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永磁同步电机调速系统的一种新型二自由度控制器

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资料介绍

在永磁同步电机调速系统中,基于扰动观测器的传统二自由度控制系统对阶跃输入的跟踪性能与其抗扰性能之间存在耦合,因此控制器的参数整定过程比较复杂.提出了一种新型二自由度控制器.这种新型控制器利用更高一阶的扩张状态观测器取代传统控制器中的扰动观测器,同时对转速和扰动转矩进行观测.利用观测的转速和扰动转矩分别作为反馈量和前馈补偿量,从而实现系统跟踪性能与抗扰性能的完全解耦,进而简化控制器的参数整定过程.最后通过实验验证了所提方法的有效性和实用性.

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V01．31

Sep．

No．17

2016年9月

电工技术学报

TRANSACTIONS 0F CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY

2016

第3l卷第17期

永磁同步电机调速系统的一种新型

二自由度控制器

左月飞

符

慧

刘

闯

胡

烨张

涛

(南京航空航天大学自动化学院南京210016)

摘要在永磁同步电机调速系统中，基于扰动观测器的传统二自由度控制系统对阶跃输入的跟踪

性能与其抗扰性能之间存在耦合，因此控制器的参数整定过程比较复杂。提出了一种新型二自由度控

制器。这种新型控制器利用更高一阶的扩张状态观测器取代传统控制器中的扰动观测器，同时对转速

和扰动转矩进行观测。利用观测的转速和扰动转矩分别作为反馈量和前馈补偿量，从而实现系统跟踪

性能与抗扰性能的完全解耦，进而简化控制器的参数整定过程。最后通过实验验证了所提方法的有效

性和实用性。

解耦二自由度控制器

关键词：永磁同步电机扰动观测器扩张状态观测器参数整定

中图分类号：TM351

for

Novel

Controller

Permanent

Two--Degree· -of-Freedom

Magnetic

Motor

Speed-Regulation System

Synchronous

Liu

Hu Ye

Tao

Zhang

Fu Hui

z∞Yuefei

Chuang

of Aeronautics and Astronautics

210016

Automation

Nanjing

China)

