永磁同步电机的自抗扰控制调速策略

徐 伟 贾 彬

（1.唐山智鸿家电销售有限公司，河北 唐山 063000；2.唐山创元方大电气有限责任公司，河北 唐山 063000）

永磁同步电机是强祸合、非线性、参数摄动的被控对象，具有结构简单、体积小、效率高、调速性能好等优点，以永磁同步电机为驱动装置的传动系统在交流调速中占有重要的地位。采用高性能控制策略有助于提高永磁同步电机传动系统的各种动静态性能，有利于电气传动系统向高性能、轻量化、高效节能的方向发展。

1 永磁同步电机简介

电机(Motor)是一种依靠磁场为介质而进行机械能与电能之间相互转换的装置，一般情况下，主要有两种产生磁场的方式来满足电机能量的转换：一是通过电励磁的方式转换，其原理是，给电机的励磁绕组通入一定量的励磁电流，该励磁电流的作用是使电机的绕组能够维持励磁，这种方式的电机在日常生产生活中十分普遍，主要有同步、异步电机以及直流电机等；另一种是像永磁电机这类的电机，他们不需要励磁电流，而是利用自身的永磁体产生磁场。

伴随着科技的进步以及社会的发展，当前的永磁电机具有功率密度高、转动惯量大、功率因数小以及效率高等特点，其在诸如民用、军事、工业等领域得到了广泛地应用。目前普遍应用于社会生产各领域的永磁同步电机(PermanentMagnetSynch ronousMotor,PMSM)和无刷直流电机(BrushlessdoMotor,BLDG)都是属于永磁电机的范畴。对于无刷直流电机来说，它运行时由定子绕组和表面磁铁所产生的反电动势的波形是方波。利用反电动势是方形波的特点，可以很轻松的获得电机转子的位置信息，因此，无刷直流电机的控制方式也显得十分简单。但无刷直流电机运行时容易产生转矩波动，不能满足大型高性能系统的要求，因此这种电机多用于像散热器、压缩机等之类的小型系统中。永磁同步电机与无刷直流电机的不同点主要体现在激励电压的方式以及控制策略这两个方面。在永磁同步电机中，电机的反电动势总体上是正弦波形，而反电动势波形的优劣程度是由永磁材料充磁的质量所决定的。若在电机的转子中能够正确的放置永磁材料体，那么就可以得到纯正弦的气隙密度。但是由于实际情况下，定子绕组不可能精确正弦分布，所以气隙密度也只可能是不精确的正弦波形。

永磁同步电机永磁体的安装方式及其转子结构对电机的性育出了永磁同步电机三种最基本的转子安装结构，分别为面贴式，有很大影响。图1 给出了永磁同步电机三者最基本的转子安装结构。

图1

2 自抗扰控制技术

典型的自抗扰控制器是由三部分组成的，分别为跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)、非线性状态误差反馈控制率(NLSEF)。TD 首先安排过渡，实现快速无超调地跟踪系统给定的输入信号，并且按照阶数提取微分信号；其次，ESO 对系统输出状态和扰动进行观测，同时对系统扰动进行前馈补偿；最后通过NLSEF 对TD 的输入和ESO 的误差信号进行非线性组合，与ESO 检测的综合扰动一起作为被控对象的控制量。

2.1 追踪微分器(TD)

跟踪微分器是自抗扰控制器的第一部分，跟踪微分器通过合理的安排过渡过程来提高系统的响应速度，这样不仅降低了系统的超调量也使其能够快速的跟踪系统参考输入量，同时按照控制器的阶数得到近似的微分信号。设动态系统：

其中任意解均满足在原点渐近稳定，则对于任意有界可积的函数v(t)为输入的新动态系统

2.2 扩张状态观测器(ESO)

扩张状态观测器得到系统输出信号y(t)的跟踪信号z1(t)和各阶导数信号zi(t)，以及系统扰动估计信号zn+1(t)来对扰动进行估计。将外部扰动和模型误差扩充为一个新状态变量，根据经典状态观测器原理可得到如下方程：

选择合适的函数就可以将系统的各状态变量以及总扰动观测出来。

2.3 非线性状态误差反馈控制器(NLSEF)

跟踪微分器(TD)和扩张状态观测器(ESO)分别产生跟踪信号和状态变量，非线性状态误差反馈控制器是通过对以上两个参数的误差采用函数来求解控制量的结构。一般形式如下：

其中：ei(i=1，2，…，n)是个跟踪信号与状态变量估计值之差；fi(ei，t)为非线性函数；u0(t)是系统控制量；-zn+1(t)/b起补偿扰动的作用。

3 永磁同步电机自抗扰控制器的设计

设扰动：

得出

由上式可以看出永磁同步电机的运动阻尼系数、转动惯量以及外部扰动均可在a(t)中体现出来。所以要合理安排过渡来实现输入信号被实时的跟踪。同时为了提高系统的抗扰动能力要对a(t)进行观测和补偿。因此，根据自抗扰控制原理设计的一阶自抗扰控制器具体结构如图2 所示。其中：ω*为给定速度变量；v1 为跟踪信号；ω 为电机实际转速；z1 为观测信号；z2为扰动反馈。

图2 一阶自抗扰控制器结构图

二阶扩张状态观测器：

一阶非线性状态误差反馈控制器：

4 结语

本文探讨和研究了基于自抗扰控制策略的永磁同步电机传动系统，随着控制理论和电气技术的不断发展，将会有更多先进的现代控制理论被应用于永磁同步电机无速度传感器的研究工作中，以期使系统的动静态性能进一步完善。