基于負載擾動觀測器的永磁同步電機預測控制研究

徐婧玥，孫西龍，趙 蔚，楊永常，劉永強

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

0 引 言

永磁同步電機以其結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)性能好、效率高、過載能力強等優(yōu)勢，廣泛應用于工業(yè)自動化、交通運輸、航空航天等領(lǐng)域。然而，永磁同步電機還存在著與電磁轉(zhuǎn)矩、定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈等類似的耦合、外部擾動、參數(shù)攝動等不利因素，導致系統(tǒng)靜、動態(tài)性能下降。傳統(tǒng)的雙閉環(huán)PI控制已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代高精度、高穩(wěn)定度的控制要求，因此近年來圍繞永磁同步電機的控制開展了大量的研究工作，促使其朝著大功率化、高功能化與微型化的方向發(fā)展。

1 永磁同步電機預測控制相關(guān)概述

永磁同步電機具有極為簡化的電機結(jié)構(gòu)，且運行可靠性相對較高。永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

結(jié)合圖1，永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)主要包含了永磁同步電機、功率驅(qū)動單元、轉(zhuǎn)子位置檢測器、控制器以及反饋單元。在對永磁同步電機進行控制的過程中，需要重點考慮四個方面的問題，即控制策略能否對電流指令做出快速響應，如果有外界負載擾動能否快速恢復設定值，對于電機定轉(zhuǎn)子參數(shù)設定產(chǎn)生敏感性，該過程在實際環(huán)境中的實現(xiàn)難度。

預測控制于20世紀70年代中后期產(chǎn)生?，F(xiàn)階段，預測控制已經(jīng)在工業(yè)過程控制、能源產(chǎn)業(yè)、航天產(chǎn)品和機器人等多個領(lǐng)域得到了廣泛應用。它主要是對系統(tǒng)預測模型輸出與實際輸出的誤差進行利用，并反饋、校正控制系統(tǒng)，利用在線滾動優(yōu)化，使系統(tǒng)得到合理控制，進而提升系統(tǒng)魯棒性，實現(xiàn)較好的綜合控制效果。在電機控制與電力電子控制領(lǐng)域中，預測控制算法主要可以分為非線性模型預測控制算法和線性預測控制算法兩種類型。

預測控制算法結(jié)構(gòu)具有一定的相似性，主要可分為三個組成部分。（1）預測控制。預測控制是一種建立在模型基礎上的控制算法，需要構(gòu)建對對象動態(tài)行為進行描述的基礎模型，以將一定的先驗信息提供給預測控制。依照此類信息，可以確定控制輸入形式，并有效預測過程輸出。（2）反饋校正。在系統(tǒng)運行過程中存在著多種隨機干擾，可能會影響預測模型輸出與實際輸出的一致性。因此，需要積極修正開環(huán)預測模型。利用反饋校正的方法，可以有效克服系統(tǒng)的不確定因素影響，從而降低系統(tǒng)基礎模型的要求。（3）滾動優(yōu)化。在預測控制過程中，需要依照性能指標最優(yōu)性原則，對未來某段時域進行滾動優(yōu)化。隨著時間的變化，優(yōu)化目標也會發(fā)生變化[1]。

2 基于負載擾動觀測器的永磁同步電機預測控制設計與仿真

2.1 預測控制設計

2.1.1 龍伯格觀測器設計

狀態(tài)觀測器是可以讓狀態(tài)重構(gòu)得以實現(xiàn)的新系統(tǒng)。新系統(tǒng)中，輸入信號為原系統(tǒng)可直接測量的信息。在一定規(guī)律下，它和原系統(tǒng)參數(shù)變量存在等價關(guān)系。將重構(gòu)狀態(tài)向量維數(shù)和被控對象狀態(tài)向量維數(shù)進行比較，可以將其分為降階狀態(tài)觀測器和全維狀態(tài)觀測器兩種類型。本文中，主要對一種降階龍伯格觀測器進行設計。

負載出現(xiàn)變化時，永磁同步電機轉(zhuǎn)速會受到干擾，影響系統(tǒng)的動態(tài)響應。利用狀態(tài)空間表示法，通過電機狀態(tài)變量重構(gòu)，可以對狀態(tài)觀測器進行構(gòu)建。使用觀測器可以估計電機負載轉(zhuǎn)矩變量，完成系統(tǒng)補償工作，提升電機控制系統(tǒng)性能。控制系統(tǒng)中，利用離散速推方法可以實現(xiàn)狀態(tài)觀測器的數(shù)字化控制。結(jié)合永磁同步電機機械運動方程，假設系統(tǒng)速度環(huán)采樣周期為T，電機轉(zhuǎn)動慣量為J，電機摩擦系數(shù)為B，電機交軸電流為，觀測轉(zhuǎn)速為，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為ωr，負載轉(zhuǎn)矩為，則其轉(zhuǎn)速和負載觀測值遞推為：

