自抗扰控制器在同步电机调速系统中的应用

D0I:10.13374/.issn1001-053x.2012.01.017 第34卷第1期 北京科技大学学报 Vol.34 No.1 2012年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2012 自抗扰控制器在同步电机调速系统中的应用 彭露群)四解仑)李崇坚2》 巩潇”孙铁》 1)北京科技大学计算机与通信工程学院，北京1000832)北京科技大学自动化学院，北京100083 区通信作者，E-mail:pengluqin@126.com 摘要针对同步电机磁场定向控制系统受负载扰动、电机参数变化影响问题，将自抗扰控制器(ADRC)应用于调速系统中 为解决传统磁链观测器存在的直流偏置和依赖电机参数的问题，提出了基于ADRC的磁链观测器.仿真结果表明：ADRC对 负载扰动和参数变化具有较强的鲁棒性，并且响应速度快、超调小，具有优良的稳态和动态性能：改进后的磁链观测器能有效 抑制直流偏置和参数变化带来的影响，提高磁链的观测精度 关键词同步电机：矢量控制：自抗扰控制器(ADRC):磁链观测器：鲁棒性 分类号TM341:TP273 Application of active disturbance rejection controllers to the adjusting speed sys- tem of synchronous motors PENG Lu-qun"☒，XIE Lun》,LI Chong-jian?,GONG Xiao'',SUN Tie 1)School of Computer and Communication Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Automation,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:pengluqin@126.com ABSTRACT In order to deal with the negative effects of load disturbances and parametric perturbation on the field oriented control system of synchronous motors,an active disturbance rejection controller (ADRC)was transplanted into the speed control of synchro- nous motors.A novel flux observer based on ADRC was proposed to solve the problems such as the direct current bias and parametric perturbation of conventional flux observers.Simulation results show that the ADRC ensures very good robustness to load disturbances and parameter variation with fast response,small overshoot,and good static and dynamic performances.The improved flux observer not only restrains effectively the direct current bias and parametric perturbation,but enhances the precision of the flux. KEY WORDS synchronous motors;vector control:active disturbance rejection controllers (ADRC):flux observers:robustness 同步电机以其效率高、功率因数可调等优点，在 得到许多研究并且取得很好的效果⑧).文献8] 工业生产机械传动，特别是在大功率传动，如轧钢 和⑨]分别提出了永磁同步电机位置伺服自抗扰控 机、矿井提升机、船舶推进以及牵引传动中得到广泛 制系统和调速自抗扰控制系统，提高了系统的鲁棒 应用口.同步电机是一个强耦合的非线性系统，并 性，但只对速度环设计了自抗扰控制器(active dis- 且存在负载扰动、参数变化等不确定因素，直接对其 turbance rejection controller,ADRC).文献lO]对永 进行控制难度很大，通过矢量变换可以简化其模 磁同步电机设计了二阶自抗扰控制器，并验证了二 型回，但传统的P矢量控制抗干扰和参数变化的性 阶ADRC比一阶具有更强的抗干扰性. 能比较差，系统鲁棒性不够理想 在矢量控制系统中，磁链的检测非常关键，能否 为了提高控制系统性能，目前许多非线性控制 准确地进行检测将直接影响系统的控制精度.传统 算法应用到电机控制领域-习.自抗扰控制不依赖 的电压模型存在直流偏置和受参数变化影响的问 系统模型，是不确定系统有效实用的控制器，近年来 题，使观测的磁链产生较大的误差回. 收稿日期：201105-12 基金项目：国家自然科学基金资助项目(61170115)：中央高校基本科研业务费专项(FRF-BRO9-023B)

