基于自抗扰控制器的永磁同步电机矢量控制仿真讲述.docx

基于自抗扰控制技术的永磁同步电机矢量控制仿真 摘要：文章针对经典的PID控制器应用于永磁同步电机矢量控制的缺点。依据永磁同步在两相同步旋转坐标系下的数学模型，设计了转速控制环的ADRC控制器，结合按转子磁场定向的矢量控制在simulink中建立了永磁同步电机调速系统仿真模型，对一台隐极式永磁同步电机进行仿真。仿真发现，发现ADRC作为速度环的控制器能够避免使用PI控制器时出现超调的问题，而且在转矩突变干扰下转速能迅速回到原稳定平衡点。仿真说明使用ADRC控制器代替PI控制器控制永磁同步电机使得系统具有更好的抵抗负载转矩扰动的能力。 关键词：矢量控制；ADRC；抵抗转矩扰动 0引言 交流永磁伺服电机驱动控制策略研究现状电机控制技术是高性能交流永磁伺服电机驱动器的核心，PMSM作为一个典型的非线性复杂控制对象，具有多变量、强耦合、非线性、变参数等特性，在目前来看，常规的电机调速控制方法主要有矢量控制和直接转矩控制策略。矢量控制(Vector Control， VC)也称为磁场定向控制(Held Oriented Control，FOC)，其基本思路是:通过坐标变换实现模拟直流电机的控制方法来对永磁同步电机进行控制，实现了电机定子电流转矩分量与励磁分量的解耦。VC的目的是为了改善转矩控制性能，从而使驱动系统具有转矩平滑、调速范围宽等特点，是高性能交流伺服驱动系统的主要控制方式。 和VC不同，直接转矩控(Direct Torque Control， DTC)制摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单的通过电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制可以获得比VC更快的动态响应，在对于动态响应要求高的场合具有独特的优势。但DTC要保证实际力矩与给定一致就需根据误差选择驱动器件的开关状态，同时保证电机磁链能够按预定轨迹运行，在转矩和磁链的滞环比较器进行控制时会产生转矩脉动，这样将大大的影响电机的低速性能和系统的稳定性，使得电机的宽调速范围受到严重影响，同时导致位置控制精度降低。 相比之下，VC的电流环能够保证力矩电流迅速跟随实际给定，保证了实际电机力矩需求，同时使得电机的电磁力矩稳定，实际的调速范围更宽，甚至能超低速运行;同时电机所有的电磁转矩都由电枢电流产生，通过对位置环的实时控制，可最终使得电机电流构造的电枢磁场与直轴垂直，同时电机交轴电流与系统控制中的交轴给定量一致，能够实现更优的过载性能，使得电机的启动和制动性能更好，动态响应更快，保证了控制系统的稳定性[1]。 VC这种常规的控制方法主要是针对集中参数的连续时间动态系统，要求控制对象可以量化，对各种量化参数之间的关系能够用微分方程来描述。但是，常规的控制方法对具有高度非线性、不确定性因素，且具有高性能要求的复杂系统时，就难以实现满意的控制品质。将各种控制策略应用于VC中，可获得比标量控制要理想得多的动态控制性能，因此，高性能的伺服电机驱动系统一般都是基于VC技术来进行分析和设计的。 经典的VC技术一般使用PID控制器，而PID控制器由于积分环节的存在而容易出现超调问题，且限制了其动态响应速度，而加入微分后虽然能够使系统不出现超调，但是微分环节对外界未知干扰有放大作用，使得系统的抗干扰能力变差。ADRC[2]。 因此，为了满足高性能交流永磁伺服系统的控制要求， 进一步提高交流永磁伺服驱动系统的动、静态性能，增强系统的鲁棒性和抗扰动能力，本文是在矢量控制策略的基础上采用先进的自抗扰控制算法，充分考虑驱动控制系统与电机性能的匹配性，进一步提高系统控制性能和控制效率。 1永磁同步电机矢量控制 1.1永磁同步电机数学模型 基于磁场定向理论， 忽略PMSM 的磁滞损耗，则同步旋转坐标系中PMSM 的动态数学模型[3]为： (1) 式中，，，分别为定子相电压电流的交直轴分量；为永磁磁同步电机直轴电感；为交轴电感；对于面装式永磁同步电机；为定子电阻；为转子磁链；为转动惯量； 为粘滞摩擦系数；为转子转速；为极对数；为负载转矩；为电磁转矩。 1.2按转子磁场定向矢量控制策略 图1 按转子磁场定向的矢量控制结构框图 电磁转矩的生成可看成是两个磁场相互作用的结果，可认为是由转子磁场与电枢磁场相互作用生成的。电磁转矩可以表达为转子磁链与定子电流矢量乘积： （2） 转子磁链矢量的幅值不变 ，通过控制定子电流矢量的幅值及与转子磁链矢量的夹角，就可以控制电磁转矩的大小，这就是永磁同步电动机以转子磁场定向的矢量控制的原理。 在转子磁场定向的矢量控制中，将两相旋转坐