線性自抗擾控制在電動汽車異步電機驅(qū)動系統(tǒng)中的應用

崔傳真，何　維，黃紅生，謝積錦，張圓圓

（欽州學院廣西高校臨海機械裝備設(shè)計制造及控制重點實驗室培育基地，廣西欽州535000）

線性自抗擾控制在電動汽車異步電機驅(qū)動系統(tǒng)中的應用

崔傳真，何維，黃紅生，謝積錦，張圓圓

（欽州學院廣西高校臨海機械裝備設(shè)計制造及控制重點實驗室培育基地，廣西欽州535000）

通常采用矢量控制結(jié)合效率最優(yōu)原則來提高電動汽車異步電機驅(qū)動系統(tǒng)的效率，延長電動汽車的續(xù)駛里程，達到節(jié)能環(huán)保的目的。但效率優(yōu)化系統(tǒng)由于各種干擾等不確定因素的存在，很難實現(xiàn)基于電機模型的準確解耦，嚴重影響磁通和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)性能。為此，設(shè)計了異步電機調(diào)速系統(tǒng)的二階線性自抗擾控制器。線性自抗擾控制器不依賴系統(tǒng)的精確模型，利用擴張狀態(tài)觀測器估計出電機模型中的內(nèi)擾和外擾并加以補償。仿真和實驗結(jié)果表明，與經(jīng)典的PI控制器相比線性自抗擾控制器在效率優(yōu)化的異步電機驅(qū)動系統(tǒng)中，具有更好的動態(tài)性能和抗干擾性能。

電動汽車；異步電機；效率優(yōu)化；線性自抗擾控制器

續(xù)駛里程不足是電動汽車發(fā)展的瓶頸，為解決這個問題必須最大限度地提高其驅(qū)動系統(tǒng)的效率。目前，異步電機被廣泛的應用在電動汽車中，通常采用矢量控制結(jié)合效率最優(yōu)原則來達到節(jié)能環(huán)保的目的，其本質(zhì)都是在輕載時降低電機磁通水平以減小鐵心損耗的方法來實現(xiàn)效率的提升［1］。但在效率優(yōu)化時存在電機磁鏈的變化以及電機參數(shù)時變等多種不確定因素的影響，使得系統(tǒng)的抗干擾能力減弱、魯棒性降低，另外系統(tǒng)的動態(tài)響應速度也會明顯降低。因此，對系統(tǒng)的控制器設(shè)計提出了較高要求。

自抗擾控制（ADRC）不依賴系統(tǒng)模型，能實時估計并補償各種外擾和內(nèi)擾，使系統(tǒng)線性化為積分串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，獲得良好的控制品質(zhì)［2-3］。線性自抗擾控制器是對自抗擾控制器進行線性化處理，同樣可以得到優(yōu)良的控制性能，并且參數(shù)較少，計算簡單［4］。本文分析了異步電機驅(qū)動系統(tǒng)的功率損耗，建立了考慮鐵損的模型，設(shè)計了效率優(yōu)化異步電機驅(qū)動系統(tǒng)的線性自抗擾控制器，并與PID控制器進行仿真和實驗對比，驗證所設(shè)計的控制器的有效性。

1　自抗擾控制器和線性自抗擾控制器概述

1.1自抗擾控制器

自抗擾控制器（Active disturbance rejection control，ADRC）由擴張狀態(tài)觀測器（Extended state observer，ESO）、跟蹤微分器（Tracking differentiator，TD）和非線性狀態(tài)誤差反饋控效率（Non linearextended state observer，NLSO）三部分組成，它是一種基于TD處理參考輸入，ESO估計系統(tǒng)狀態(tài)、模型和外擾，實施NSEF控制的非線性控制器。對于二階控制系統(tǒng)：

其中，

ω（t）是外部擾動；

f（t，x，x˙，w（t））是內(nèi)部與外部擾動之和；

u為控制量；

b為控制量增益；

y為對象輸出；

v0為對象輸入。

(3)表述不同,即存在指代的兩個要素在文字表達上不同,兩個要素間可能一個是另一個的別名,或者根據(jù)上下文,兩個要素都指向同一個實體,例如“中華人民共和國”←“中國”,“修理巷道的20名礦工”←“被困人員”;

二階系統(tǒng)的ADRC控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　自抗擾控制器結(jié)構(gòu)圖

自抗擾控制算法中需要整定的參數(shù)有很多，這些參數(shù)的確定是一個繁雜的過程，目前還沒有形成系統(tǒng)的整定方法，不利于工程實際應用［5］。

1.2線性自抗擾控制器

自抗擾控制器三個組成部分均采用非線性函數(shù)，可對其進行線性簡化，得到同樣性能優(yōu)良的控制器［6］。并且參數(shù)較少，計算簡單。簡化的線性自抗擾控制器形式如下：

