基于自抗扰的无刷直流电机控制系统研究

基于自抗扰的无刷直流电机控制系统研究

田勇

郑州飞机装备有限责任公司 河南郑州 450005

摘要：自抗扰控制器(ADRC)是在继承经典PID不依赖于对象模型优点的基础上，通过改进经典PID固有缺陷而形成的新型控制器，性能优良并且算法简单。无刷直流电机作为一个非线性系统，采用经典PID控制难以得到满意的控制效果。为了提高控制系统的动态性能和鲁棒性，文中给出了无刷直流电机的自抗扰控制方案。该控制方案不需要精确电机参数就可以实现干扰补偿，控制器的设计也不需要建立电机的精确数学模型。自抗扰控制器利用其内部的扩张状态观测器可以估计出系统的内外扰动，据此将电机等效为由两个非线性系统构成的串联对象，然后设计两个一阶自抗扰控制器实现对电机的内外环控制，内环控制电流，外环控制转速。实验结果表明，自抗扰控制器对电机模型的不确定性和外部扰动变化具有较强的适应性和鲁棒性，控制系统具有优良的动态性能。

关键字：自抗扰、无刷直流电机控制系统、研究

1. 引言

经过二十多年的发展，无刷直流电动机系统已在运动控制领域取得了广泛的应用。其应用不再仅仅局限于传统的工业领域，而且在诸如家用电器、声像设备、电动自行车等民用工业领域，在制造业，诸如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造以及柔性制造系统等领域，以及在军工，诸如雷达、导弹制导、军用武器随动系统等领域，在航天，如卫星姿势控制等领域也日渐得到广泛的应用。随着高磁能积永磁材料的不断涌现，无刷直流电动机正在向大功率方向发展。随着计算机和微电子技术的发展，无刷直流电动机应用现代控制技术进行实时控制得到快速发展，并在某些应用场合实现了无位置传感器控制。现在，无刷直流电动机系统正在逐步实现全软件控制。

2. 无刷直流电动机的研究现状

我国对无刷直流电动机系统的研究起步较晚，80年代以前，国内对方波无刷直流电动机的研究几乎是空白。1987年，北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上，SIEMENS 和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的注意，国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。

目前，国内已有方波无刷直流电动机的系列产品，形成了一定的生产能力。对于正弦波无刷直流电动机，国内目前也有了系列生产厂家。经过20多年的发展，虽然在新产品开发方面缩短了与国际先进水平的差距，但由于无刷直流电动机是集电机、微电子、电力电子、控制、计算机等技术于一身的高科技产品，受到我国基础工业落后的制约，因此无论产量、质量、品种及应用仍然与国际先进水平都有着较大的差距。无刷直流电机的应用前景十分广阔，我国的科研单位正致力于吸收国外先进的技术，开发出具有市场竞争能力的产品。

三、无刷直流电动机研究中存在的主要问题

3.1转矩脉动控制

无刷直流电动机主要应用于高性能运动控制系统，在这些系统中一般要求电机转矩平滑，而无刷直流电动机本身所具有的较大的转矩脉动大大影响了它的使用。无刷直流电动机中存在的转矩脉动也使得实现更精确的位置控制和更高性能的速度控制难度很大，尤其是在直接驱动应用的场合，转矩脉动更为突出。转矩脉动是无刷直流电机在低速运行时的一项十分重要的性能指标，通常高性能伺服系统的低速转矩脉动应小于3%。按照转矩脉动产生的原因，大致分为以下几种问，

（1）齿槽效应和磁通畸变引起的转矩脉动：

假定在方波电动机的任何电枢电流都不存在，定子绕组都处于开路的情况下，当转子旋转时，由于定子齿槽的存在，定子铁心磁阻的变化任会产生磁阻转矩，就是齿槽转矩，齿槽转矩是交变的，与转子的位置有关，因此，它是电动机本身空间和永磁励磁磁场的函数。很多学者深入研究了齿槽效应和磁通畸变引起转矩脉动的问题，并从电动机设计的角度提出了消除和改善方法，收到了很好的效果。

（2）谐波引起的转矩脉动：

在方波电动机中恒定转矩主要是由方波磁链和防波电流相互作用后产生的，但在实际电动机中，输入定子绕组的电流不可能是矩形波，反电动势与理想波形偏差越大，引起的转矩脉动也就越大。