第 34 卷 第 1 期 2012 年 1 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 1 Jan． 2012 自抗扰控制器在同步电机调速系统中的应用 彭露群1) 解 仑1) 李崇坚2) 巩 潇1) 孙 铁2) 1) 北京科技大学计算机与通信工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学自动化学院，北京 100083 通信作者，E-mail: pengluqin@ 126． com 摘 要 针对同步电机磁场定向控制系统受负载扰动、电机参数变化影响问题，将自抗扰控制器( ADRC) 应用于调速系统中． 为解决传统磁链观测器存在的直流偏置和依赖电机参数的问题，提出了基于 ADRC 的磁链观测器． 仿真结果表明: ADRC 对 负载扰动和参数变化具有较强的鲁棒性，并且响应速度快、超调小，具有优良的稳态和动态性能; 改进后的磁链观测器能有效 抑制直流偏置和参数变化带来的影响，提高磁链的观测精度． 关键词 同步电机; 矢量控制; 自抗扰控制器( ADRC) ; 磁链观测器; 鲁棒性 分类号 TM341; TP273 Application of active disturbance rejection controllers to the adjusting speed sys￾tem of synchronous motors PENG Lu-qun1) ，XIE Lun1) ，LI Chong-jian2) ，GONG Xiao 1) ，SUN Tie 2) 1) School of Computer and Communication Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Automation，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: pengluqin@ 126． com ABSTRACT In order to deal with the negative effects of load disturbances and parametric perturbation on the field oriented control system of synchronous motors，an active disturbance rejection controller ( ADRC) was transplanted into the speed control of synchro￾nous motors． A novel flux observer based on ADRC was proposed to solve the problems such as the direct current bias and parametric perturbation of conventional flux observers． Simulation results show that the ADRC ensures very good robustness to load disturbances and parameter variation with fast response，small overshoot，and good static and dynamic performances． The improved flux observer not only restrains effectively the direct current bias and parametric perturbation，but enhances the precision of the flux． KEY WORDS synchronous motors; vector control; active disturbance rejection controllers ( ADRC) ; flux observers; robustness 收稿日期: 2011--05--12 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 61170115) ; 中央高校基本科研业务费专项( FRF--BR--09--023B) 同步电机以其效率高、功率因数可调等优点，在 工业生产机械传动，特别是在大功率传动，如轧钢 机、矿井提升机、船舶推进以及牵引传动中得到广泛 应用［1］． 同步电机是一个强耦合的非线性系统，并 且存在负载扰动、参数变化等不确定因素，直接对其 进行控制难度很大，通过矢量变换可以简化其模 型［2］，但传统的 PI 矢量控制抗干扰和参数变化的性 能比较差，系统鲁棒性不够理想． 为了提高控制系统性能，目前许多非线性控制 算法应用到电机控制领域［3--7］． 自抗扰控制不依赖 系统模型，是不确定系统有效实用的控制器，近年来 得到许多研究并且取得很好的效果［8--13］． 文献［8］ 和［9］分别提出了永磁同步电机位置伺服自抗扰控 制系统和调速自抗扰控制系统，提高了系统的鲁棒 性，但只对速度环设计了自抗扰控制器( active dis￾turbance rejection controller，ADRC) ． 文献［10］对永 磁同步电机设计了二阶自抗扰控制器，并验证了二 阶 ADRC 比一阶具有更强的抗干扰性． 在矢量控制系统中，磁链的检测非常关键，能否 准确地进行检测将直接影响系统的控制精度． 传统 的电压模型存在直流偏置和受参数变化影响的问 题，使观测的磁链产生较大的误差［2］． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.01.017