(College

Nanjing University

Abstract

the

magnetic synchronous motor(PMSM)speed-regulation system，the

permanent

based on disturbance

the

conventional

system

observer(DOB)has

two—degree．of-freedom(2DOF)control

the

and disturbance

of the

are

that

reference

tracking performance

rejection property

system

coupled，

in this

problem

which

step

of the controller．A novel 2DOF controller is

proposed

used in conventional controller with the extended state

the

setting process

complicates

parameter

the

novel controller substitutes

DOB

observer，

the estimated as the

velocity

paper．This

_velocityand the disturbance

at the same

which can estimate the

torque

time．By using

disturbance

and the estimated

as the feed forward

and the

of the

feedback

torque

signal，the tracking performance

simple parameter setting process

signal

are

disturbance

rejection

fully decoupled，thus leading

property

the

proposed algorithm．

are

the

and

controller．Extensive

experiments

performed

verify

validity

practicality

motor(PMSM)，disturbance observer(DOB)，extended

Keywords：Permanent magnetic synchronous

controller

state

setting，decouple，two-degree-of-freedom

observer(ESO)，parameter

PI控制器。常规的PI控制器只有一个可调参数，是

一种一自由度控制器，不具备使系统同时获得良好的

跟踪性能和抗扰性能的能力，参数整定时一般要在系

统的跟踪性能和抗扰性能之间进行折中选择¨ 。。。这

样的做法一般能满足大多数控制系统的要求，但对于

高性能的控制系统，常难以兼顾各方面的性能要求而

获得满意的控制效果H一。

0引言

传统的永磁同步电机(Permanent Magnetic

Motor，PMSM)调速系统大多采用双环线

Synchronous

性控制结构，内环为电流环，外环为速度环，多采用

国家自然科学基金项目(51377076)、江苏省“六大人才高峰”项目

(YPCI3013)和江苏省产学研资金项目(BY2014003-09)资助。

收稿日期2015-05-05改稿日期2015-07-27

为解决以上问题，出现了两种解决思路：一种是

万方数据

第31卷第17期

141

左月飞等永磁同步电机调速系统的一种新型二自由度控制器

基于内模控制的二自由度(Two．degree．of-freedom，

2DOF)PI控制器‘4 ，这种控制器有很多结构形式，

其中比较典型的是文献[4]中的结构，将传统内模控

制器中前向通道上的一个环节移动至给定通道和反馈

通道上，利用给定通道上的传递函数调节跟踪性能，

利用反馈通道上的传递函数调节抗扰性能；另一种是

基于扰动观测器(Disturbance Observer，DOB)的2DOF

鲁棒控制器。9。“，它包含反馈控制器与DOB两部分，

通过DOB对扰动进行观测并前馈补偿，从而调节系统

的抗扰性能，而跟踪性能则由反馈控制器进行调节。

但经过仔细分析后可以发现，前者典型结构中的滤波

器部分实质上就是后者当中的DOB，只是两种控制器

的思路不同导致了表述不同，它们在本质上是相

同的。

1基于DOB的传统2DOF控制系统设计

1．1永磁同步电机转速控制器设计

本文研究的是表贴式永磁同步电机，其在转子磁

场定向的同步旋转坐标系(d-q坐标系)下的机械运动

方程为

(1)

．，警瑙i。一T。一加

式中，．，为系统的转动惯量，kg· m2；B为系统的黏滞

摩擦系数，N· m／rad／s；TL为负载转矩，N· m；力为机

械角速度，rad／s；K。为转矩常数，N· m／A；i。为交轴

电流，A。

由式(1)可得机械角速度状态方程为

(2)

而：氧一号：bi。*州￡)

式中，i：为交轴电流给定值；b为控制增益，b=K。／J；

近年来，随着处理器和现代控制理论的发展，大

多数文献重点研究基于扰动观测与补偿的方法H”3I。

扰动观测可通过全阶状态观测器或降阶状态观测器来

实现，DOB在本质上是降阶状态观测器¨ 5。2 ，而ESO

在本质上是全阶状态观测器‘2”“。尽管这些线性观测

器能够很好地补偿扰动，但并不能完全补偿‘1“。文

献[12，20，21]提出采用非线性的反馈控制与DOB相

结合的复合控制器。文献[23]则提出采用非线性的

反馈控制与非线性ESO相结合的复合控制器，也称

作非线性自抗扰控制器。然而，非线性控制器存在

抖振、参数整定困难等问题，在实际应用中还有待

研究。

兀为总扰动转矩，Td=K(i：一i。)+n+BO；o(t)为

扰动项，o(t)=一T。／J。

选取机械角速度n为状态变量z．，将扰动o(t)扩

张为状态变量工：，交轴电流给定值i：为控制量u，则

状态方程变为

立1=bu+戈2

(3)

定义机械角速度给定值”与反馈值x．之差为角速

度跟踪误差e。，即e。=秽一戈。，则由式(3)可得角速度

跟踪误差的状态方程为

(4)

÷ 。=i—x1=v一6“一石2

采用线性比例反馈控制律，即

吾。=一七。。e。

(5)

传统的线性2DOF控制器是为了实现独立调节跟

踪性能与抗扰性能而被提出的，但这并不意味着跟踪

性能与抗扰性能是完全解耦的。文献[15．22]中提出

的2DOF控制器，将其用于调节系统抗扰性能的参数

不会影响系统的跟踪性能，但用于调节系统跟踪性能

的参数则会影响系统的抗扰性能。而文献[7，8]提出

的控制器特性刚好相反。因此，这类控制器需要先调

节会影响两个性能的参数，而后再调节另一个参数，

一定程度上加大了参数整定的难度。

式中，后。为控制器的比例系数。

结合式(4)和式(5)可得控制量为

L0，

／Zz。

：

2——

—

：

—1—

丛

——

—

掣

一

塑(6)