（3)电枢反应引起的转矩脉动：

电枢反应对转矩脉动的影响主要反应在以下两个方面：一是电枢反应使气隙磁场发生畸变，改变了转子永磁体在空载时的方波气隙磁感应强度分布波形。该畸变的磁场于定子通电相绕组相互作用，使电磁转矩随定子、转子相对位置的变化而脉动；二是在任一磁状态下，相对静止的电枢反应磁场与连续旋转的转子主极磁场相互作用而产生的电磁转矩因转子位置的不同而发生变化。为减小电枢反应引起的转矩脉动，电动机应选择瓦形或环形永磁体径向励磁结构，适当增大气隙，另外也可设计磁路使电动机在空载时达到足够饱和。

（4）机械加工引起的转矩脉动：

除了以上几种原因，机械加工和材料的不一致也是引起转矩脉动的重要原因之一。因此，提高工艺水平也是减小转矩脉动的重要方法。针对不同的产生原因，人们分别从电机本体和电机控制系统两方面出发提出了多种转矩脉动控制方法。随着电机设计技术和电机控制技术的不断发展，这方面的研究还会不断深入的进行下去。

3.2无位置传感器控制

无刷直流电动机需要转子位置传感器提供的位置信号来保证定子电流和感应电动势相位的同步。尤其是正弦波电机需要随时提供转子位置信号来控制定子电流。而转子位置传感器使电机结构复杂、体积重量增大、成本增加、可靠性降低。如何不用位置传感器检测或观测转子位置进行电机控制，一直是无刷直流电动机系统研究的热点。较为成熟的无位置传感器位置信号检测方法主要有4类：反电动势法、续流二极管法、电感法和状态观测法。其中“反电动势法”是最常见和应用最为广泛的一种。但这种方法的基本原理是建立在忽略电枢反应影响的前提下的，这在原理上就存在一定误差。因此，研究如何在大功率无刷直流电动机中补偿反电动势法造成的转子位置信号误差，研究如何克服反电动势法中电机起动困难，以及扩大电机调整范围就成为十分重要的课题。而这些问题归根结底是要研究在无位置传感器无刷直流电动机中如何更精确地检测转子位置信号。

近年，随着单片机技术的发展，特别是数字信号处理器的应用和推广，使得位置检测可以通过IC芯片配合适当算法的软件而实现。采用DSP以实现无位置传感器的控制已成为研究热点和趋势。

3.3控制策略研究

无刷直流电动机控制系统是实现高性能控制的关键。采用数字信号处理器（DSP）的数字控制电路在无刷直流电动机控制系统设计中到广泛重视[l。以DSP芯片为核心的控制系统并不是一个纯硬件的控制电路，它必须配合软件系统才能控制无刷直流电动机正常工作，这为控制系统的设计带来更大的灵活性。软件设计就必然涉及到控制算法的研究和应用，以现代控制理论为基础的各种控制算法正得到越来越深入的研究和应用。不同的控制算法将会直接影响控制效果的好坏。因此，研究先进的控制算法就成为设计无刷直流电动机控制系统的一个重要方面。

结束语：

自抗扰控制器的出现为我们解决非线性问题提供了一个新方法，也为控制电机提供了一个新的思路。自抗扰控制器由跟踪微分器、扩张状态观测器、非线性状态误差反馈三部分组成。它是一种不依赖于系统模型的非线性控制器，通过非线性变换，将非线性系统实时动态地转化为线性系统的积分串联型结构，从而实现动态系统的反馈线性化。跟踪微分器的使用可减小系统的初始误差，解决系统响应快速性和超调之间的矛盾，并可根据需要安排给定输入的过渡过程；扩张状态观测器实时估计出系统的各状态变量及其变化趋势，将含未知干扰的非线性不确定性对象化为积分串联型对象进行控制，并利用非线性反馈方法加以补偿，从而给出合适的控制信号。自抗扰控制器具有超调低、收敛速度快、精度高、抗干扰能力强等特点。

参考文献

[1]欧阳名三,闫中文.基于自抗扰的无刷直流电机控制系统研究[J].铜陵学院学报,2020,19(02):102-104+108.

[2]阮世豪. 基于自抗扰控制器的无刷直流电机直接转矩控制系统研究[D].江苏科技大学,2019.