·108 北京科技大学学报 第34卷 本文结合气隙磁场定向矢量控制方法，将 2.2速度环、电流环控制器设计 ADRC应用于同步电机交一交变频调速系统当中，并 本文同步电机转速采用二阶ADRC,定子磁化 分别对电机转速和气隙磁链观测器进行了ADRC 电流采用一阶ADRC.在气隙磁链定向的矢量控制 设计.仿真结果表明，ADRC能抑制负载扰动、参数 中，取imi.和w为状态变量，由式(1)可知， 变化对转速的影响，具有较强的鲁棒性，系统响应速 1 度快、超调小，具有优良的稳态和动态性能.通过仿 。+w。, (2) 真验证了改进后的磁链观测器的有效性. 1R. U- (3) L La 1 同步电机数学模型 (4) 同步电机在气隙磁链定向控制下的数学模 由式(4)可知，若气隙磁链保持不变，则转速由 型回如下： 力矩电流i控制.对式(4)两边求导可得 usm =Rism +Lapism +py's -oLais us=R is+Lapis +oLaim +os u-La J\L 山=(R+pLa)i+p吵d, (1) 令a1(t)=- 1 T。=功sia, in-刚s+oia,a(t)= La do_T。T =了-了 式中，umuu为定子电压m轴和t轴分量，imiu为定 (2)和(5)改写为 子电流m轴和t轴分量，i4为转子励磁电流，R.为定 「im=a1(t）+bun, (6) 子电阻，R为转子励磁绕组电阻，L:为定子绕组漏 a=a2(t）+b2u. 感系数，山：为气隙磁链，ω为转子旋转角速度，T。为 根据式(6)对电机转速、磁化电流进行ADRC 电磁转矩，La为励磁绕组漏感系数，中6：为轴气隙磁 设计.根据自抗扰控制原理，设计过程如下. 链，J为转动惯量，T为负载转矩 (1)磁化电流控制器跟踪磁化电流。给定= 0,对给定速度n和磁化电流设计跟踪微分器， 2 同步电机自抗扰控制器设计 安排过渡过程分别为n,和i形式如下： 2.1自抗扰控原理 「n1=n2 对带有未知扰动的不确定对象，自抗扰控制器 结构如图1所示 =-g(n,-n+Xn） 2r (7)） ia=ia' 被控 对象 2r 式中，当1i在加速度限制1i.|≤r、|i1|≤r2之 下，将最快地分别跟踪输入信号n和，且1和r2 越大跟踪的越快 图1自抗扰控制器结构图 (2)对实际转速、磁化电流设计线性扩张状态 Fig.1 Block diagram of ADRC 观测器如下： e1 =2nl-n, 图1中，跟踪微分器（tracking-differentiator, in=22-Bme, TD)的作用是安排过渡过程，得到输入信号并给出 i2=2n3-Be1 +bauu 其微分信号，扩张状态观测器(extended state observ- er,ES0)给出对象状态变量1，a2,…,zn和系统扰 2n3=-Bms' (8) 动的估计zn+1,非线性校正环节(nonlinear state error e2 =Zil -ism' feedback,NLSEF)对状态误差信号s1,s2,,en进 in=z2-Bae2 +bum 行非线性组合来生成控制信号的 =-Bae2

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 本文结 合 气 隙 磁 场 定 向 矢 量 控 制 方 法，将 ADRC应用于同步电机交--交变频调速系统当中，并 分别对电机转速和气隙磁链观测器进行了 ADRC 设计． 仿真结果表明，ADRC 能抑制负载扰动、参数 变化对转速的影响，具有较强的鲁棒性，系统响应速 度快、超调小，具有优良的稳态和动态性能． 通过仿 真验证了改进后的磁链观测器的有效性． 1 同步电机数学模型 同步电机在气 隙 磁 链 定 向 控 制 下 的 数 学 模 型［2］如下: usm = Rsism + Lslpism + pψδ － ωLsl ist， ust = Rsist + Lslpist + ωLsl ism + ωψδ， uf = ( Rf + pLfl ) if + pψδd， Te = ψδ ·ist， dω dt = Te J － Tl J          ． ( 1) 式中，usm、ust为定子电压 m 轴和 t 轴分量，ism、ist为定 子电流 m 轴和 t 轴分量，if 为转子励磁电流，Rs 为定 子电阻，Rf 为转子励磁绕组电阻，Lsl为定子绕组漏 感系数，ψδ 为气隙磁链，ω 为转子旋转角速度，Te 为 电磁转矩，Lfl为励磁绕组漏感系数，ψδd为轴气隙磁 链，J 为转动惯量，Tl 为负载转矩． 2 同步电机自抗扰控制器设计 2. 1 自抗扰控原理 对带有未知扰动的不确定对象，自抗扰控制器 结构如图 1 所示［14］． 图 1 自抗扰控制器结构图 Fig． 