劉春光,張 征,陳路明,白 華
(陸軍裝甲兵學(xué)院兵器與控制系,北京 100072)
隨著化石能源危機(jī)加劇和環(huán)境污染問題日益突出,大力發(fā)展新能源電動(dòng)汽車成為我國(guó)緩解問題的一種重要舉措[1]。由于新能源電動(dòng)汽車普遍采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式,因此,各類驅(qū)動(dòng)電機(jī)在電動(dòng)車中得到廣泛應(yīng)用,其中永磁同步電機(jī)相較其他類型電機(jī),在功率因數(shù)、功率密度、工作噪聲方面性能突出,成為了各電動(dòng)車制造廠商首選的驅(qū)動(dòng)電機(jī)配置方案,在電動(dòng)車中得到越來越廣泛的應(yīng)用[2]。電動(dòng)車應(yīng)用時(shí)尤其關(guān)注驅(qū)動(dòng)電機(jī)的調(diào)速性能,車輛行駛中不可避免會(huì)出現(xiàn)路面突然起伏、地面摩擦力降低等不可測(cè)外部擾動(dòng),此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)一定幅度的轉(zhuǎn)速波動(dòng),如果調(diào)速控制方法得當(dāng),轉(zhuǎn)速超調(diào)幅度較小,很快收斂到目標(biāo)轉(zhuǎn)速,恢復(fù)正常工作狀態(tài);但如果調(diào)速控制策略不佳,甚至?xí)霈F(xiàn)大幅度轉(zhuǎn)速震蕩和發(fā)散,造成電動(dòng)車調(diào)速失控,引發(fā)駕駛安全危機(jī)。
傳統(tǒng)工程應(yīng)用中大多采用PID 轉(zhuǎn)速控制方式,這種方式易于實(shí)現(xiàn),適應(yīng)性和魯棒性強(qiáng),但轉(zhuǎn)速響應(yīng)快速性和超調(diào)性之間存在矛盾,方法本質(zhì)上限制了電機(jī)調(diào)速性能的進(jìn)一步提升。多年來,研究人員不斷致力于將各類新型控制方法融入電機(jī)調(diào)速控制,取得了諸多研究成果。文獻(xiàn)[3]利用模糊控制動(dòng)態(tài)整定PI 參數(shù),相較固定參數(shù)PI 控制提高了轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制性能,但是轉(zhuǎn)速調(diào)整快速性和超調(diào)性之間存在矛盾;文獻(xiàn)[4]為降低擾動(dòng)條件下轉(zhuǎn)速超調(diào),提出了一種基于上下界滑模變結(jié)構(gòu)的控制方法,將轉(zhuǎn)速誤差與系統(tǒng)變量相關(guān)聯(lián),改善了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和魯棒性,但不能克服滑模運(yùn)動(dòng)固有的抖振問題;文獻(xiàn)[5]將模型預(yù)測(cè)控制應(yīng)用到伺服電機(jī)控制中,分步迭代求解最優(yōu)控制量,展現(xiàn)出良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性,但在計(jì)算量較小的控制器上運(yùn)行實(shí)時(shí)性可能存在的問題;文獻(xiàn)[6]采用簡(jiǎn)化的自抗擾控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)對(duì)無位置傳感器永磁同步電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制,優(yōu)化了控制器參數(shù)設(shè)置流程,賦予驅(qū)動(dòng)電機(jī)在設(shè)定條件下具備較好的抵抗外部擾動(dòng)的能力,但是由于采用了簡(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu),驅(qū)動(dòng)電機(jī)在全速度范圍內(nèi)控制效果能夠始終保持仍有待驗(yàn)證。
由于自抗擾控制具有較強(qiáng)的擾動(dòng)抑制能力、適中的運(yùn)算量和較低的模型精度要求,適用于準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性要求較高的永磁同步電機(jī)調(diào)速場(chǎng)景,因此,筆者基于文獻(xiàn)[6]的研究思路,將自抗擾控制應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速外環(huán),并給出控制參數(shù)設(shè)置方法,確定實(shí)際自抗擾控制器,而后根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速信息,實(shí)時(shí)解算電流內(nèi)環(huán)最優(yōu)參考量,實(shí)現(xiàn)全程控制閉環(huán),以提升轉(zhuǎn)速控制效果。
控制策略的制定離不開被控對(duì)象參考模型,在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,列寫電機(jī)數(shù)學(xué)模型:
