永磁同步电机高性能控制算法：自抗扰控制电流环的改进方案
永磁同步电机高性能控制算法：自抗扰控制电流环的改进方案
永磁同步电机（PMSM）在工业自动化、电动汽车等领域有着广泛的应用。为了提高电机控制的性能和鲁棒性，研究人员不断探索新的控制算法。本文详细介绍了基于自抗扰控制（ADRC）的电流环改进方法，通过结合高阶线性扩张状态观测器（LESO）和谐振调节器，实现了对直流和交流扰动的有效抑制。
1. 前言
在永磁同步电机的控制中，传统的线性扩张状态观测器（LESO）虽然在直流扰动抑制方面表现出色，但无法有效跟踪交流量，因此难以抑制交流谐波。为了解决这一问题，本文介绍了一种将高阶LESO与谐振控制相结合的新型控制策略。
2. 论文综述部分
永磁同步电机驱动系统中的干扰主要分为直流干扰和交流干扰两大类。直流干扰主要包括d轴和q轴之间的交叉耦合和阶跃负载干扰，而交流干扰则包括摩擦转矩、谐波转矩、电机内部结构不对称性、逆变器非线性等因素。
传统的PI控制器在面对复杂扰动时表现不佳，因此韩景庆研究员提出了非线性自抗扰控制器（NLADRC）。然而，NLADRC结构复杂，参数众多，不利于工程应用。随后，高志强教授提出了线性自抗扰控制器（LADRC），解决了参数整定困难的问题。但当系统同时受到直流和交流扰动时，传统LADRC仍然无法有效估计和补偿高频交流扰动。
3. 传统的LADRC
3.1 传统的LADRC的介绍
传统LADRC通过线性状态误差反馈（LSEF）来实现扰动抑制。然而，这种控制策略存在一些局限性。
3.2 传统LADRC的局限性
从频域分析可以看出，传统LESO等效于二阶低通滤波器，能够有效估计直流扰动或缓变扰动，但对快速变化或周期性波动的干扰估计效果较差。此外，LESO的带宽选择也存在矛盾：带宽越大，动态性能越好，但可能会导致系统振荡。
3.3 传统LADRC与PI调节器的对比
与PI控制器相比，传统LADRC在低频和中频阶段具有更好的扰动抑制能力。但随着频率增加，其抗干扰能力不再增强，且带宽过大时会引起系统振荡。因此，PI和传统LADRC都无法有效抑制宽频范围的交流干扰。
4. 基于高阶ESO和谐振调节器的增强型ADRC
4.1 谐振调节器
谐振调节器（PR调节器）能够有效抑制特定频率的交流扰动。通过调整参数，可以实现对不同频率扰动的有效抑制。
4.2 高阶ESO
将传统的二阶ESO升级为三阶ESO，可以显著提高对直流扰动的估计范围和精度。同时，高阶ESO在低频范围内的观测误差幅度增益更小，进一步增强了系统的抗干扰能力。
4.3 高阶ESO和谐振控制的组合
通过将高阶ESO与谐振控制相结合，可以实现对直流和交流扰动的同时抑制，从而提高系统的整体控制性能。
5. 仿真对比分析
5.1 仿真参数
- 仿真步长：5e-7
- 开关周期：1e-4
- 采样周期：1e-4
- 转速采样周期：1e-4
- 电机极对数：4
- 定子电感：8.5e-3 H
- 定子电阻：1 Ω
- 永磁体磁链：0.1688 Wb
- 直流母线电压：380 V
- 额定电流：20 A
- 死区时间：2e-6 s
- 转动惯量：4e-3 kg·m²
- 阻尼系数：2e-3 N·m·s
- 初始转速：1000 RPM
5.2 仿真工况
电机在0.1s前输入斜坡速度指令，0.2s突加15Nm负载，0.3s突减5Nm负载，0.4s输入阶跃速度指令减速至1000RPM。
5.3 基于高阶ESO的电流环自抗扰控制
通过对比传统二阶ESO和高阶ESO的仿真结果，可以看出高阶ESO能够显著提高dq电流环的响应速度。
5.4 关于论文中内容的思考1
论文中提到的转速性能提升可能与ESO带宽设置过低有关。合理的带宽设置应该能够平衡动态性能和系统稳定性。
5.5 关于论文中内容的思考2
通过仿真发现，谐振控制器的输入应该采用实际电流而非估计电流，才能有效抑制谐波电流。
5.6 最终性能对比
通过对比传统二阶ESO、高阶ESO和高阶ESO和谐振控制的仿真结果，可以看出：
- 相对于传统二阶ESO，采用更高阶的ESO使系统具有更快的动态性能，q轴电流在动态过程中能够更快地达到参考值。
- 相对于无谐振控制的系统，加入谐振控制后，稳态的谐波电流得到有效抑制，且对系统动态性能无明显影响。
6. 总结
本文介绍的基于高阶ESO和谐振控制的增强型ADRC，能够有效解决传统LADRC在面对直流和交流扰动时的局限性。通过合理的参数设置和控制策略，可以显著提高永磁同步电机的控制性能和鲁棒性。