1 Block diagram of ADRC 图 1 中，跟 踪 微 分 器 ( tracking-differentiator， TD) 的作用是安排过渡过程，得到输入信号并给出 其微分信号，扩张状态观测器( extended state observ￾er，ESO) 给出对象状态变量 z1，z2，…，zn 和系统扰 动的估计 zn + 1，非线性校正环节( nonlinear state error feedback，NLSEF) 对状态误差信号 ε1，ε2，…，εn 进 行非线性组合来生成控制信号［15］． 2. 2 速度环、电流环控制器设计 本文同步电机转速采用二阶 ADRC，定子磁化 电流采用一阶 ADRC． 在气隙磁链定向的矢量控制 中，取 ism、ist和 ω 为状态变量，由式( 1) 可知， i · sm = 1 Lsl usm － Rs Lsl ism － 1 Lsl pψδ + ωist， ( 2) i · st = 1 Lsl ust － Rs Lsl ist － ωism － ω Lsl ψδ， ( 3) ω · = ψδ J ist － Tl J ． ( 4) 由式( 4) 可知，若气隙磁链保持不变，则转速由 力矩电流 ist控制． 对式( 4) 两边求导可得 ω ·· = ψδ J i · st = ψδ ( J 1 Lsl ust － Rs Lsl ist － ωism － ω Lsl ψδ ) ． ( 5) 令 a1 ( t ) = － Rs Lsl ism － 1 Lsl pψδ + ωist，a2 ( t ) = ψδ ( J － Rs Lsl ist － ωism － ω Lsl ψδ ) ，b1 = 1 Lsl ，b2 = ψδ JLsl ，则式 ( 2) 和( 5) 改写为 i · sm = a1 ( t) + b1 usm， ω ·· = a2 ( t) + b2 ust { ． ( 6) 根据式( 6) 对电机转速、磁化电流进行 ADRC 设计． 根据自抗扰控制原理，设计过程如下． ( 1) 磁化电流控制器跟踪磁化电流． 给定 i * sm = 0，对给定速度 n* 和磁化电流 i * sm设计跟踪微分器， 安排过渡过程分别为 n1 和 isl形式如下: n · 1 = n2， n · 2 = － r2 ( sgn n1 － n* + n2 × | n2 | 2r ) 2 ， i · s1 = is2， i · s2 = － r1 ( sgn is1 － i * sm + is2 × | is2 | 2 ) r          ． ( 7) 式中，当 n1、is1在加速度限制 | i ·· s | ≤r1、| n ·· 1 | ≤r2 之 下，将最快地分别跟踪输入信号 n* 和 i * sm，且 r1 和 r2 越大跟踪的越快． ( 2) 对实际转速、磁化电流设计线性扩张状态 观测器如下: e1 = zn1 － n， z · n1 = zn2 － βn1 e， z · n2 = zn3 － βn2 e1 + b2 ust， z · n3 = － βn3， e2 = zi1 － ism， z · i1 = zi2 － βi1 e2 + b1 usm， z · i2 = － βi2 e2            ． ( 8) ·108·

第1期 彭露群等：自抗扰控制器在同步电机调速系统中的应用 ·109· 为了对实际转速、磁化电流的状态进行估计， i1、为实际转速，磁化电流的近似微分，三ai2为 b,=6,=云，则式(13)可写成 未知扰动a2(t)、a,(t)的估计值，um、uu为电机定子 ria=a3(t）+b3Ea, 侧m、t坐标系下的两个控制电压分量，BnB2B、 (14) ig=a (t)+baEg Ba和B2为五个可调参数. 根据式(14)分别对a轴和B轴电流进行ADRC (3)本文采用如下形式设计同步电机的状态误 设计，具体过程与定子磁化电流控制器设计一样，在 差反馈控制率： 此不作详述 [u0=ka(za-i）, 3仿真结果及分析 22 Um umoby' (9) 为了验证自抗扰控制器的性能，本文在PSIM u0=knl（za-n1）+k2(z2-n2）, 仿真软件中搭建了同步电机交一交变频自抗扰控制 调速系统仿真模型，系统框图如图2所示.仿真选 用额定功率2500kW,额定电压1650V,额定电流 2.3转子励磁控制器设计 980A,额定频率6.67Hz,极对数为4的同步电机. 为了保持气隙磁链恒定，转子侧励磁电流需要 响应定子电流力矩分量的变化 由式(1)可知 n二阶ADRC 西H 1R. 1 旋转 2/3 (10) 变换 少换 K回书 一阶ADRC *四 令a(t)=- R.1 1 云-必u,6。=6=则式(10可 P/K 串联低通滤波器 一阶ADRC 化为 0①-S i,=a(t）+bo (11) 4青A网言 根据式(11)对转子励磁电流进行ADRC设计， 设计过程与定子磁化电流控制器设计一样，在此不 图2同步电机自抗扰控制框图 Fig.2 Frame of ADRC for synchronous motors 作详述 2.4气隙磁链观测器设计 图3是在给定转速为100rmin-1下，电机从空 根据同步电机基本方程，可得出同步电机αB 载启动到稳态，2s时突加240kN·m负载分别用PI 轴上磁链方程： 控制器和ADRC得到的电机转速波形.经测量：采 用PI控制器时，调节时间为56ms,速降为4%，在加 速启动阶段初期有点波动：采用ADRC时，调节时 didt e=∫Ed=∫(ue-R,ie-La） 间为37ms,速降为1.3%.可见，ADRC比PI控制速 降更小，恢复时间更短，ADRC对负载扰动有更好的 (12) 抑制效果. 从上式可知，气隙磁链受电机参数R,和L的 120 影响，并且存在纯积分环节，微小的直流偏移误差和 100 初始值误差都将最终导致积分饱和，使观测的磁链 80 一PI 产生较大的误差. ADRC 由式(12)可得 404 204 0 Sa= L 20 0.5 1.01.5 2.02.53.0 (13) 时间s 图3速度响应曲线 ()a(ig) 令a,0= Fig.3 Response curves of rotor speed 图4系统在参数变化前后得到的速度响应曲

