基于自抗扰控制器的异步电机矢量控制

　　（清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084）理论，设计并实现了基于自抗扰控制器的异步电机矢量控制方案。将电机模型中的耦合项及参数摄动视为系统扰动，采用扩张状态观测器进行观测并加以补偿，简化了系统结构，提高了响应速度。为减小运算量，对自抗扰控制器的典型结构作了简化处理，使控制周期缩短约1/2，提高了实时控制性能。仿真和物理TD通过积分的方法，可得到输入信号广义导数的快速跟踪信号，并且使信噪比有较大的提高；同时在输入信号阶跃跳变时安排过渡过程，可有效降低超调NL-PD采用非光滑反馈方式，使稳态误差以指数形式成数量级减小，因此可以只用比例和微分环节设计控制器，避免了积分的副作用。

　　ESO通过扩展一维的方法，可实时估计系统的扰动（包括外部干扰和内部模型的不确定性部分），并加以补偿，使系统线性化为积分器串联型结构，简化了控制对象，便于提高控制性能其中：可见，转子磁链j完全受控于isd，若保持j不变，则电机的电磁转矩正比于isq，磁链和转矩实现了解耦定子电压方程中存在isd与“的交叉耦合，给控制带来一定难度。

　　利用ADRC的特点，系统中的交叉耦合项以及参数不准确导致的模型误差均可归于模型扰动，可采用ESO进行观测和补偿为了使电机运行过程中不致过流，必须对励磁电流和转矩电流进行限幅控制，因此采用所示的转子磁场定向双闭环控制方案，即采用4个控制器分别调节。

　　另外，在电机运行过程中，受温升影响，转子电阻是变化最大的电机参数，对系统性能影响也最大针对这些模型扰动，以磁通调节为例，可建立其ESO模型，如下式所示：其中：fr为ESO观测得到的转子磁链幅值；iSd为磁链调节的输入控制量，也是d轴电流调节的给定值；Rr为程序设定的转子电阻值；Z0为参数摄动导致系统扰动的观测值。

　　没有磁链微分输出；TD相应只起到滤波的作用，避免给定值突变引起超调，因此用普通的滤波环节代替；NL-PD也只需比例P参与调节相比于带有非线性微分调节的典型ADRC模型，简化的系统结构简单，计算量减小约1/2，响应速度快，可达到很好的实际控制性能同样的，可以建立其他环节的ADRC模型，如下式所示上述模型考虑了尽可能多的已知项，其他难于处理的耦合项及参数扰动项归于系统扰动，并加以观测这样，采用四个一阶ADRC实现了转子磁场定向矢量控制的转速与磁通双环调节。系统结构比较简单，同时考虑了定子电压方程耦合项，以及模型参数变化的影响，鲁棒性较强2数字仿真与物理仿真结果表明，相对于传统的PI调节器控制方式，ADRC调节速度比较快，动态速降较低，而且无超调，表明后者具有更强的阻尼力和更大的稳定裕量2.2物理电机运行于45Hz，如果突加负载，转矩电流及电压会达到限幅值，对动态调节有一定的影响。因此，为显示系统对过程为宜，如所示。另外，为验证系统的参数鲁棒性，实验考察了转子电阻的变化对控制性能的影响。考虑电机温度的变化范围，转子电阻的变化一般不超过原值的40%而定量变动转子电阻的实际值难以实现，因此实验时采用参数相对摄动原理，通过改变控制器中转子电阻设定值来近似实际值摄动。bc分别为转子电阻设定值为实际值的60%和140%情况下的实验波形自抗扰控制系统负载突卸实验波形实验结果表明，系统空载启动快速无超调负载突卸（7（%额定负载）的情况下，动态速升约为额定转速的0.%，而相同负载情况下，基于PI调节器的控制系统动态速升的典型值为2%~3%自抗扰控制系统具有较好的动态性能同时，转子电阻的变化对系统的抗扰性能及阻尼力基本无影响，鲁棒性较强3结论本文将自抗扰控制理论应用于异步电机转子磁场定向矢量控制，设计了简化的自抗扰控制器，实现磁链和转矩的快速调节与常规的PI调节器相比，自抗扰控制器可有效地观测出系统的模型扰动并加以前馈补偿，提高了系统的响应速度；同时配合非线性的调节方式，有效解决了一般线性调节器存在的快速性与超调之间的矛盾。仿真与实验结果表明，该控制系统具有优异的动态控制性能，而且参数鲁棒性较强。