基于自抗擾控制器的異步電機矢量控制

　　（清華大學電機工程與應用電子技術系，北京100084）理論，設計并實現了基于自抗擾控制器的異步電機矢量控制方案。將電機模型中的耦合項及參數攝動視為系統擾動，采用擴張狀態觀測器進行觀測并加以補償，簡化了系統結構，提高了響應速度。為減小運算量，對自抗擾控制器的典型結構作了簡化處理，使控制周期縮短約1/2，提高了實時控制性能。仿真和物理TD通過積分的方法，可得到輸入信號廣義導數的快速跟蹤信號，并且使信噪比有較大的提高；同時在輸入信號階躍跳變時安排過渡過程，可有效降低超調NL-PD采用非光滑反饋方式，使穩態誤差以指數形式成數量級減小，因此可以只用比例和微分環節設計控制器，避免了積分的副作用。

　　ESO通過擴展一維的方法，可實時估計系統的擾動（包括外部干擾和內部模型的不確定性部分），并加以補償，使系統線性化為積分器串聯型結構，簡化了控制對象，便于提高控制性能其中：可見，轉子磁鏈j完全受控于isd，若保持j不變，則電機的電磁轉矩正比于isq，磁鏈和轉矩實現了解耦定子電壓方程中存在isd與“的交叉耦合，給控制帶來一定難度。

　　利用ADRC的特點，系統中的交叉耦合項以及參數不準確導致的模型誤差均可歸于模型擾動，可采用ESO進行觀測和補償為了使電機運行過程中不致過流，必須對勵磁電流和轉矩電流進行限幅控制，因此采用所示的轉子磁場定向雙閉環控制方案，即采用4個控制器分別調節。

　　另外，在電機運行過程中，受溫升影響，轉子電阻是變化最大的電機參數，對系統性能影響也最大針對這些模型擾動，以磁通調節為例，可建立其ESO模型，如下式所示：其中：fr為ESO觀測得到的轉子磁鏈幅值；iSd為磁鏈調節的輸入控制量，也是d軸電流調節的給定值；Rr為程序設定的轉子電阻值；Z0為參數攝動導致系統擾動的觀測值。

　　沒有磁鏈微分輸出；TD相應只起到濾波的作用，避免給定值突變引起超調，因此用普通的濾波環節代替；NL-PD也只需比例P參與調節相比于帶有非線性微分調節的典型ADRC模型，簡化的系統結構簡單，計算量減小約1/2，響應速度快，可達到很好的實際控制性能同樣的，可以建立其他環節的ADRC模型，如下式所示上述模型考慮了盡可能多的已知項，其他難于處理的耦合項及參數擾動項歸于系統擾動，并加以觀測這樣，采用四個一階ADRC實現了轉子磁場定向矢量控制的轉速與磁通雙環調節。系統結構比較簡單，同時考慮了定子電壓方程耦合項，以及模型參數變化的影響，魯棒性較強2數字仿真與物理仿真結果表明，相對于傳統的PI調節器控制方式，ADRC調節速度比較快，動態速降較低，而且無超調，表明后者具有更強的阻尼力和更大的穩定裕量2.2物理電機運行于45Hz，如果突加負載，轉矩電流及電壓會達到限幅值，對動態調節有一定的影響。因此，為顯示系統對過程為宜，如所示。另外，為驗證系統的參數魯棒性，實驗考察了轉子電阻的變化對控制性能的影響。考慮電機溫度的變化范圍，轉子電阻的變化一般不超過原值的40%而定量變動轉子電阻的實際值難以實現，因此實驗時采用參數相對攝動原理，通過改變控制器中轉子電阻設定值來近似實際值攝動。bc分別為轉子電阻設定值為實際值的60%和140%情況下的實驗波形自抗擾控制系統負載突卸實驗波形實驗結果表明，系統空載啟動快速無超調負載突卸（7（%額定負載）的情況下，動態速升約為額定轉速的0.%，而相同負載情況下，基于PI調節器的控制系統動態速升的典型值為2%~3%自抗擾控制系統具有較好的動態性能同時，轉子電阻的變化對系統的抗擾性能及阻尼力基本無影響，魯棒性較強3結論本文將自抗擾控制理論應用于異步電機轉子磁場定向矢量控制，設計了簡化的自抗擾控制器，實現磁鏈和轉矩的快速調節與常規的PI調節器相比，自抗擾控制器可有效地觀測出系統的模型擾動并加以前饋補償，提高了系統的響應速度；同時配合非線性的調節方式，有效解決了一般線性調節器存在的快速性與超調之間的矛盾。仿真與實驗結果表明，該控制系統具有優異的動態控制性能，而且參數魯棒性較強。