第 1 期 彭露群等: 自抗扰控制器在同步电机调速系统中的应用 为了对实际转速、磁化电流的状态进行估计， z · n1、z · i1为实际转速、磁化电流的近似微分，z · n3、z · i2为 未知扰动 a2 ( t) 、a1 ( t) 的估计值，usm、ust为电机定子 侧 m、t 坐标系下的两个控制电压分量，βn1、βn2、βn3、 βi1和 βi2为五个可调参数． ( 3) 本文采用如下形式设计同步电机的状态误 差反馈控制率: usm0 = ki1 ( zi1 － is1 ) ， usm = usm0 － zi2 b1 ， ust0 = kn1 ( zn1 － n1 ) + kn2 ( zn2 － n2 ) ， ust = ust0 － zn3 b2          ． ( 9) 2. 3 转子励磁控制器设计 为了保持气隙磁链恒定，转子侧励磁电流需要 响应定子电流力矩分量 ist的变化． 由式( 1) 可知 i · f = 1 Lfl uf － Rf Lfl if － 1 Lfl pψδd ． ( 10) 令 a0 ( t) = － Rf Lfl if － 1 Lfl pψδd，b0 = b1 = 1 Lsl ，则式( 10) 可 化为 i · f = a0 ( t) + b0 ． ( 11) 根据式( 11) 对转子励磁电流进行 ADRC 设计， 设计过程与定子磁化电流控制器设计一样，在此不 作详述． 2. 4 气隙磁链观测器设计 根据同步电机基本方程，可得出同步电机 α、β 轴上磁链方程: ψδα = ∫Eα dt = ∫( usα － Rsisα － Lsl disα d ) t dt， ψδβ = ∫Eβ dt = ∫( usβ － Rsisβ － Lsl disβ d ) t { dt． ( 12) 从上式可知，气隙磁链受电机参数 Rs 和 Lsl的 影响，并且存在纯积分环节，微小的直流偏移误差和 初始值误差都将最终导致积分饱和，使观测的磁链 产生较大的误差． 由式( 12) 可得 i · sα = － Eα Lsl + usα Lsl － Rs Lsl isα， i · sβ = － Eβ Lsl + usβ Lsl － Rs Lsl i { sβ ． ( 13) 令 a3 ( t) = 1 Lsl ( usα － Rsisα ) ，a4 ( t) = 1 Lsl ( usβ － Rsisβ ) ， b3 = b4 = － 1 Lsl ，则式( 13) 可写成 i · sα = a3 ( t) + b3Eα， i · sβ = a4 ( t) + b4Eβ { ． ( 14) 根据式( 14) 分别对 α 轴和 β 轴电流进行 ADRC 设计，具体过程与定子磁化电流控制器设计一样，在 此不作详述． 3 仿真结果及分析 为了验证自抗扰控制器的性能，本文在 PSIM 仿真软件中搭建了同步电机交--交变频自抗扰控制 调速系统仿真模型，系统框图如图 2 所示． 仿真选 用额定功率 2 500 kW，额定电压 1 650 V，额定电流 980 A，额定频率 6. 67 Hz，极对数为 4 的同步电机． 图 2 同步电机自抗扰控制框图 Fig． 2 Frame of ADRC for synchronous motors 图 3 是在给定转速为 100 r·min － 1 下，电机从空 载启动到稳态，2 s 时突加 240 kN·m 负载分别用 PI 控制器和 ADRC 得到的电机转速波形． 经测量: 采 用 PI 控制器时，调节时间为 56 ms，速降为 4% ，在加 速启动阶段初期有点波动; 采用 ADRC 时，调节时 间为37 ms，速降为1. 3% ． 可见，ADRC 比 PI 控制速 降更小，恢复时间更短，ADRC 对负载扰动有更好的 抑制效果． 图 3 速度响应曲线 Fig． 3 Response curves of rotor speed 图 4 系统在参数变化前后得到的速度响应曲 ·109·

·110 北京科技大学学报 第34卷 线.给定转速100r·min,电机定子电阻增大 数变化有较好的抑制效果. 50%,定子漏抗增大50%，同时2s突加240000N·M 120 额定负载.可以看出，加载瞬间有微小波动，但并未 100 对系统的稳态和动态性能性能造成影响.说明 80H ADRC对参数变化具有较强的鲁棒性. 参数变化前 40 参数变化后 图5为系统在参数变化前后得到的气隙磁链仿 20 真波形.给定转速为100rmim-1,在1.5s时电机定 0 子电阻增大50%，定子漏抗增大50%.可以看出， 20% 0.5 1.0152.02.53.0 时间/s 改进模型得到的磁链没有直流漂移，在参数改变瞬 图4ADRC速度响应曲线对比 间，磁链波形只有微小相移，而电压模型得到的磁链 有较大相移.