永磁同步電機(jī)反步法與最大輸出功率協(xié)調(diào)控制

王艷，于海生

（青島大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266071）

永磁同步電機(jī)反步法與最大輸出功率協(xié)調(diào)控制

王艷，于海生

（青島大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266071）

針對(duì)單獨(dú)使用一種方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)速度伺服系統(tǒng)快速、高效的控制問題，設(shè)計(jì)了基于反步法和最大輸出功率原理的端口受控哈密頓協(xié)調(diào)控制方案。利用反步法解決系統(tǒng)的快速響應(yīng)問題，應(yīng)用最大輸出功率原理使電機(jī)輸出最大功率，采用指數(shù)函數(shù)作為協(xié)調(diào)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制策略，從而適應(yīng)永磁同步電機(jī)的負(fù)載擾動(dòng)。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該永磁同步電機(jī)速度控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方案有效地結(jié)合了反步法和最大輸出功率原理的端口受控哈密頓協(xié)調(diào)控制的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)良，且能夠在負(fù)載擾動(dòng)時(shí)快速消除誤差。

永磁同步電機(jī)；反步法；最大輸出功率；端口受控哈密頓；協(xié)調(diào)控制

由于永磁同步電機(jī)（PMSM）具有能耗低、效率高和運(yùn)行可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使其在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事等自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用［1］。在對(duì)具有非線性的PMSM速度系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，傳統(tǒng)的矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制等對(duì)電機(jī)速度信號(hào)的處理過于簡單，不能及時(shí)檢測PMSM速度控制系統(tǒng)的瞬態(tài)變化并做出及時(shí)的響應(yīng)［2］。模糊控制雖不需建立系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，但因其控制精度不高，系統(tǒng)仍會(huì)存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差，其穩(wěn)定性問題還有待解決［3］。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法較復(fù)雜，給控制器的求取和實(shí)現(xiàn)增加了難度［4］?；？刂茖?shí)時(shí)性好，但卻使系統(tǒng)存在抖振現(xiàn)象［5］。自適應(yīng)控制響應(yīng)迅速，但參數(shù)設(shè)置難度較大［6］。反饋線性化控制能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)的解耦控制，但在電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生跳變時(shí)響應(yīng)超調(diào)較大［7］。反步法控制是通過設(shè)計(jì)子系統(tǒng)的虛擬控制律來一步步反向推導(dǎo)到整個(gè)系統(tǒng)的控制，能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性［8-9］。端口受控哈密頓（port-controlled Hamiltonian，PCH）控制設(shè)計(jì)較為簡單，該方法也簡化了系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析過程［10］?，F(xiàn)有的永磁同步電機(jī)控制方法繁多，但可根據(jù)其控制目標(biāo)分為2類：一類是將電機(jī)看作把輸入信號(hào)變成輸出信號(hào)的信號(hào)變換裝置，控制目標(biāo)是使系統(tǒng)能夠快速跟蹤給定信號(hào)；另一類是將電機(jī)看作把輸入能量變成輸出能量的能量變換裝置，控制目標(biāo)是優(yōu)化控制整個(gè)系統(tǒng)的輸入能量、輸出能量和損耗能量，使系統(tǒng)的總損耗能量最?。?1］。

