自抗擾控制器adrc的改進與發展

0永磁無刷直流電機扭矩波動的自抗擾控制器隨著電子技術的發展和永磁材料的磁性能的提高，近年來永磁無刷直流電機受到了廣泛的關注和發展。永磁無刷直流電機具有調速方便、結構簡單、維護簡便、電磁污染小、功率密度大等優點，在伺服系統及小功率拖動系統中得到了廣泛的應用。然而，由于電機本身結構以及饋電系統等方面的原因，無刷直流電機具有較大的轉矩波動，這限制了其在精密傳動和大功率驅動等系統中的應用；另外，轉矩波動導致電機振動加劇，噪聲增加，也影響了電機壽命。國內外學者針對這一問題進行了大量的研究，提出了各種不同的方法以抑制轉矩波動。抑制轉矩波動的措施，總體上可分為2種：(1)基于電機結構的措施，包括定子斜槽或轉子磁極傾斜，分數槽繞組以及虛槽假齒等，這些措施針對某種特殊需要進行電機結構設計，往往能取得很好的效果；(2)基于控制系統的措施，包括對電機控制系統采用的各種轉矩波動最小化控制方法。20世紀80年代后期以來電力電子器件和微電子技術快速發展，控制器成本大大降低，這為先進控制策略在電機控制系統中的實現提供了可能。自抗擾控制器繼承了PID控制器不依賴于對象模型的優點，利用非線性結構從根本上克服了經典PID所固有的缺陷，其基本思想和方法與傳統控制器相比有很大的突破。大量仿真實驗表明，該控制器算法簡單，參數適應性廣，能自動檢測并補償控制對象的內外擾動，控制對象參數發生變化或遇到不確定性擾動時都能得到很好的控制效果，具有較強的適應性、魯棒性和可操作性，而且在一定類型對象范圍內具有通用性。目前，自抗擾控制器已被成功地應用在機器人高速高精度控制、傳動裝置的運動控制和異步電機變頻調速控制以及無刷直流電機控制系統等諸多領域。本文給出了永磁無刷直流電機轉矩波動的自抗擾控制方案。實驗結果表明，該方案不僅能夠明顯抑制永磁無刷直流電機運行過程中的轉矩波動，而且電機具有很好的動態響應性能，同時控制系統具有較強的適應性和魯棒性。1設置基于狀態的扭矩反饋抑制轉矩波動一直是永磁無刷直流電機控制的重要內容。按轉矩波動產生的原因，可分為：電磁因素引起的轉矩波動、電流換向引起的轉矩波動、齒槽引起的轉矩波動、電樞反應影響和機械工藝引起的轉矩波動等，其中前3者對轉矩波動影響較大。針對不同的原因，國內外許多學者作了大量的研究工作。對于齒槽轉矩產生和削弱方法，采用定子斜槽的方法可取得較好效果。對于換相轉矩波動，文獻從3個不同的狀態作了詳細的分析，指出換相轉矩波動與反電勢和電源電壓以及轉速之間的關系；針對換相時總電流下降的現狀，采用電流反饋、重疊換相以及人工智能算法等方法維持換相時總電流不變以抑制換相轉矩波動。文獻對電機的相電壓和相電流進行Fourier級數分解，針對轉矩諧波進行補償。文獻對電樞反應引起的轉矩波動做了分析，并在設計磁路和換相控制兩個方面提出了削弱電樞反應對轉矩波動的影響。文獻提出利用轉矩觀測器間接轉矩反饋方法，即利用反電勢、相電流、電機轉速作為輸入信號，波動轉矩作為輸出信號構成波動轉矩觀測器，實時在線估計轉矩大小的變化，針對不同的情況作相應的補償。文獻將直接轉矩控制的概念引入無刷直流電機控制系統中，其對轉矩波動的抑制取得了較好效果。總之，引起無刷直流電機轉矩波動的因素很復雜，針對不同的情況可采用相應的控制方法，各種方法都有自己的優缺點和適應的場合，在不同環境下針對不同的要求，可以采用不同的方法。