说明改进磁链观测器对直流偏置和参 Fig.4 Comparison between the speed curves of ADRC ARDC 电压模型 9 10r 电压模型 ADCR 0 0 0 6 -5 0 1.2 14 1.6 1.8 2.0 100 0 10 -10106-226 时间/s /kWh 9.k 图5磁链仿真波形.(a)波形对比：(b)传统模型：(c)改进模型 Fig.5 Simulation waveforms of fluxes:(a)waveform comparison:(b)traditional observer;(c)improved observer 跟踪控制.电气自动化，2006,28(2)：18) 4结论 [5]Ji ZC,Xue H.Shen Y X.Study on passivity-ased control strate- gies of induction motor.Trans China Electrotech Soc,2005,20 本文将ADRC应用于同步电机磁场定向控制 (3):1 调速系统当中，实现同步电机的自抗扰控制，提出气 (纪志成，薛花，沈艳霞.感应电动机无源性控制方法研究。电 隙磁链自抗扰观测模型.仿真结果表明：基于ADRC 工技术学报，2005,20(3)：1) 的调速系统响应速度快，超调小，具有优良的稳态和 [6] Liu D L,Wang J J,Zhao GZ.Back-stepping control and its ap- 动态性能，对负载扰动、参数变化具有较好的鲁棒 plication of PMSM.Electr Drire,2005,35(6):39 性；通过ADRC磁链观测器得到的磁链精度高，很 (刘栋良，王家军，赵光宙.永磁同步电动机调速中的反推控 制.电气传动，2005,35(6)：39) 好地消除直流偏置和电机参数摄动带来的影响 7]Li Y,He F Y,Tan G J.Study on variable structure sliding mode control with back-stepping for doubly-fed motor system.Electr 参考文献 Mach Control,2009,13(Suppl 1)15 Zhou E L,Fu X,Zong W L,et al.The DTC study of electrically (李渊，何凤有，谭国俊.双馈电机系统滑模变结构反演控制 excited synchronous motor based on SVM.World Inrerters,2010 的研究.电机与控制学报，2009,13（增刊1）：15) (8):47 8] Sun K,Xu Z L,Gai K,et al.Novel position controller of PMSM (周二磊，符晓，宗伟林，等.基于空间矢量调制的电励磁同步 servo system based on active-isturbance rejection.Proc 电机DT℃研究.变频器世界，2010(8)：47) CSEE,2007,27(15):43 ]LiC J.Adjusting Speed System of Synchronous Machine.Beijing: (孙凯，许镇林，盖廓，等.基于自抗扰控制器的永磁同步电机 Science Press,2006 位置伺服系统.中国电机工程学报，2007,27(15)：43) (李崇坚.交流同步电机调速系统.北京：科学出版社，2006) 9] Liu Z G,Li S H.Active disturbance rejection controller based on B3]Jia H P,Sun D,He Y K.The PMSM DTC based on variable permanent magnetic synchronous motor model identification and structure sliding mode.Proc CSEE,2006,26 (20):134 compensation.Proc CSEE,2008,28(24):118 (贾洪平，孙丹，贺益康.基于滑模变结构的永磁同步电机直 (刘志刚，李世华.基于永磁同步电机模型辨识与补偿的自抗 接转矩控制.中国电机工程学报，2006,26(20)：134) 扰控制器.中国电机工程学报，2008,28(24)：118) Liu D L,Zhao G Z.Speed tracking control of PMSM based on di- [10]Liu Z G.Li S H.A two-order active disturbance rejection control rect feedback linearization.Electr Drive Autom Control,2006,28 algorithm for permanent magnetic synchronous motor /Proceed- (2):18 ings of the 26th Chinese Control Conference.Zhangjiajie,2007: (刘栋良，赵光宙.基于直接反馈线性化的永磁同步电机速度 68