本文選取隱極式永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了反步法與最大輸出功率協(xié)調(diào)控制的PMSM速度控制方案。反步法作為信號(hào)控制方法，提高系統(tǒng)的跟蹤性能，使系統(tǒng)快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)；最大輸出功率原理的PCH控制作為能量控制方法，保證系統(tǒng)輸出最大功率，并優(yōu)化系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能。為了減少復(fù)雜的自適應(yīng)反推，設(shè)計(jì)負(fù)載觀測器估計(jì)未知的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)能夠快速跟蹤速度信號(hào)。針對(duì)電機(jī)的瞬態(tài)變化，設(shè)計(jì)了協(xié)調(diào)控制策略。協(xié)調(diào)控制策略調(diào)節(jié)兩種方法的控制力度，使系統(tǒng)的瞬態(tài)變化得到快速的檢測和響應(yīng)。在系統(tǒng)的速度誤差超過協(xié)調(diào)控制策略判斷條件中的速度誤差設(shè)定值時(shí)，重新投入動(dòng)態(tài)性能良好的反步法控制，使系統(tǒng)盡快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，最大輸出功率原理的PCH控制起主要控制作用，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性在良好保持的同時(shí)能夠輸出最大功率。根據(jù)本文的設(shè)計(jì)思路，文獻(xiàn)［5，8］等提出的兩種方法共同控制的方案屬于典型的信號(hào)控制，每種控制方法在各個(gè)時(shí)間段的作用力度是相同的，不能高效地利用每種控制方法的優(yōu)點(diǎn)，而本文加入了能量方面的考慮，協(xié)調(diào)控制策略的設(shè)計(jì)使具有良好快速性的反步法控制在系統(tǒng)速度誤差較大時(shí)起主要控制作用，穩(wěn)定性良好的最大輸出功率PCH控制則在穩(wěn)態(tài)時(shí)起主要控制作用，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)參數(shù)變化引起電機(jī)速度的大幅度改變時(shí)，便會(huì)投入信號(hào)控制使其迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，能量控制方法起到主導(dǎo)控制作用。每種控制方法的優(yōu)點(diǎn)都能在相應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)得到最高效的利用，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

1 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

在d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，PMSM的速度系統(tǒng)模型可表示為［12］

式中：ud，uq分別為 d，q軸定子電壓；id，iq分別為d，q軸定子電流；Ld，Lq分別為d，q軸定子電感；Rs為定子電阻；Ψ為永磁體產(chǎn)生的磁鏈；Jm為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；np為極對(duì)數(shù)；ω為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；T為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

2 永磁同步電機(jī)速度的協(xié)調(diào)控制原理

基于反步法與最大輸出功率協(xié)調(diào)控制的永磁同步電機(jī)速度控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)采用基于=0的控制。

圖1 基于反步法與最大輸出功率協(xié)調(diào)控制的PMSM速度系統(tǒng)框圖Fig.1 The block diagram of PMSM speed system based on backstepping and maximum output power coordination control

2.1 反步法控制器設(shè)計(jì)

反步法可以通過給分系統(tǒng)設(shè)計(jì)Lyapunov函數(shù)，逐步反向代入其中推導(dǎo)，直至找到系統(tǒng)的控制輸入，而在反步法中引進(jìn)的虛擬控制律，也由后面的分系統(tǒng)反向推導(dǎo)，使前面的子系統(tǒng)穩(wěn)定，從而推導(dǎo)至整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定。

設(shè)該P(yáng)MSM系統(tǒng)速度的給定值為ωr，速度跟蹤誤差為eω=ωr-ω，求其導(dǎo)數(shù)，聯(lián)立式（2），得：

其中 k1＞0

由于Ld=Lq=L，參考電流

把iqr代替iq帶入式（3），可得：

其中 k2＞0

把式（7）代入式（6），可得：

其中 k3＞0

把式（10）代入（9），有

綜上所述可知，系統(tǒng)的反步法控制器為

2.2 最大輸出功率控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)最大輸出功率控制原理可知，輸入功率隨著定子電流的增大而增大，當(dāng)其達(dá)到最大值時(shí)，相應(yīng)的輸出功率也處于最大值［13］。當(dāng)PMSM運(yùn)行于某特定轉(zhuǎn)速ω時(shí)，如果滿足

則系統(tǒng)的輸入功率最大，P1為輸入功率，當(dāng)輸入功率最大時(shí)，定子電流的變化率為零，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，電機(jī)交直軸電流變化率為零，由式（1）可得輸入功率表達(dá)式為

由電壓方程

可得：

式中：ulim為d-q坐標(biāo)軸下PMSM最大基波相電壓有效值。

將式（15）、式（16）代入式（14）并忽略定子電阻，可求得：

其中

式中：ρ為電機(jī)的凸極率，ρ=Lq/Ld。

當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，若定子電流滿足式（17）、式（18），那么此時(shí)PMSM的輸入功率最大，對(duì)應(yīng)的輸出功率也最大。