1.1.1 磁鏈模型
其中,變量下標(biāo)d、q 分別表示直軸、交軸的相關(guān)物理量,φ 表示磁鏈,L 表示電感,i 表示電流,φf表示永磁體磁鏈。
1.1.2 電壓模型
電機(jī)調(diào)速通常采用轉(zhuǎn)速外環(huán)加電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)方式,具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 電機(jī)雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)
在雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)中,不同環(huán)路承擔(dān)不同的功能:轉(zhuǎn)速外環(huán)接收目標(biāo)轉(zhuǎn)速和電機(jī)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速,經(jīng)過轉(zhuǎn)速環(huán)控制器解算,得到內(nèi)環(huán)目標(biāo)電流;電流內(nèi)環(huán)接收電壓外環(huán)給出的目標(biāo)電流和電機(jī)實(shí)測(cè)電流,經(jīng)過電流環(huán)控制器結(jié)算,得到脈沖寬度調(diào)制量,經(jīng)過SVPWM 環(huán)節(jié),形成六路開關(guān)管數(shù)字控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的有效控制。
通常,電機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)控制器多采用經(jīng)典PI 控制方式,能夠以非常便捷的方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的有效跟蹤。但是,由于PI 控制的原理性限制,這種控制方式始終存在快速性和超調(diào)量之間的矛盾,制約了電機(jī)調(diào)速性能的進(jìn)一步提升。
提升擾動(dòng)條件下的控制效果始終是控制理論研究人員研究的熱門課題。20 世紀(jì)80 年代末,中科院數(shù)學(xué)所韓京清研究員創(chuàng)造性地提出了“自抗擾控制”方法,豐富了現(xiàn)代控制理論的內(nèi)涵。自抗擾控制具有以下突出特點(diǎn):較低的模型精度要求、較低的在線計(jì)算量以及卓越的擾動(dòng)抑制能力[8-9]。其典型控制結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 典型自抗擾控制結(jié)構(gòu)
由圖2 可知,自抗擾控制包含4 類功能單元[9]。
該單元功能為變化的目標(biāo)值設(shè)置中間過渡過程,同步給出計(jì)算該過程的微分量。
成礦熱液沿?cái)嗔褬?gòu)造運(yùn)移至物理化學(xué)場(chǎng)突變區(qū),即壓力驟減部位時(shí)高壓熱液產(chǎn)生爆騰,形成隱爆鈉交代角礫巖,為后期鈾的沉淀提供了良好的賦礦空間(圖13)[13-14]。
該單元功能:濾除實(shí)測(cè)輸出量中的雜波,給出純凈測(cè)量值及其微分;估計(jì)系統(tǒng)內(nèi)外擾動(dòng)總和,給出擾動(dòng)補(bǔ)償參考值。
其中,e 表示目標(biāo)信號(hào)與實(shí)測(cè)信號(hào)偏差,fal 表示冪次函數(shù),z1和z2表示純凈測(cè)量值及其微分,z3表示總擾動(dòng),β01、β02和β03表示控制靈敏度調(diào)節(jié)量。
其中,fal 表達(dá)式為:
其中,α 表示系統(tǒng)階數(shù)關(guān)聯(lián)量,δ 表示線性尺度。
該單元功能:采集目標(biāo)值與實(shí)際輸出值偏差、目標(biāo)微分與實(shí)際輸出微分偏差,經(jīng)過內(nèi)部非線性處理,給出被控對(duì)象的未補(bǔ)償控制指令。
其中,e1表示目標(biāo)值與實(shí)際輸出值偏差,e2表示目標(biāo)微分與實(shí)際輸出微分偏差,u0表示未補(bǔ)償控制指令,r1表示控制力度調(diào)節(jié)系數(shù)。
該單元功能:根據(jù)未補(bǔ)償控制指令和估計(jì)總擾動(dòng),經(jīng)過線性處理,得到補(bǔ)償控制指令。
其中,u 為補(bǔ)償控制指令,b0為補(bǔ)償因子。
對(duì)于采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的電機(jī)控制器,電流內(nèi)環(huán)響應(yīng)速度一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外環(huán)速度,對(duì)計(jì)算實(shí)時(shí)性要求更高。因此,在研究中對(duì)電流內(nèi)環(huán)延續(xù)經(jīng)典PI 控制方式,在保持電流快速響應(yīng)同時(shí)降低計(jì)算壓力;轉(zhuǎn)速外環(huán)對(duì)于調(diào)速影響顯著,且計(jì)算實(shí)時(shí)性較電流內(nèi)環(huán)低約一個(gè)數(shù)量級(jí),因此,考慮采用自抗擾控制取代經(jīng)典PI 控制,以優(yōu)化轉(zhuǎn)速跟蹤效果。
