基于负载扰动观测器的永磁同步电机预测控制研究

徐婧玥，孙西龙，赵 蔚，杨永常，刘永强

（上海宇航系统工程研究所，上海 201109）

0 引 言

永磁同步电机以其结构简单、动态性能好、效率高、过载能力强等优势，广泛应用于工业自动化、交通运输、航空航天等领域。然而，永磁同步电机还存在着与电磁转矩、定子电流和转子磁链等类似的耦合、外部扰动、参数摄动等不利因素，导致系统静、动态性能下降。传统的双闭环PI控制已经难以满足现代高精度、高稳定度的控制要求，因此近年来围绕永磁同步电机的控制开展了大量的研究工作，促使其朝着大功率化、高功能化与微型化的方向发展。

1 永磁同步电机预测控制相关概述

永磁同步电机具有极为简化的电机结构，且运行可靠性相对较高。永磁同步电机调速系统结构如图1所示。

图1 永磁同步电机调速系统结构

结合图1，永磁同步电机调速系统主要包含了永磁同步电机、功率驱动单元、转子位置检测器、控制器以及反馈单元。在对永磁同步电机进行控制的过程中，需要重点考虑四个方面的问题，即控制策略能否对电流指令做出快速响应，如果有外界负载扰动能否快速恢复设定值，对于电机定转子参数设定产生敏感性，该过程在实际环境中的实现难度。

预测控制于20世纪70年代中后期产生。现阶段，预测控制已经在工业过程控制、能源产业、航天产品和机器人等多个领域得到了广泛应用。它主要是对系统预测模型输出与实际输出的误差进行利用，并反馈、校正控制系统，利用在线滚动优化，使系统得到合理控制，进而提升系统鲁棒性，实现较好的综合控制效果。在电机控制与电力电子控制领域中，预测控制算法主要可以分为非线性模型预测控制算法和线性预测控制算法两种类型。

预测控制算法结构具有一定的相似性，主要可分为三个组成部分。（1）预测控制。预测控制是一种建立在模型基础上的控制算法，需要构建对对象动态行为进行描述的基础模型，以将一定的先验信息提供给预测控制。依照此类信息，可以确定控制输入形式，并有效预测过程输出。（2）反馈校正。在系统运行过程中存在着多种随机干扰，可能会影响预测模型输出与实际输出的一致性。因此，需要积极修正开环预测模型。利用反馈校正的方法，可以有效克服系统的不确定因素影响，从而降低系统基础模型的要求。（3）滚动优化。在预测控制过程中，需要依照性能指标最优性原则，对未来某段时域进行滚动优化。随着时间的变化，优化目标也会发生变化[1]。

2 基于负载扰动观测器的永磁同步电机预测控制设计与仿真

2.1 预测控制设计

2.1.1 龙伯格观测器设计

状态观测器是可以让状态重构得以实现的新系统。新系统中，输入信号为原系统可直接测量的信息。在一定规律下，它和原系统参数变量存在等价关系。将重构状态向量维数和被控对象状态向量维数进行比较，可以将其分为降阶状态观测器和全维状态观测器两种类型。本文中，主要对一种降阶龙伯格观测器进行设计。

负载出现变化时，永磁同步电机转速会受到干扰，影响系统的动态响应。利用状态空间表示法，通过电机状态变量重构，可以对状态观测器进行构建。使用观测器可以估计电机负载转矩变量，完成系统补偿工作，提升电机控制系统性能。控制系统中，利用离散速推方法可以实现状态观测器的数字化控制。结合永磁同步电机机械运动方程，假设系统速度环采样周期为T，电机转动惯量为J，电机摩擦系数为B，电机交轴电流为，观测转速为，转子转速为ωr，负载转矩为，则其转速和负载观测值递推为：

电机转速与转矩电流指令值为观测器输入部分，观测负载转矩为输出部分，据此可以设计负载观测器，进而设计整个系统。在永磁同步电机预测控制系统中，内环主要利用无差拍电流预测控制方法，外环主要利用降阶龙伯格观测器速度模型预测控制方法。

2.1.2 内模控制观测器设计

内模控制本身具有较简单的结构和较少的在线调节参数，在电机控制领域得到了广泛应用。设计内模控制观测器可以实现扰动补偿，首先要构造转速环模型状态方程，其次利用状态反馈原理得到转速环观测器的控制律，最后利用极点配置法实现对观测器参数的优化，使负载扰动补偿控制得以实现，提升系统的抗扰动性能。

IMC观测器状态方程为：

依照式（3）可以对观测器结构进行设计。和降阶龙伯格观测器相比，二者在结构上具有相似性。此内模控制观测器可以有效提升负载扰动观测形式的辨识收敛速度，改善补偿控制效果。在负载扰动观测器的永磁同步电机预测控制系统中，改进了双环预测控制系统，内环控制结构一致。外环主要利用内模控制观测器结合模型预测控制的方法，其中内模控制观测器负责前馈部分。

2.2 仿真分析

本文主要利用MATLAB/Simulink构建基于负载扰动观测器的永磁同步电机预测控制模型，并比较分析两种观测器的性能。仿真过程中，将常规预测控制与基于扰动补偿预测控制进行对比。为保证观测器观测精度与动态响应，进行了反复试验。在龙伯格观测器所在系统中，选择其反馈增益参数h1=102，h2=-0.38；在内模控制观测器所在系统中，其反馈增益参数k1=-0.000 1，k2=-0.008。