對于像（1）式的二階不確定靜止對象的狀態(tài)方程為：

其中：x3=f是未知的被擴張的狀態(tài)變量，h=f˙，b0≈b，不確定項f可由擴張狀態(tài)觀測器估計出來。

狀態(tài)觀測器的各狀態(tài)變量zi（t）（i=1，2，3）是對xi（t）的跟蹤，即

取u=（-z3+u0）/b0，忽略z3（t）對f（t，y，y˙，ω（t））的估計誤差，則可簡化為一個雙積分串聯(lián)模型：y¨＝（f-z3）+u0≈u0

PD控制器：

簡化的LADRC的優(yōu)點:不需要具體的數(shù)學模型、積分環(huán)節(jié)就能實現(xiàn)無靜差，避免了積分反饋的負作用。除此之外，LADRC的參數(shù)大大減少，只需調(diào)節(jié)L1，L2，L3，kP，kD，b0即可。

2　基于線性自抗擾控制器的效率優(yōu)化異步電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

2.1考慮鐵損的異步電機動態(tài)數(shù)學模型[8]

感應電動機的效率優(yōu)化是尋求電動機運行時本身銅損和鐵損的某種平衡，使電機的總損耗最小化。但通用的數(shù)學模型是忽略鐵損的，這樣會阻礙控制精度的提升。基于轉(zhuǎn)子磁場定向理論，考慮鐵心損耗的感應電動機在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的動態(tài)數(shù)學模型可表示為

其中：Tr=Lr/Rr，Ts=Ls/Rs

式中：Lm為定轉(zhuǎn)子之間的互感；Ls，Lr為定轉(zhuǎn)子之間的漏感；Rs，Rr為定轉(zhuǎn)子電阻；ω1，ωr為同步轉(zhuǎn)速和異步電機轉(zhuǎn)速；imd，imq，ifed，ifeq為d、q軸勵磁電流和鐵損等效繞組電流；ψr，ψsd，ψsq為轉(zhuǎn)子總磁鏈和d、q軸定子磁鏈；TL為負載轉(zhuǎn)矩；usd，usq為定子側(cè)d、q軸電壓。

異步電機損耗功率：

在一定的轉(zhuǎn)子角頻率ωr和一定的負載轉(zhuǎn)矩條件下，電動機的可控損耗與轉(zhuǎn)子磁鏈ψr的大小有關(guān)。對ψr求偏導

令式（8）等于零，可得到不同轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速情況下的最優(yōu)磁鏈

由式（9）可以看出，在電機在輕載效率優(yōu)化控制時，其轉(zhuǎn)子磁鏈明顯下降，轉(zhuǎn)速響應速度也會變慢，影響電動汽車異步電機驅(qū)動系統(tǒng)的運行性能。必須使用抗干擾能力強的控制器，本文使用線性自抗擾控制器，可以實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦。

2.2異步電機的線性自抗擾控制

由式（8）可以看出，考慮鐵損的異步電機動態(tài)方程中含有交叉耦合項，使得異步電動機的轉(zhuǎn)速和磁鏈互相影響，使系統(tǒng)的控制品質(zhì)下降。根據(jù)異步電機各勵磁電流之間的關(guān)系：

可將異步電機的數(shù)學模型轉(zhuǎn)換為線性自抗擾控制器的標準模型。

（1）磁鏈子系統(tǒng)

（2）轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)

2.3電動汽車異步電機效率優(yōu)化線性自抗擾控制系統(tǒng)

本文采用兩個二階自抗擾控制器分別控制磁鏈和轉(zhuǎn)速。采用自抗擾控制器的異步電機效率優(yōu)化運行系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　基于線性自抗擾控制器的效率優(yōu)化異步電機調(diào)速系統(tǒng)

3　實驗對比研究

線性自抗擾控制器的參數(shù)采用免疫遺傳算法，選擇種群大小為100，交叉概率為Pc＝［0.5，0.7］，變異概率Pm＝［0.1，0.2］，群體更新代數(shù)為50.