下面將電機(jī)數(shù)學(xué)模型與自抗擾控制相結(jié)合,推導(dǎo)控制模型。首先聯(lián)立式(3)和式(4):
由于自抗擾控制器中包含多種參數(shù),不同參數(shù)組合直接決定了控制效果的優(yōu)劣,因此,自抗擾控制器的參數(shù)整定成為控制過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。多年以來,研究人員針對(duì)各自研究對(duì)象,提出了眾多參數(shù)整定方案。文獻(xiàn)[10]針對(duì)液壓自控系統(tǒng),提出一種基于時(shí)序動(dòng)態(tài)響應(yīng)的參數(shù)整定方法,增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力;文獻(xiàn)[11]針對(duì)翼傘路徑規(guī)劃,提出了一種基于PSO 的動(dòng)態(tài)尋優(yōu)方法,增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性。為減小計(jì)算參數(shù)整定壓力,高志強(qiáng)博士[12]針對(duì)容性時(shí)滯被控對(duì)象,采用傳遞函數(shù)的方法推導(dǎo)得到參數(shù)整定解析表達(dá)式,便于實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)的快速整定,豐富了參數(shù)整定領(lǐng)域的研究成果。本研究正是基于這種研究思路,以永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)為研究對(duì)象進(jìn)行參數(shù)整定,并給出指導(dǎo)性參數(shù)公式。
自抗擾控制一個(gè)顯著特點(diǎn)是滿足“分離性原理[13]”,即各功能單元的參數(shù)可以獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì),不同單元之間不存在耦合關(guān)系,因此,不會(huì)產(chǎn)生互相干擾,對(duì)于參數(shù)整定具有重大價(jià)值?;诖嗽?,分別對(duì)自抗擾控制器進(jìn)行參數(shù)整定。
通常,自抗擾控制參數(shù)整定需要首先確定離散采樣步長(zhǎng)h,該參數(shù)是整個(gè)控制器參數(shù)的設(shè)置基礎(chǔ),可以根據(jù)計(jì)算實(shí)時(shí)性和精確度這對(duì)矛盾指標(biāo),進(jìn)行綜合考慮,確定合理數(shù)值。
跟蹤微分器中,最主要的參數(shù)為過渡系數(shù)r,該值設(shè)置越大,則跟蹤過程響應(yīng)速度越快,變化坡度越陡峭,參數(shù)設(shè)置越小,則跟蹤越平緩。根據(jù)電機(jī)自身響應(yīng)特性,根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),可按照下式取值:
擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器中,涉及到的參數(shù)個(gè)數(shù)較多,包括3 個(gè)控制靈敏度調(diào)節(jié)量β01、β02、β03,以及一個(gè)線性尺度δ。其中,前3 個(gè)參數(shù)主要影響動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力,分別作用于不同環(huán)節(jié),具有不同的數(shù)量級(jí)。它們?nèi)≈翟酱螅到y(tǒng)控制靈敏度越高,響應(yīng)速度越快,但是也容易引發(fā)震蕩;取值越小,則控制靈敏度降低,響應(yīng)速度同步減低。線性尺度δ 通常與離散采樣步長(zhǎng)相同。綜上,可依據(jù)下式進(jìn)行設(shè)置:
非線性狀態(tài)誤差反饋控制律中,控制力度調(diào)節(jié)系數(shù)r1對(duì)控制效果起主要作用。該值設(shè)置較大時(shí),可以加快響應(yīng)速度;設(shè)置過大時(shí),目標(biāo)控制量變化幅度和頻率可能超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)物理限制,惡化控制效果;取值較小時(shí),則會(huì)減慢響應(yīng)速度,該部分取值要結(jié)合執(zhí)行機(jī)構(gòu)極限能力進(jìn)行設(shè)置。本研究中,按照下式取值:
擾動(dòng)估計(jì)補(bǔ)償中,補(bǔ)償因子b0起主要作用。該值作為連接擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和非線性狀態(tài)誤差反饋控制末端處理單元,直接決定了最終補(bǔ)償控制量的實(shí)際值。當(dāng)被控對(duì)象的模型可精確得到時(shí),可由表達(dá)式直接確定,但當(dāng)被控對(duì)象模型時(shí)變或未知時(shí),則不易確定取值。根據(jù)式(13),可知本研究中補(bǔ)償因子取值為:
為檢驗(yàn)本文提出的自抗擾控制策略實(shí)際效果,在Simulink 中分別建立得到被控對(duì)象仿真模型和自抗擾控制器仿真模型,主要參數(shù)設(shè)置如下頁表1~表2 所示。
搭建得到的仿真模型如圖1 所示。
表2 自抗擾控制器參數(shù)
表1 永磁同步電機(jī)參數(shù)
圖3 永磁同步電機(jī)仿真模型
實(shí)際工作時(shí),驅(qū)動(dòng)電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)時(shí)刻刻都在變化,要求實(shí)際轉(zhuǎn)速跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)速指令。理想的控制效果為實(shí)際轉(zhuǎn)速能夠無超調(diào)地快速跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)速,為檢驗(yàn)本文所提自抗擾控制器的實(shí)際效果,設(shè)置具有代表性的目標(biāo)轉(zhuǎn)速極限階躍實(shí)驗(yàn),記錄得到如圖4 所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果:
圖4 給定轉(zhuǎn)速跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖4(a)展示了極限轉(zhuǎn)速階躍實(shí)驗(yàn)條件:全程實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩為100 Nm,初始目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1 500 rpm,在0.03 s 時(shí)刻進(jìn)行首次升速階躍,目標(biāo)轉(zhuǎn)速提升到2 500 rpm,而后維持不變,在0.06 s 時(shí)刻再次進(jìn)行降速階躍,目標(biāo)轉(zhuǎn)速回落到1 500 rpm,而后維持不變;圖4(b)展示了經(jīng)典PI 控制和自抗擾控制轉(zhuǎn)速響應(yīng)對(duì)比結(jié)果,從圖中可以看出,兩種控制方法均可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速跟蹤,但前者在跟蹤過程中出現(xiàn)較大超調(diào)量,對(duì)實(shí)車駕駛平順性帶來潛在威脅,而后者能夠無超調(diào)快速跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)速,提升了控制效果;圖4(c)展示了經(jīng)典PI 控制和自抗擾控制輸出到目標(biāo)電流對(duì)比結(jié)果,從圖中可以看出,傳統(tǒng)PI 控制輸出的目標(biāo)電流變化幅度較大,且缺乏過渡過程,不利于后級(jí)高精度跟蹤,而后者輸出的目標(biāo)電流變化幅度較小,且均安排有過渡,減輕了電流環(huán)控制壓力;圖4(d)展示了自抗擾控制器內(nèi)部目標(biāo)電流補(bǔ)償前后的對(duì)比結(jié)果,從圖中可以看出,自抗擾控制能夠有效估計(jì)總擾動(dòng),經(jīng)在線補(bǔ)償后,顯著降低了控制量變化幅度,更加符合后級(jí)電流環(huán)實(shí)際控制要求。
經(jīng)典PI 控制和自抗擾控制效果在轉(zhuǎn)速階躍條件下存在差異的主要原因如下:經(jīng)典PI 控制直接要求實(shí)際轉(zhuǎn)速跟蹤短時(shí)無法達(dá)到的階躍目標(biāo)轉(zhuǎn)速,勢(shì)必產(chǎn)生較大偏差,造成控制飽和輸出,在實(shí)際轉(zhuǎn)速達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí),由于PI 中的積分環(huán)節(jié)持續(xù)作用,使得前期控制飽和無法推出,控制滯后造成轉(zhuǎn)速超調(diào);自抗擾控制并不直接利用目標(biāo)階躍轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,而是根據(jù)自身能力,自主安排過渡過程,使得實(shí)際轉(zhuǎn)速具有實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)速的能力,另外結(jié)合后者的擾動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償單元,可以避免輸出控制量的大幅快速變化,符合后級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的物理特性??傮w而言,自抗擾控制基于控制機(jī)構(gòu)實(shí)際能力進(jìn)行設(shè)計(jì),充分體現(xiàn)了理論與實(shí)際的聯(lián)系關(guān)系,因此,具備較為優(yōu)秀的控制性能。