2基于自抗擾的非線性不確定對象檢測自抗擾控制器是基于跟蹤微分器(TD)安排過渡過程、擴張狀態觀測器(ESO)估計系統狀態、模型和外擾由非線性反饋控制律(NLSEF)來給定控制信號的一種非線性控制器。它通過非線性變換，將非線性結構轉化為線性系統的積分串聯結構，從而實現了動態系統的反饋線性化。設有受未知外擾作用的非線性不確定對象為式中：f(x,x&,L,x(n-1),t)為未知函數；w(t)為未知外擾；x(t)為量測輸入；u為控制輸入；b為控制輸入系數。其對應的自抗擾控制器結構如圖1所示。在自抗擾控制器中，非線性跟蹤微分器安排過渡過程并提供此過渡過程各階導數，減小了系統初始誤差，解決了系統快速性和超調性之間的矛盾，并可根據實際需要安排給定輸入的過渡過程。擴張狀態觀測器把有未知外擾的非線性不確定對象用非線性狀態反饋化為積分串聯型，是一種對非線性不確定對象實現反饋線性化的結構。把系統化為積分器串聯型以后，就能對它用非線性反饋控制率來設計出理想的控制器。擴張狀態觀測器和狀態誤差反饋的非線性配置不依賴于描述對象的具體數學表達式和外擾的具體形式，只要適當選好有關的非線性函數及其參數，自抗擾控制器將對一定范圍的對象具有很好的適應性和魯棒性。一階自抗擾控制器方程為式中Rt、α0、δ、β1、α1、δ1、β2、β3、α2、δ2均為自抗擾控制器參數。跟蹤微分器、擴張狀態觀測器以及非線性反饋控制率對應的參數可分開進行整定。非線性函數取為該控制算法只需對象的輸入輸出數據u和x，簡單且易實現。3干預矩陣波動的自擾控制器方案3.1電機電磁轉速、機械運動方程圖2為三相橋式永磁無刷直流電機主回路，用集中參數表示時，并且忽略電樞反應，電機電勢平衡方程為式中：ux、ix、R、L、M、ex分別為無刷直流電機每相電壓、電流、電阻、自感、互感以及反電勢；x=a,b,c。電機電磁轉矩方程為式中ωm為電機的機械角速度。機械運動方程為式中：D為粘滯阻尼系數；T為負載轉矩；J為轉動慣量。3.2基于自抗擾的轉速跟蹤控制式中：Ex為ex的幅值；ke為反電勢系數；ω為電角速度。則Tex可近似取為式中：p為極對數；由式(4)可得令轉矩子系統擾動對a、b、c三相構造3個相同的擴張狀態觀測器觀測電機的各相電磁轉矩式中b0=pke/(L-M)。由此可得式中：a為轉矩子系統運行過程中的實時作用值；T?e為電磁轉矩跟蹤值。自抗擾控制器最大的優點就在于其不依賴于對象模型。由擴張狀態觀測器所得的轉矩跟蹤值和轉矩子系統的實時作用值，構造以逆變橋直流側電壓為控制輸入、電磁轉矩為測量輸入的一階自抗擾控制器來抑制永磁無刷直流電機運行過程中的轉矩波動，控制輸入參數b取為1/(2L-2M)。雖然轉矩子系統擴張狀態觀測器觀測的轉矩并不是嚴格的電機電磁轉矩，但誤差并不大。仿真結果表明，該轉矩觀測已經能夠滿足系統抑制轉矩波動的要求。3.3自抗擾控制器設計令轉速子系統擾動即可設計轉速子系統一階自抗擾控制器，以轉矩Te為控制輸入，電角速度ω為量測輸入。自此，本文根據永磁無刷直流電機自身特點以及自抗擾控制器的設計原則，將電機等效為由2個非線性系統構成的積分串聯型對象，設計了2個一階自抗擾控制器實現對電機的內外環控制，即外環控制轉速并給出內環轉矩參照值，內外控制轉矩以抑制轉矩波動，最終以逆變橋直流側電壓為控制輸入，電角速度ω為量測輸入，自抗擾控制方案如圖3所示。