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 线． 给 定 转 速 100 r·min － 1 ，电机定子电阻增大 50% ，定子漏抗增大 50% ，同时 2 s 突加 240000 N·M 额定负载． 可以看出，加载瞬间有微小波动，但并未 对系统的稳态和动态性能性能造成影响． 说 明 ADRC对参数变化具有较强的鲁棒性． 图 5 为系统在参数变化前后得到的气隙磁链仿 真波形． 给定转速为 100 r·min － 1 ，在 1. 5 s 时电机定 子电阻增大 50% ，定子漏抗增大 50% ． 可以看出， 改进模型得到的磁链没有直流漂移，在参数改变瞬 间，磁链波形只有微小相移，而电压模型得到的磁链 有较大相移． 说明改进磁链观测器对直流偏置和参 数变化有较好的抑制效果． 图 4 ADRC 速度响应曲线对比 Fig． 4 Comparison between the speed curves of ADRC 图 5 磁链仿真波形． ( a) 波形对比; ( b) 传统模型; ( c) 改进模型 Fig． 5 Simulation waveforms of fluxes: ( a) waveform comparison; ( b) traditional observer; ( c) improved observer 4 结论 本文将 ADRC 应用于同步电机磁场定向控制 调速系统当中，实现同步电机的自抗扰控制，提出气 隙磁链自抗扰观测模型． 仿真结果表明: 基于ADRC 的调速系统响应速度快，超调小，具有优良的稳态和 动态性能，对负载扰动、参数变化具有较好的鲁棒 性; 通过 ADRC 磁链观测器得到的磁链精度高，很 好地消除直流偏置和电机参数摄动带来的影响． 参 考 文 献 ［1］ Zhou E L，Fu X，Zong W L，et al． The DTC study of electrically excited synchronous motor based on SVM． World Inverters，2010 ( 8) : 47 ( 周二磊，符晓，宗伟林，等． 基于空间矢量调制的电励磁同步 电机 DTC 研究． 变频器世界，2010( 8) : 47) ［2］ Li C J． Adjusting Speed System of Synchronous Machine． Beijing: Science Press，2006 ( 李崇坚． 交流同步电机调速系统． 北京: 科学出版社，2006) ［3］ Jia H P，Sun D，He Y K． The PMSM DTC based on variable structure sliding mode． Proc CSEE，2006，26( 20) : 134 ( 贾洪平，孙丹，贺益康． 基于滑模变结构的永磁同步电机直 接转矩控制． 中国电机工程学报，2006，26( 20) : 134) ［4］ Liu D L，Zhao G Z． Speed tracking control of PMSM based on di￾rect feedback linearization． Electr Drive Autom Control，2006，28 ( 2) : 18 ( 刘栋良，赵光宙． 基于直接反馈线性化的永磁同步电机速度 跟踪控制． 电气自动化，2006，28( 2) : 18) ［5］ Ji Z C，Xue H，Shen Y X． Study on passivity-based control strate￾gies of induction motor． Trans China Electrotech Soc，2005，20 ( 3) : 1 ( 纪志成，薛花，沈艳霞． 感应电动机无源性控制方法研究． 电 工技术学报，2005，20( 3) : 1) ［6］ Liu D L，Wang J J，Zhao G Z． Back-stepping control and its ap￾plication of PMSM． Electr Drive，2005，35( 6) : 39 ( 刘栋良，王家军，赵光宙． 永磁同步电动机调速中的反推控 制． 电气传动，2005，35( 6) : 39) ［7］ Li Y，He F Y，Tan G J． Study on variable structure sliding mode control with back-stepping for doubly-fed motor system． Electr Mach Control，2009，13( Suppl 1) : 15 ( 李渊，何凤有，谭国俊． 双馈电机系统滑模变结构反演控制 的研究． 电机与控制学报，2009，13( 增刊 1) : 15) ［8］ Sun K，Xu Z L，Gai K，et al． Novel position controller of PMSM servo system based on active-disturbance rejection controller． Proc CSEE，2007，27( 15) : 43 ( 孙凯，许镇林，盖廓，等． 基于自抗扰控制器的永磁同步电机 位置伺服系统． 中国电机工程学报，2007，27( 15) : 43) ［9］ Liu Z G，Li S H． Active disturbance rejection controller based on permanent magnetic synchronous motor model identification and compensation． Proc CSEE，2008，28( 24) : 118 ( 刘志刚，李世华． 基于永磁同步电机模型辨识与补偿的自抗 扰控制器． 中国电机工程学报，2008，28( 24) : 118) ［10］ Liu Z G，Li S H． A two-order active disturbance rejection control algorithm for permanent magnetic synchronous motor / / Proceed￾ings of the 26th Chinese Control Conference． Zhangjiajie，2007: 68 ·110·