定義該永磁同步電機(jī)速度控制系統(tǒng)的狀態(tài)向量、輸入向量分別為

式中：ued，ueq為圖1與式（1）中 ud，uq對(duì)應(yīng)的PCH控制器的d，q軸定子電壓。

取PMSM系統(tǒng)的Hamilton函數(shù)為

則式（1）系統(tǒng)的PCH模型為

式中：R(x)為半正定對(duì)稱矩陣，R(x)=RT(x)≥0；J(x)為反對(duì)稱矩陣，J(x)=-JT(x)。

由式（1）可得PMSM的PCH模型為

對(duì)于給定的速度信號(hào)ωr，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定已

知時(shí)，聯(lián)立式（1）、式（17）可得系統(tǒng)的平衡點(diǎn)為［14］

選取

由式（20）～式（24）可得控制器為［15］

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩未知時(shí)，設(shè)計(jì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器為

當(dāng)負(fù)載已知時(shí)，有

式（28）的特征方程為s2+c1s-c2/Jm=0。設(shè)系統(tǒng)式（27）的極點(diǎn) sp(sp＜0)，則有在負(fù)載轉(zhuǎn)矩未知時(shí)，用代替式（23）中的TL0，只有 iq0與 TL0有關(guān)，故用代替 iq0，則此時(shí)系統(tǒng)的反步法控制器與最大輸出功率控制器分別為

3 反步法與最大輸出功率協(xié)調(diào)控制策略的設(shè)計(jì)

從信號(hào)與能量的角度看，反步法和最大輸出功率控制具有互補(bǔ)性。本文設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)控制策略使系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)時(shí)以作為信號(hào)控制方法的反步法為主，穩(wěn)態(tài)時(shí)以作為能量控制方法的最大輸出功率控制為主，從而具有快速的動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)和最大的輸出功率，達(dá)到期望的控制效果。

3.1 協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計(jì)

定義csd,ced,csq,ceq分別是系統(tǒng)反步法控制器和最大輸出功率的PCH控制器d，q軸的協(xié)調(diào)函數(shù)，設(shè)|ω-ωr|＞β（β 為常數(shù)，且 β＞0，rad/s）的開始時(shí)刻為t1。因此協(xié)調(diào)函數(shù)可設(shè)計(jì)為

式中：Tc為協(xié)調(diào)時(shí)間常數(shù)。

很顯然

從而協(xié)調(diào)控制策略為

3.2 基于反步法與最大輸出功率協(xié)調(diào)控制的PMSM速度系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

3.2.1 反步法控制子系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

對(duì)于利用反步法設(shè)計(jì)的誤差變量 eω,eωq,eωd作為狀態(tài)變量所組成的系統(tǒng)，定義Lyapunov函數(shù)：

對(duì)Vs求導(dǎo)，由式（9）、式（13）、式（16）可知：

3.2.2 PCH控制子系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

對(duì)于PCH子系統(tǒng)，定義Lyapunov函數(shù)：

很明顯，Ve＞0。由于Jd(x)為反對(duì)稱矩陣，有

很顯然，Vs正定，V?s負(fù)半定。由Lyapunov穩(wěn)定性理論可知，反步法控制子系統(tǒng)是漸近穩(wěn)定的。

由于 Rd是正半定的，根據(jù)拉薩爾不變集定理有，如果該閉環(huán)系統(tǒng)包括在集合{x∈ Rn|[?Hd(x)/?x]TRd(x)[?Hd(x)/?x]=0}內(nèi)的最大不變集為{x0}，則哈密頓子系統(tǒng)在平衡點(diǎn)x0處是漸近穩(wěn)定的。

3.2.3 整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

當(dāng)時(shí)間t=0時(shí)，協(xié)調(diào)函數(shù) csd(t)=csq(t)=1,ced(t)=ceq(t)=0，相當(dāng)于只有反步法控制器作用于整個(gè)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定。

當(dāng)時(shí)間t→∞時(shí)，協(xié)調(diào)函數(shù)csd(t)=csq(t)=0，ced(t)=ceq(t)=1,相當(dāng)于只有最大輸出功率的PCH控制器作用于整個(gè)系統(tǒng) V=Ve＞0 ，V?=V?e＜0 ，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定。