在电机空载启动后，在给定转速为800 r/min条件下运行。在0.02 s与0.03 s时，电机突加负载10 N·m、5 N·m。无负载扰动时，三种控制方法转速响应仿真曲线如图2所示。

图2 转速响应仿真曲线

负载扰动时，三种控制方法转速仿真曲线如图3所示。

图3 负载扰动时三种控制方法转速仿真曲线

结合图2、图3发现，两种基于负载扰动观测器的永磁同步电机预测控制系统，均可以实现快速响应、无超调目标。观测转矩可以对实际负载扰动变化进行全面跟踪，但内模控制观测器所在控制系统具有更快的响应速度和更小的状态估计误差。观察加入负载扰动后的转速曲线发现，在没有负载观测器引入的条件下，负载扰动会对常规预测控制方法造成较大的转速波动，且具有较长的动态调节时间。在引入观测器后，扰动补偿控制信号得到输出，可以有效抑制因负载突变导致的速度波动，有效改善动态响应性能，具有良好的抗扰动效果。本文介绍的两种基于负载扰动观测器的永磁同步电机预测控制系统均可以降低转矩脉动，使电机速度具有良好的鲁棒性，综合控制效果相对较好，证明了负载扰动观测器预制控制方法的有效性与可行性[2]。

3 基于负载扰动观测器的永磁同步电机预测控制具体实现

3.1 系统设计

3.1.1 硬件设计

永磁同步电机控制系统主要包含驱动电路、控制电路、功率主电路、信号检测与调理电路。在本文的系统设计中，驱动电路可以实现变频；控制电路核心为TMS320F2812控制芯片，可以实现具体算法；功率主电路主要包含智能功率模块和三相整流模块；信号检测与调理电路主要包含电流检测电路、增量式光电编码器以及故障检测保护电路等部分。在该系统中，三相交流电源负责对其主电路进行供电，在二极管整流、母线电容滤波、稳压后得到直流母线电压，利用逆变模块，结合电压需求量，将直流电转化为三相交流电对电机进行驱动。增量式光电编码器可以对电机转速进行检测，实现定位。在信号调理电路处理电流传感器与直流母线电压输出信号后，可以实现信号电平匹配，进而得到DSP主控制器采样口的反馈。利用JTAG接口，上位机可以把编写好的程序下载至芯片。利用SCI串口通信，电机运行中可以实现上位机和DSP的数据转换与实时通信。图4为永磁同步电机调速控制系统硬件结构示意图。

3.1.2 软件设计

软件设计中，控制器主要使用C语言进行编程，主要分为两个部分。（1）主程序。在主程序中，可以初始化处理系统寄存器，实现系统启动、开串口接收中断与等待中断等，流程可以概括为：系统初始化→外设模块初始化→子程序模块初始化→开中断→循环等待。（2）中断子程序。中断子程序用于完成系统控制算法，在系统软件设计中占有核心地位。利用中断子程序，可以对电机电流、速度进行采样，同时检测转子位置，实现调制算法，流程可以概括为：关闭中断保护现场→电流位置采样与ADC转换→Clarke变换→判断速度采样时间→Park变换→交直轴电流PI调节器→Park逆变换→SVPWM波生成→开中断现场恢复→中断返回。如果速度采样时间到判断为Y，那么需要进行速度采样与转速PI调节后才能进行Park变换[3]。

3.2 实验分析

实验中，永磁同步电机功率额定值为3 kW，直流母线电压额定值为380 V，极对数为4，定子电感为5.25×10-2H，定子电阻为0.958 5 Ω，转矩为10 N·m，转动惯量为6.329×10-4，永磁体磁链为0.182 7 Wb，摩擦系数为 3×10-6[N·m·（s·rad-1）]。该实验分析了永磁同步电机转速与电流双闭环矢量控制系统，通过观察波形的同一相位的上下桥臂IPM驱动信号波形、DSP输出3.3 V脉冲信号，得到了经过驱动电路放大的SVPWM波形。

SVPWM生成模块具有100 μs的驱动信号周期，与预先设置的10 kHz开关频率相符，具有10 μs死区时间，满足死区时间大于2.5 μs的要求；可确定包含高速光电耦合器的驱动电路能够放大至15 V，可满足驱动要求和IPM实现要求，因此永磁同步电机可实现正常运转。

对3.3 V脉冲信号进行输出，在驱动电路放大后，可以发现高速光电耦合器驱动电路放大到了15 V，满足驱动要求，实现了IPM逆变，此时电机运转依然正常。利用传统PI调节器开展转速闭环控制试验，电机具有800 r/min给定转速。观察示波器发现，电机在空载启动11 ms后达到给定转速，之后平稳运行。通过试验可以证明，本文介绍的基于负载扰动观测器的永磁同步电机预测控制方法在动态响应、调速性能上表现良好，但转速因为电机结构并非完全对称而存在一定的细微波动[4]。

4 结 论

综上所述，利用龙伯格观测器设计、内模控制观测器设计的基于负载扰动观测器的永磁同步电机预测控制，在仿真分析与实际应用中均能起到较好的应用效果，可以降低外部扰动对系统的不利影响，实现电机转速输出对期望输出信号的高精度跟踪，提高系统的动态性能。