實(shí)際工作時(shí),由于路面特性改變,驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)刻都在變化,為實(shí)現(xiàn)精確控制,要求實(shí)際轉(zhuǎn)速能夠在各類擾動(dòng)條件下始終保持跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)速的能力。理想的控制效果為實(shí)際轉(zhuǎn)速能夠無超調(diào)地快速跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)速,為檢驗(yàn)本文所提自抗擾控制器的實(shí)際效果,設(shè)置具有代表性的負(fù)載轉(zhuǎn)矩極限階躍實(shí)驗(yàn),記錄得到如圖5 所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果:
圖5 負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖5(a)展示了極限轉(zhuǎn)矩階躍實(shí)驗(yàn)條件:全程目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1 500 rpm,初始負(fù)載轉(zhuǎn)矩100 Nm,在0.03 s時(shí)刻進(jìn)行首次加載階躍,負(fù)載轉(zhuǎn)矩提升到200 Nm,而后維持不變,在0.06 s 時(shí)刻再次進(jìn)行減載階躍,負(fù)載轉(zhuǎn)矩回落到100 Nm,而后維持不變;圖5(b)展示了經(jīng)典PI 控制和自抗擾控制轉(zhuǎn)速響應(yīng)對(duì)比結(jié)果,從圖中可以看出,兩種控制方法均可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速跟蹤,但前者在跟蹤過程中出現(xiàn)較大超調(diào)量,對(duì)實(shí)車駕駛平順性帶來潛在威脅,而后者超調(diào)量較小,能夠快速跟蹤到目標(biāo)轉(zhuǎn)速,提升了控制效果;圖5(c)展示了經(jīng)典PI 控制和自抗擾控制輸出到目標(biāo)電流對(duì)比結(jié)果,從圖中可以看出,傳統(tǒng)PI 控制輸出的目標(biāo)電流變化幅度較大,且缺乏過渡過程,不利于后級(jí)高精度跟蹤,而后者輸出的目標(biāo)電流變化幅度較小,且均安排有過渡,減輕了電流環(huán)控制壓力;圖5(d)展示了自抗擾控制器內(nèi)部目標(biāo)電流補(bǔ)償前后的對(duì)比結(jié)果,從圖中可以看出,自抗擾控制能夠有效估計(jì)總擾動(dòng),經(jīng)在線補(bǔ)償后,顯著降低控制量變化幅度,更加符合后級(jí)電流環(huán)實(shí)際控制要求。
經(jīng)典PI 控制和自抗擾控制效果在轉(zhuǎn)矩階躍條件下存在差異主要原因如下:經(jīng)典PI 控制缺乏擾動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償環(huán)節(jié),在擾動(dòng)作用使得轉(zhuǎn)速產(chǎn)生偏差時(shí)才起作用,控制作用滯后;自抗擾控制能夠根據(jù)參考模型,從中間過程估計(jì)得到總擾動(dòng)量,在擾動(dòng)發(fā)生時(shí)即發(fā)揮補(bǔ)償作用,縮短了控制回路長(zhǎng)度,提升了響應(yīng)的快速性??傮w而言,自抗擾控制基于參考模型進(jìn)行擾動(dòng)補(bǔ)償,改善了控制結(jié)構(gòu),因此,有效提升了動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。
為增強(qiáng)永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的調(diào)速控制精度和擾動(dòng)抑制能力,筆者對(duì)電機(jī)經(jīng)典雙閉環(huán)控制進(jìn)行改進(jìn),以自抗擾控制器取代原轉(zhuǎn)速外環(huán)PI 控制器,并依據(jù)跟蹤目標(biāo)要求,進(jìn)行自抗擾控制器參數(shù)整定。為檢驗(yàn)控制效果,在Simulink 中分別建立被控電機(jī)模型和自抗擾控制器模型,設(shè)置具有代表性的極限轉(zhuǎn)速階躍實(shí)驗(yàn)和極限轉(zhuǎn)矩階躍實(shí)驗(yàn),記錄仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并與經(jīng)典PI 控制器控制結(jié)果進(jìn)行比較。總體來看,自抗擾控制器有效化解了轉(zhuǎn)速響應(yīng)快速性和超調(diào)之間的沖突,實(shí)現(xiàn)了快速無超調(diào)或小超調(diào)的控制過程,展現(xiàn)出良好的控制性能,達(dá)到預(yù)期控制目標(biāo),對(duì)于未來實(shí)際工程實(shí)踐提供了應(yīng)用參考。