實驗1：仿真開始時，n=960 r/min，ψr=0.8Wb.輕載啟動，在t=1.2 s時啟動效率優(yōu)化控制算法，仿真時間為5 s.電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈如圖3和4所示。由圖3可見，轉(zhuǎn)速響應迅速，很快達到穩(wěn)態(tài)值，穩(wěn)態(tài)誤差較小。由圖4可見，在采用效率優(yōu)化控制算法后，轉(zhuǎn)子磁鏈明顯降低，但狀態(tài)擴張觀測器可以使轉(zhuǎn)子磁鏈快速跟蹤優(yōu)化的轉(zhuǎn)子磁鏈，誤差很小。

圖3　電機轉(zhuǎn)速跟蹤波形

圖4　電機轉(zhuǎn)子磁鏈跟蹤波形

實驗2：線性自抗擾控制器和傳統(tǒng)PI控制器在異步電機效率優(yōu)化運行控制系統(tǒng)中的對比研究。轉(zhuǎn)速為n=960 r/min，空載啟動，在t=2 s時突加負載額定負載。轉(zhuǎn)速響應如圖5所示，由圖可見，在負載擾動下，線性自抗擾控制器比PI控制器對電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)時間短，穩(wěn)態(tài)誤差小，電機的響應較快。

圖5　轉(zhuǎn)速響應曲線對比

4　結(jié)束語

電動汽車異步電機是一個多變量、強耦合的非線性系統(tǒng)，很難達到理想的控制效果。特別是在輕載時，電機的效率較低，采用效率優(yōu)化控制策略可以有效地提高系統(tǒng)的效率，達到節(jié)能的目的。但效率優(yōu)化的本質(zhì)是降低轉(zhuǎn)子磁鏈，引起電機響應降低。本文使用線性自抗擾控制器，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速的動態(tài)解耦，在效率優(yōu)化的同時提高電機的響應速度。實驗結(jié)果表明，本文提出的控制策略能兼顧電機的效率優(yōu)化和動態(tài)響應，所設(shè)計的控制器的抗干擾能力優(yōu)于傳統(tǒng)的PI控制器，在電動汽車異步電機驅(qū)動系統(tǒng)中具有較好的應用前景。

［1］楊耕，耿華，王煥鋼.一種考慮感應電機動態(tài)效率的轉(zhuǎn)矩控制策略［J］.電工技術(shù)學報，2005，20（7）：93-98.

［2］韓京清．從PID技術(shù)到“自抗擾控制”技術(shù)［J］．控制工程，2002，3（4）：13-18．

［3］TanYaolong，ChangJie，TanHualin.AdaptiveBackstep pingcontrolandfrictioncompensationforACservowithiner tiaandloaduncertainties［J］.IEEETransactionsonIE，2003， 50（5）：944-952.

［4］劉麗英.線性自抗擾控制策略在異步電機調(diào)速系統(tǒng)中的應用研究［D］.天津：天津大學，2010.

［5］SISakai，HYoichi．AdvantageofElectricMotorforAntiSkid ControlofElectricVehicle［J］.EPEJournal，2001，11（4）：26-32.

［6］李珂.電動汽車高效快響應電驅(qū)動系統(tǒng)控制策略研究［D］.濟南：山東大學，2007.

［7］朱麗玲，于希寧，劉磊，等.基于遺傳算法的ADRC參數(shù)整定及其應用［J］.儀器儀表用戶，2005，12（4）：64-66.

［8］基于自抗擾控制器的異步電機矢量控制系統(tǒng)研究［D］.湘潭：湖南科技大學，2007.

The application of Ladrc on Asynchronous Motor Drive System in Electric Vehicles

A bstracts: In order to extend the trip range of electric cars，achieve the goal of energy conservation and environmental protection，SPWM combined with the optimal efficiency is the usual method. But efficiency optimization system exists serious external disturbance and various nonlinear uncertainties，so the motor model decoupling can be difficult to achieve accurately. And the magnetic flux and torque dynamic performance is affected by seriously. In order to improve dynamic performance of induction motor speed control system，designed linear ADRC to replace PI controller in efficiency optimization of asynchronous motor. LADRC don't depend on the precise model of system，using ESO to estimates inner and outside disturb，at the same time to compensate. Simulation and experimental results show that，the LADRC has better dynamic performance and anti-interference performance than PI controller in efficiency optimization of asynchronous motor drive system. K ey w ords:electric cars；asynchronous motor；efficiency optimization；LADRC

CUI Chuan-zhen，HE Wei，HUANG Hong-sheng，XIE Ji-jin，ZHANG Yuan-yuan
（Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory Breeding Base of Coastal Mechanical Equipment Design，Manufacturing and Control，College of Physics and Electronic，Qinzhou University，Qinzhou Guangxi 535000，China ）

TP273

A

1672-545X（2016）06-0011-03

2016-03-10

廣西高校臨海機械裝備設(shè)計制造及控制重點實驗室培育基地主任課題基金資助項目（編號：GXLH 2014YB-03）；港口橋式起重機驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究（編號：GXLH 2014ZD-02）。

崔傳真（1987-），女，山東棗莊人，碩士，助教，主要從事汽車控制系統(tǒng)研究。