電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩電流指令值為觀測器輸入部分，觀測負載轉(zhuǎn)矩為輸出部分，據(jù)此可以設計負載觀測器，進而設計整個系統(tǒng)。在永磁同步電機預測控制系統(tǒng)中，內(nèi)環(huán)主要利用無差拍電流預測控制方法，外環(huán)主要利用降階龍伯格觀測器速度模型預測控制方法。

2.1.2 內(nèi)?？刂朴^測器設計

內(nèi)?？刂票旧砭哂休^簡單的結(jié)構(gòu)和較少的在線調(diào)節(jié)參數(shù)，在電機控制領(lǐng)域得到了廣泛應用。設計內(nèi)?？刂朴^測器可以實現(xiàn)擾動補償，首先要構(gòu)造轉(zhuǎn)速環(huán)模型狀態(tài)方程，其次利用狀態(tài)反饋原理得到轉(zhuǎn)速環(huán)觀測器的控制律，最后利用極點配置法實現(xiàn)對觀測器參數(shù)的優(yōu)化，使負載擾動補償控制得以實現(xiàn)，提升系統(tǒng)的抗擾動性能。

IMC觀測器狀態(tài)方程為：

依照式（3）可以對觀測器結(jié)構(gòu)進行設計。和降階龍伯格觀測器相比，二者在結(jié)構(gòu)上具有相似性。此內(nèi)?？刂朴^測器可以有效提升負載擾動觀測形式的辨識收斂速度，改善補償控制效果。在負載擾動觀測器的永磁同步電機預測控制系統(tǒng)中，改進了雙環(huán)預測控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)一致。外環(huán)主要利用內(nèi)?？刂朴^測器結(jié)合模型預測控制的方法，其中內(nèi)?？刂朴^測器負責前饋部分。

2.2 仿真分析

本文主要利用MATLAB/Simulink構(gòu)建基于負載擾動觀測器的永磁同步電機預測控制模型，并比較分析兩種觀測器的性能。仿真過程中，將常規(guī)預測控制與基于擾動補償預測控制進行對比。為保證觀測器觀測精度與動態(tài)響應，進行了反復試驗。在龍伯格觀測器所在系統(tǒng)中，選擇其反饋增益參數(shù)h1=102，h2=-0.38；在內(nèi)模控制觀測器所在系統(tǒng)中，其反饋增益參數(shù)k1=-0.000 1，k2=-0.008。

在電機空載啟動后，在給定轉(zhuǎn)速為800 r/min條件下運行。在0.02 s與0.03 s時，電機突加負載10 N·m、5 N·m。無負載擾動時，三種控制方法轉(zhuǎn)速響應仿真曲線如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)速響應仿真曲線

負載擾動時，三種控制方法轉(zhuǎn)速仿真曲線如圖3所示。

圖3 負載擾動時三種控制方法轉(zhuǎn)速仿真曲線

結(jié)合圖2、圖3發(fā)現(xiàn)，兩種基于負載擾動觀測器的永磁同步電機預測控制系統(tǒng)，均可以實現(xiàn)快速響應、無超調(diào)目標。觀測轉(zhuǎn)矩可以對實際負載擾動變化進行全面跟蹤，但內(nèi)?？刂朴^測器所在控制系統(tǒng)具有更快的響應速度和更小的狀態(tài)估計誤差。觀察加入負載擾動后的轉(zhuǎn)速曲線發(fā)現(xiàn)，在沒有負載觀測器引入的條件下，負載擾動會對常規(guī)預測控制方法造成較大的轉(zhuǎn)速波動，且具有較長的動態(tài)調(diào)節(jié)時間。在引入觀測器后，擾動補償控制信號得到輸出，可以有效抑制因負載突變導致的速度波動，有效改善動態(tài)響應性能，具有良好的抗擾動效果。本文介紹的兩種基于負載擾動觀測器的永磁同步電機預測控制系統(tǒng)均可以降低轉(zhuǎn)矩脈動，使電機速度具有良好的魯棒性，綜合控制效果相對較好，證明了負載擾動觀測器預制控制方法的有效性與可行性[2]。

3 基于負載擾動觀測器的永磁同步電機預測控制具體實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)設計