式(6)中的实际扰动％未知，需采用观测器对其

进行观测。基于DOB的传统2DOF控制系统结构框图

如图1所示。图1中，C(s)为反馈控制器的传递函

数，P(s)为被控对象模型，P_1(s)为忽略被控对象高

频部分的降阶模型的逆，Q(s)为低通滤波器。

本文提出了一种跟踪性能与抗扰性能完全解耦的

2DOF控制器，即控制器的一个参数只影响系统的抗

扰性能，而另一个参数只影响系统的跟踪性能，从而

简化控制器的参数整定过程。首先给出了传统的

2DOF控制器设计过程，而后基于状态方程设计了跟

踪性能与抗扰性能完全解耦的新型2DOF控制器，并

对比了二者的性能，最后通过实验验证了所提方法的

实用性。

图l 基于DOB的传统2DOF控制系统结构框图

Block

of conventional 2DOFcontrol

based on DOB

diagram

system

Fig．1

万方数据

142

电工技术学报

2016年9月

对于PMSM调速系统，常采用比例控制器，即取

ESO，对扰动转矩进行观测。

C(s)=后。其中七。。为转速环的比例系数。用y代替

z，，则角速度跟踪误差变为e；=”一Y。忽略黏滞摩擦

系数B的影响，假设选取截止频率为P。的一阶低通滤

波器对计算的扰动进行滤波，则由图1可得基于DOB

的PMSM调速系统2DOF控制框图如图2所示。图2

feI

Y—01

(9)

2j1=bu+z2

【j：=一卢，÷ ．一届：e，

式中，z。、z：分别为Y(角速度测量值)、戈：(扰动项)的

观测值；e。为ESO对Y的观测误差；卢。、卢：为ESO的

增益。

中，w为机械角速度的给定值，e。为角速度跟踪误差，

6。。为角速度力的测量噪声，Y为角速度的测量值，且

有Y=n+6nso

由式(9)可得状态Y、戈：的估计量分别为

小

一

(

，

i一

●一^

南M

+一0 卢一，

坠也

式中，A：(s)为ESO的特征多项式，A：s)=s2+／3。s+皮。

传统的抗扰系统实质上是将式(6)中的z．、z，分

图2基于DOB的PMSM调速系统2DOF控制框图

别用Y和z：代替得到的。本文提出将式(6)中的z。、戈：

分别用z．和乃代替，于是可得控制量为

Block

of 2DOF

for

controller PMSM

Fig．2

diagram

based on DOB

speed regulation system

Ⅱ：+?：尘丘墨l上兰

( ) 1

Ⅱ=。=————。——了—————一

1．2传统2DOF控制系统的响应

由图2可得闭环系统的输出为

戈。(S)=口(s)一6。。(s)+

考虑限幅后的实际控制量为

(7)

．+

『iq'maxSgn(ii)

i：l l—qm。

(12)

tqsat

2{．+

两

(s+。

百

。)

而

+。)

。

[

。

2、

(

。

)埘。5、

川

。7

]

。

【。a

当无微分前馈或输入微分前馈不起作用时，系统

综上可得转速环完全解耦的2DOF控制器结构框

图如图3所示。

在给定作用下的传递函数将变为

(8)

州s)=岩=丧

对于连续变化输入，输入微分前馈可以起作用，

但对于阶跃输入，输入微分前馈一般可看作不起作

用。由式(8)可看出，传统2DOF控制系统对阶跃输

入表现为一阶惯性系统。南。。越大，则系统阶跃响应越

快。由式(7)可看出，传统2DOF控制系统可以在无

扰动的情况下无误差地跟踪连续变化输入。系统在扰

动作用下的稳态误差与扰动变化率呈正比，与比例系

图3完全解耦的2DOF控制器

2DOF

数k。。以及DOB的带宽p。呈反比。

controller

Fig．3

Fully decoupled

综上可知，尽管p。只影响系统的抗扰性能，但k。。

会同时影响系统对阶跃输入的跟踪性能和抗扰性能，

为便于表述，以下将完全解耦的2DOF控制系统

因此调节参数时需先调节矗。。后调节P。。如果此后要调

和传统的2DOF控制系统分别简称为解耦系统和传统

系统。

节k

m，则可能需要同时调节P。，这使得控制器的参数

整定过程变得复杂。

2．2解耦系统的响应

为分析方便，以下分析过程中忽略电流跟踪误差

和电流限幅的影响。由式(10)、式(11)可得

2完全解耦的2DOF控制系统

2．1完全解耦的实现

对式(3)表示的系统构建如式(9)所示的改进型

s)=鬻一赫 (13)

万方数据

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