由以上分析可知，整個(gè)系統(tǒng)是漸近穩(wěn)定的。

4 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

針對(duì)反步法與最大輸出功率協(xié)調(diào)控制的PMSM速度控制系統(tǒng)，采用Matlab/Simulink對(duì)反步法與最大輸出功率協(xié)調(diào)控制的PMSM速度控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證該方法對(duì)PMSM速度系統(tǒng)的控制性能。仿真所用電機(jī)參數(shù)如下：Rs=2.875 Ω,Ld=Lq=8.5 mH, Ψ=0.175 Wb,Jm=0.02 kg?m2,np=4,k0=1,r=10,Tc=0.1 s,sp=-500,k1=5 000,k2=k3=10 000,β=2。

基于dSPACE系統(tǒng)，搭建PMSM速度控制平臺(tái)，直接采用Matlab/Simulink環(huán)境的控制器及模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)PMSM的速度特性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)分別針對(duì)協(xié)調(diào)控制策略的可行性（見圖2）、反步法單獨(dú)控制（見圖3）、最大輸出功率的PCH單獨(dú)控制（見圖4）、兩種方法協(xié)調(diào)控制（見圖5）的情況進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)協(xié)調(diào)控制的跟蹤特性（見圖6）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。鏈接平臺(tái)設(shè)備，通過ControlDesk實(shí)時(shí)觀測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化（見圖7）。

對(duì)于圖2～圖5，在0～0.3s時(shí)，給定的速度信號(hào)ωr=100 rad/s；在0.3～1 s時(shí)，ωr=150rad/s。在0～0.6s時(shí)，給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL=2 N?m ；在0.6～1 s時(shí)，為5 N?m。圖2為協(xié)調(diào)時(shí)間常數(shù)不同時(shí)系統(tǒng)的速度響應(yīng)曲線。圖2中，由圖中曲線可知，當(dāng)Tc1

=0.2時(shí)，控制效果比較理想。由圖3可以看出，反步法控制的響應(yīng)速度快，但其穩(wěn)態(tài)性能較差。圖4中，與反步法控制相比較，最大輸出功率控制的響應(yīng)速度有待提高，尤其在0.6 s由于負(fù)載變化使速度產(chǎn)生較大誤差時(shí)，響應(yīng)速度要比反步法慢很多，跟蹤性能較差。圖5為Tc1=0.2時(shí)的協(xié)調(diào)控制曲線，在0.3 s和0.6 s時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變，使得β=2，與圖3～圖4對(duì)比可知，該協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度與反步法基本一致，比最大輸出功率原理單獨(dú)作用時(shí)的響應(yīng)速度有明顯的提升，故協(xié)調(diào)控制策略在符合判斷條件時(shí)能及時(shí)地投入反步法控制，保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。圖6為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的跟蹤速度曲線，給定速度信號(hào)為正弦曲線，其幅值為150 rad/s，在0.6 s時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL由2 N?m跳變?yōu)? N?m，從圖中曲線中可以看出系統(tǒng)跟蹤性能良好。圖7為實(shí)驗(yàn)所測轉(zhuǎn)子速度波形，在12 s時(shí)，TL為由2 N?m變?yōu)? N?m，16 s時(shí)，負(fù)載恢復(fù)2 N?m。經(jīng)比較，協(xié)調(diào)控制方法有效地結(jié)合了反步法與最大輸出功率PCH控制的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)既能快速跟蹤信號(hào)，又有很好的穩(wěn)態(tài)性能和比較強(qiáng)的穩(wěn)定性，同時(shí)能很好地適應(yīng)負(fù)載變化。

圖2 協(xié)調(diào)時(shí)間常數(shù)不同時(shí)的速度曲線Fig.2 The speed curves of different coordinate time constant

圖3 反步法單獨(dú)作用時(shí)的速度曲線Fig.3 The speed curve of backstepping control alone

圖4 最大輸出功率控制單獨(dú)作用時(shí)的速度曲線Fig.4 The speed curve of maxmum output power control alone

圖5 協(xié)調(diào)控制的速度曲線Fig.5 The speed curve of coordination control

圖6 協(xié)調(diào)控制的轉(zhuǎn)速跟蹤曲線Fig.6 The speed tracking curve of coordination control

圖7 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)速度實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 The speed waveform of coordination control

5 結(jié)論

［1］柏建勇，滕青芳，杜永棟，等.永磁同步電機(jī)控制策略比較研究［J］.控制工程，2015，22（3）：490-494.