第1期 彭露群等：自抗扰控制器在同步电机调速系统中的应用 ·111 (刘志刚，李世华永磁同步电机的二阶自抗扰控制算法/ [13]Deng Q Y,Liao X Z,Dong L,et al.A flux observation model of 第26届中国控制会议论文集.张家界，2007：68) induction motor based on stator flux oriented vector control.Trans [11]Chen C,Li S H,Tian Y P.Active disturbance rejection control China Electrotech Soc,2007,22(6):30 of PMSM speed-adjusting system.Electr Driver,2005,35 (9): (邓青宇，廖晓钟，冬雷，等.一种基于定子磁场定向矢量控 13 制的异步电机磁链观测模型.电工技术学报，2007,22(6)： (陈诚，李世华，田玉平.永磁同步电机调速系统的自抗扰控 30) 制.电气传动，2005,35(9)：13) [14]Han JQ.Auto-disturbances-rejection controller and its applica- [12]Shao L W,Liao X Z,Zhang Y H,et al.Application of the ac- tions.Control Decis,1998,13(1):19 tive disturbance rejection controller and extend state observer for (韩京清.自抗扰控制器及其应用.控制与决策，1998,13 PMSM.Trans China Electrotech Soc,2006,21(6):35 (1):19) (邵立伟，廖晓钟，张宇河，等.自抗扰控制在永磁同步电机 [15]Han J Q.From PID to active disturbance rejection control.IEEE 无速度传感器调速系统的应用.电工技术学报，2006,21(6)： Trans Ind Electron,2009,56 (3):900 35)

第 1 期 彭露群等: 自抗扰控制器在同步电机调速系统中的应用 ( 刘志刚，李世华． 永磁同步电机的二阶自抗扰控制算法 / / 第 26 届中国控制会议论文集． 张家界，2007: 68) ［11］ Chen C，Li S H，Tian Y P． Active disturbance rejection control of PMSM speed-adjusting system． Electr Driver，2005，35 ( 9) : 13 ( 陈诚，李世华，田玉平． 永磁同步电机调速系统的自抗扰控 制． 电气传动，2005，35( 9) : 13) ［12］ Shao L W，Liao X Z，Zhang Y H，et al． Application of the ac￾tive disturbance rejection controller and extend state observer for PMSM． Trans China Electrotech Soc，2006，21( 6) : 35 ( 邵立伟，廖晓钟，张宇河，等． 自抗扰控制在永磁同步电机 无速度传感器调速系统的应用． 电工技术学报，2006，21( 6) : 35) ［13］ Deng Q Y，Liao X Z，Dong L，et al． A flux observation model of induction motor based on stator flux oriented vector control． Trans China Electrotech Soc，2007，22( 6) : 30 ( 邓青宇，廖晓钟，冬雷，等． 一种基于定子磁场定向矢量控 制的异步电机磁链观测模型． 电工技术学报，2007，22 ( 6) : 30) ［14］ Han J Q． Auto-disturbances-rejection controller and its applica￾tions． Control Decis，1998，13( 1) : 19 ( 韩京清． 自抗扰控制器及其应用． 控 制 与 决 策，1998，13 ( 1) : 19) ［15］ Han J Q． From PID to active disturbance rejection control． IEEE Trans Ind Electron，2009，56( 3) : 900 ·111·