3.1.1 硬件設計

永磁同步電機控制系統(tǒng)主要包含驅(qū)動電路、控制電路、功率主電路、信號檢測與調(diào)理電路。在本文的系統(tǒng)設計中，驅(qū)動電路可以實現(xiàn)變頻；控制電路核心為TMS320F2812控制芯片，可以實現(xiàn)具體算法；功率主電路主要包含智能功率模塊和三相整流模塊；信號檢測與調(diào)理電路主要包含電流檢測電路、增量式光電編碼器以及故障檢測保護電路等部分。在該系統(tǒng)中，三相交流電源負責對其主電路進行供電，在二極管整流、母線電容濾波、穩(wěn)壓后得到直流母線電壓，利用逆變模塊，結(jié)合電壓需求量，將直流電轉(zhuǎn)化為三相交流電對電機進行驅(qū)動。增量式光電編碼器可以對電機轉(zhuǎn)速進行檢測，實現(xiàn)定位。在信號調(diào)理電路處理電流傳感器與直流母線電壓輸出信號后，可以實現(xiàn)信號電平匹配，進而得到DSP主控制器采樣口的反饋。利用JTAG接口，上位機可以把編寫好的程序下載至芯片。利用SCI串口通信，電機運行中可以實現(xiàn)上位機和DSP的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與實時通信。圖4為永磁同步電機調(diào)速控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

3.1.2 軟件設計

軟件設計中，控制器主要使用C語言進行編程，主要分為兩個部分。（1）主程序。在主程序中，可以初始化處理系統(tǒng)寄存器，實現(xiàn)系統(tǒng)啟動、開串口接收中斷與等待中斷等，流程可以概括為：系統(tǒng)初始化→外設模塊初始化→子程序模塊初始化→開中斷→循環(huán)等待。（2）中斷子程序。中斷子程序用于完成系統(tǒng)控制算法，在系統(tǒng)軟件設計中占有核心地位。利用中斷子程序，可以對電機電流、速度進行采樣，同時檢測轉(zhuǎn)子位置，實現(xiàn)調(diào)制算法，流程可以概括為：關(guān)閉中斷保護現(xiàn)場→電流位置采樣與ADC轉(zhuǎn)換→Clarke變換→判斷速度采樣時間→Park變換→交直軸電流PI調(diào)節(jié)器→Park逆變換→SVPWM波生成→開中斷現(xiàn)場恢復→中斷返回。如果速度采樣時間到判斷為Y，那么需要進行速度采樣與轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)后才能進行Park變換[3]。

3.2 實驗分析

實驗中，永磁同步電機功率額定值為3 kW，直流母線電壓額定值為380 V，極對數(shù)為4，定子電感為5.25×10-2H，定子電阻為0.958 5 Ω，轉(zhuǎn)矩為10 N·m，轉(zhuǎn)動慣量為6.329×10-4，永磁體磁鏈為0.182 7 Wb，摩擦系數(shù)為 3×10-6[N·m·（s·rad-1）]。該實驗分析了永磁同步電機轉(zhuǎn)速與電流雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，通過觀察波形的同一相位的上下橋臂IPM驅(qū)動信號波形、DSP輸出3.3 V脈沖信號，得到了經(jīng)過驅(qū)動電路放大的SVPWM波形。

SVPWM生成模塊具有100 μs的驅(qū)動信號周期，與預先設置的10 kHz開關(guān)頻率相符，具有10 μs死區(qū)時間，滿足死區(qū)時間大于2.5 μs的要求；可確定包含高速光電耦合器的驅(qū)動電路能夠放大至15 V，可滿足驅(qū)動要求和IPM實現(xiàn)要求，因此永磁同步電機可實現(xiàn)正常運轉(zhuǎn)。

對3.3 V脈沖信號進行輸出，在驅(qū)動電路放大后，可以發(fā)現(xiàn)高速光電耦合器驅(qū)動電路放大到了15 V，滿足驅(qū)動要求，實現(xiàn)了IPM逆變，此時電機運轉(zhuǎn)依然正常。利用傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器開展轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制試驗，電機具有800 r/min給定轉(zhuǎn)速。觀察示波器發(fā)現(xiàn)，電機在空載啟動11 ms后達到給定轉(zhuǎn)速，之后平穩(wěn)運行。通過試驗可以證明，本文介紹的基于負載擾動觀測器的永磁同步電機預測控制方法在動態(tài)響應、調(diào)速性能上表現(xiàn)良好，但轉(zhuǎn)速因為電機結(jié)構(gòu)并非完全對稱而存在一定的細微波動[4]。

4 結(jié) 論

綜上所述，利用龍伯格觀測器設計、內(nèi)?？刂朴^測器設計的基于負載擾動觀測器的永磁同步電機預測控制，在仿真分析與實際應用中均能起到較好的應用效果，可以降低外部擾動對系統(tǒng)的不利影響，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速輸出對期望輸出信號的高精度跟蹤，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。