［2］向國菲，佃松宜，蒲明.基于EKF永磁同步電機(jī)無傳感直接轉(zhuǎn)矩控制研究［J］.控制工程，2015，22（3）：369-374.

［3］Ouledali O，Meroufel A，Wira P，et al.Direct Torque Fuzzy Control of PMSM Based on SVM［J］.Energy Procedia，2015，74：1314-1322.

［4］Essalmi A，Mahmoudi H，Abbou A，et al.DTC of PMSM Based on Artificial Neural Networks with Regulation Speed Using the Fuzzy Logic Controller［C］//International Renewable and Sustainable Energy Conference（IRSEC），2015.

［5］盧濤，于海生，山炳強(qiáng)，等.永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的自適應(yīng)滑模最大轉(zhuǎn)矩/電流控制［J］.控制理論與應(yīng)用，2015，32（2）：251-255.

［6］Kojabadi H M，Ghribi M.MRAS-based Adaptive Speed Estimator in PMSM Drives［C］//IEEE International Workshop on Advanced Motion Control，2006：569-572.

［7］Wu Zhengcheng.Feedback Linearization Control of PMSM Based on Differential Geometry Theory［C］//5th IEEE International Conference on Industrial Electronics and Applications，2010：2047-2051.

［8］紀(jì)志成，李三東，沈艷霞.自適應(yīng)積分反步法永磁同步電機(jī)伺服控制器的設(shè)計(jì)［J］.控制與決策，2005，20（3）：329-336.

［9］Shan Bingqiang，Yu Haisheng，Yu Jinpeng.Position Control of the Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Back-Stepping Method and Load Torque Observer［J］.ICIC Express Letters，2013，7（3）：735-740.

［10］Ortega R，van der Schaft A，Maschke B，et al.Interconnection and Damping Assignment Passivity-based Control of Port-controlled Hamiltonian Systems［J］.Automatica，2002，38（4）：585-596.

［11］Yu Haisheng，Yu Jinpeng，Liu Jin，et al.Nonlinear Control of Induction Motors Based on State Error PCH and Energy-shaping Principle［J］.Nonlinear Dyn，2013，72（2）：49-59.

［12］于海生，趙克友，郭雷，等.基于端口受控哈密頓方法的PMSM最大轉(zhuǎn)矩/電流控制［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（8）：82-87.

［13］唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［14］Yu Haisheng，Yu Jinpeng，Liu Xudong，et al.Port-Hamiltonian System Modeling and Position Tracking Control of PMSM Based on Maximum Output Power Principle［J］.ICIC Express Letters，2012，6（2）：437-442.

［15］Yu Haisheng，Yu Jinpeng，Wang Yong.Maximum Output Power Control of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Energy-shaping Principle［C］//Automation and Logistics，2007 IEEE International Conference on.IEEE，2007：2008-2012.

Permanent Magnet Synchronous Motor Control System Based on Backstepping and the Maximum Output Power Coordination Control

WANG Yan，YU Haisheng
（College of Automation and Electrical Engineering，Qingdao University，Qingdao 266071，Shandong，China）

In view of the problem that the fast and high-efficiency control of permanent magnet synchronous motor（PMSM）speed servo system with one control method is difficult to realize，a hybrid coordination control scheme based on backstepping and the port-controlled Hamiltonian（PCH）control on maximum output power principle was designed.The backstepping technique was used to optimize the dynamic response of the system，and the PCH control method was applied to ensure that the system reached its maximum output power.Furthermore，exponential function was utilized as the coordination function to fulfill the coordination control strategy.The coordination control system was well adapted to the load disturbance of PMSM.The simulation results show that the coordination control scheme which is applied to PMSM speed servo system combines the advantages of backstepping control and PCH control.The system has good dynamic and steady-state performance，and it can eliminate the error quickly under the external disturbances.

permanent magnet synchronous motor（PMSM）；backstepping；the maximum output power；portcontrolled Hamiltonian；coordination control

TP273

A

10.19457/j.1001-2095.20171003

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的信號(hào)與能量協(xié)調(diào)控制（61573203）

王艷（1990-），女，碩士研究生，Email：569317915@qq.com

2016-11-17

修改稿日期：2017-03-07