在自抗擾控制器中，系統的外擾和內擾處于同等地位，而擴張狀態觀測器能夠快速地跟蹤電磁轉矩輸出并給出轉矩子系統的實時作用值。對于給定的轉矩參考值，轉矩波動作為較大的系統內擾，可由擴張狀態觀測器實時估計并通過調整逆變器電壓輸出加以補償，因此也就能夠使轉矩保持平穩。4電機轉速響應實驗本文以TI公司的數字信號處理器(DSP)TMS320LF2407A為基礎驗證了永磁無刷直流電機轉矩波動的自抗擾控制方案，硬件框圖如圖4所示。自抗擾控制器參數在Matlab環境中初步整定，并在實驗過程中作一定調整。相應的自抗擾控制算法通過軟件實現。實驗樣機采用四對極的橋式Y接無刷直流電機，兩兩120°導通控制，具體參數為：額定直流側電壓UN=36V；額定轉矩TN=0.4N?m；額定轉速nN=2100r/min；相電阻R=0.66?；有效電感L-M=1.4mH(±1.3%)；反電勢系數Ke=0.06V/(rad/s)；轉動慣量J=1.57×10-5kg?m2。系統通過霍爾元件檢測電機轉子位置信號，DSP將位置信號轉化為速度信號，速度信號作為轉速子系統的輸出量送入ADRC1，由非線性反饋控制率計算后得到的控制量為ADRC2的給定輸入，轉矩子系統的輸出量通過三相相電流計算得到，ADRC2的控制量通過DSP的事件單元(EVA)轉化為占空比不同的方波來實現對樣機的PWM控制。轉矩數據由非接觸式動態旋轉扭矩傳感器測得，量程為1N?m，精度為0.5%。圖5為電機在電壓u=24V、開環運行時測得的轉矩，由圖可以看出，轉矩波動比較明顯，達到轉矩值的25%左右。圖6為采用本文控制方案，在額定負載條件下，且給定轉速分別為300r/min、1000r/min、1500r/min時測得的轉矩。由圖可知，轉矩波動的抑制效果在中低速時較為理想，特別是在低速時，轉矩非常平穩，波動可控制在1%左右；在高速時，轉矩波動并不能得到明顯抑制。圖7為電機在輕載(Tl=0.05N?m)條件下，且給定轉速為額定轉速時測得的轉矩波形。由圖可知，轉矩波動在電機高速運行時也得到了很好的抑制。由圖6與圖7比較可以看出，本文方案的轉矩波動抑制效果并不依賴于電機的運行速度。額定轉矩或大轉矩下，轉矩波動無法得到有效抑制的主要原因是逆變器電壓輸出水平的限制。實驗中逆變橋直流側電壓限定為40V，在大轉矩高速運行條件下，轉矩波動因為電壓的限制而不能達到完全補償。轉矩波動的觀測是準確的，也就是說，只要逆變器有足夠的電壓輸出水平，轉矩波動在高速段也能實現很好的抑制。圖8為電機在帶載(Tl=0.1N?m)、額定轉速條件下的速度響應曲線。由圖可知，電機速度響應較快且無超調。該過渡過程可由自抗擾控制器中的跟蹤微分器決定，可通過調整跟蹤微分器參數加快電機的動態響應性能。采用本文的自抗擾控制器方法抑制永磁無刷直流電機轉矩波動的實質是饋電電流控制。圖9為額定負載條件下，電機在開環運行且直流側電壓u=24V時一相電流波形。從圖中可以看出，相電流在換相時存在較大波動。圖10為采用本文方法，在額定負載下，且設定轉速為1000r/min時的一相電流波形。從圖中可以看出，自抗擾控制下饋電相電流波形接近于理想的方波電流，使得轉矩波動得到了有效的抑制。以上實驗結果可以看出，自抗擾控制不僅使電機轉速響應達到了很好的效果，而且電機的轉矩波動明顯減小，電機運行噪聲明顯降低。由于本文采用的是