惯量J=1.57×10-5kg⋅m2。系统通过霍尔元件检测电机转子位置信号，DSP将位置信号转化为速度信号，速度信号作为转速子系统的输出量送入ADRC1，由非线性反馈控制率计算后得到的控制量为ADRC2的给定输入，转矩子系统的输出量通过三相相电流计算得到，ADRC2的控制量通过DSP的事件单元(EVA)转化为占空比不同的方波来实现对样机的PWM控制。转矩数据由非接触式动态旋转扭矩传感器测得，量程为1N⋅m，精度为0.5%。图5为电机在电压u=24V、开环运行时测得的转矩，由图可以看出，转矩波动比较明显，达到转矩值的25%左右。图6为采用本文控制方案，在额定负载条件下，且给定转速分别为300r/min、1000r/min、1500r/min时测得的转矩。由图可知，转矩波动的抑制效果在中低速时较为理想，特别是在低速时，转矩非常平稳，波动可控制在1%左右；在高速时，转矩波动并不能得到明显抑制。图7为电机在轻载(Tl=0.05N⋅m)条件下，且给定转速为额定转速时测得的转矩波形。由图可知，转矩波动在电机高速运行时也得到了很好的抑制。由图6与图7比较可以看出，本文方案的转矩波动抑制效果并不依赖于电机的运行速度。额定转矩或大转矩下，转矩波动无法得到有效抑制的主要原因是逆变器电压输出水平的限制。实验中逆变桥直流侧电压限定为40V，在大转矩高速运行条件下，转矩波动因为电压的限制而不能达到完全补偿。转矩波动的观测是准确的，也就是说，只要逆变器有足够的电压输出水平，转矩波动在高速段也能实现很好的抑制。图8为电机在带载(Tl=0.1N⋅m)、额定转速条件下的速度响应曲线。由图可知，电机速度响应较快且无超调。该过渡过程可由自抗扰控制器中的跟踪微分器决定，可通过调整跟踪微分器参数加快电机的动态响应性能。采用本文的自抗扰控制器方法抑制永磁无刷直流电机转矩波动的实质是馈电电流控制。图9为额定负载条件下，电机在开环运行且直流侧电压u=24V时一相电流波形。从图中可以看出，相电流在换相时存在较大波动。图10为采用本文方法，在额定负载下，且设定转速为1000r/min时的一相电流波形。从图中可以看出，自抗扰控制下馈电相电流波形接近于理想的方波电流，使得转矩波动得到了有效的抑制。以上实验结果可以看出，自抗扰控制不仅使电机转速响应达到了很好的效果，而且电机的转矩波动明显减小，电机运行噪声明显降低。由于本文采用的是