基于双观测器的四旋翼无人机驱动电机矢量控制技术研究

马晓婧 刘向辰

基金项目：2022年甘肃省高等学校创新基金项目，项目名称：基于DSP+FPGA硬件构架的农林植保双余度控制无人机的研究与开发；项目编号：2022B-301。

作者简介：马晓婧（1987— ），女，甘肃临夏人，讲师，硕士；研究方向：机电一体化。

摘要：无人机在飞行过程中，磁场增强型永磁同步电机容易受到多重低次凸极性谐波的影响以及负载扰动转矩干扰的问题。针对上述问题，文章提出一种高频脉振谐波注入转子位置观测器结合负载扰动转矩分段函数滑模观测器的双观测器无人机电机矢量控制策略。文章通过高頻脉振谐波注入转子位置观测器，可以有效抑制无人机电机系统中存在的多重低次凸极性谐波的影响，改善电机转子位置和转速的估算精度，通过负载扰动转矩观测器可以消除电机负载扰动转矩的干扰。

关键词：永磁同步电机；凸极性谐波；谐波注入；扰动转矩观测

中图分类号：TM341；TP183 文献标志码：A

0 引言

民用无人机较常采用的永磁同步电机一般具有内置式磁场增强型结构，该结构采用反凸极设计原理，即（Ld>Lq）。既保证了良好的转矩输出能力和输出效率，又扩大了电机转速的调速范围。因此，民用无人机驱动+控制系统采用内置式磁场增强型永磁同步电机更加适应于野外复杂的飞控环境。

为了提高滑模+自适应PMSM控制［1-2］的准确性和稳定性，王泽霖等［3］在“传统滑模+自适应控制”的理论基础上混合加入了非奇异快速终端滑模积分函数，提高了系统的收敛性，降低了电机的抖动。为了提高永磁同步电机转子位置的准确估计，王晓琳等［4］采用自适应基准锁相环［5］，通过误差重构并且以电流最小为目标，自适应调节锁相环的锁相基准参数值，实现位置误差信号的准确补偿，解决了无人机飞控系统中温度、转子位置和转矩等传感器信号繁杂、观测误差大的问题。

本文在以上研究的基础上，提出一种高频脉振谐波注入转子位置观测器结合负载扰动转矩分段函数滑模观测器的无人机双观测器电机矢量控制策略。该策略改善了转子位置和转速的估算精度，消除了负载扰动转矩的干扰，提高了无人机飞行的稳定性。

1 高频脉振谐波注入转子位置观测器

由于磁场增强型电机转子结构的影响，电机存在多重低次凸极性。多重低次凸极性会产生多重电流高频信号的叠加，使得无人机在飞行过程中，永磁同步电机驱动系统的转子位置和转速出现估测不准确，特定多重凸极性谐波干扰如下。

从图1中可以看出，定子d轴电感并不是标准的正弦波，而是多种低次谐波分量的叠加耦合，由于电机的极对数p=4，因此+2ωe，+3ωe和+4ωe等低次谐波的影响较为严重。

由于多重低次凸极性谐波的影响会降低转子位置的观测精度，所以需要对其进行有效抑制。

基于高频脉振谐波注入转子位置观测器原理如图2所示。

通过高频脉振谐波注入法的转子位置观测器，可以消除多重凸极性低次谐波干扰的问题，得到准确的电机转子位置。

2 分段函数滑模负载扰动转矩观测器

永磁同步电机经典矢量控制技术一般采用基于指数趋近律（s.=-asgn（s）-bs）的滑模观测器对电机转矩进行观测。该观测方案虽然收敛速度较快，但在滑模面附近容易出现抖振问题。因此，本文采用一种基于分段函数趋近律的滑模观测器。

从公式（1）可以看出，当趋近函数远离滑模面时，趋近函数可以快速收敛于滑模面；当趋近函数在滑模面附近抖动时，趋近函数可以快速接近滑模面，即x→0，f（x）→0。

两种趋近律的动态运动趋近曲线如图3所示。

比较图3（a）和（b）可以看出，指数趋近律趋近速度较快，但在滑模面0处抖振明显，而分段函数趋近律的运动轨迹更加优异。两种趋近律的运动曲线如图4所示。

从图4中的两种趋近律的运动曲线可以看出，本文所提出的分段函数趋近律可以快速接近于滑模面并且在滑模面0附近不存在抖振现象，因此其具有更加优异的趋近特性。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink软件下搭建的仿真模型如图5所示。

仿真参数如下：额定功率650 W，额定电流3.5 A，定子每相电阻3.5 Ω，d轴电感Ld=2.8mH，q轴电感Lq=1.2mH，极对数p=4，开关频率为10 kHz，计算机软件下搭建的仿真模型如图6所示。

为了验证电机抗干扰能力和电机定子电流的动态稳定性，令电机空载启动至500 r/min，运行至0.3s时增加负载转矩5N·m，0.3s后降低至负载转矩2.5N·m，在此过程中，d、q轴电流波形如图7所示，电机定子三相电流动态仿真波形如图8所示。

比较图7（a）和（b）可以看出，相比PI控制算法，本文所提出的改进型矢量控制算法下的d、q轴电流相应时间缩短且基本不受负载转矩的干扰。

比较图8（a）和（b）可以看出，相比传统PI控制算法，本文所提出的改进型矢量控制算法下的电机定子三相启动电流降低，进入稳态时间降低，当负载转矩发生突变时，电机定子三相电流的正弦特性更好。

4 试验分析

为了验证仿真理论的正确性和实用性，需要搭建无人机电机控制系统试验平台，在进行负载转矩突变时，对电机转速动态试验分析。

在图9（a）和（b）中，当电机稳定运行至参考给定转速200 r/min，负载转矩突增50%，PI控制算法下的电机转速降低75 r/min，且在100ms后恢复至参考给定转速；改进型控制算法下的电机转速降低32 r/min且在54ms后恢复至参考给定转速。当负载转矩突降50%，PI控制算法下的电机转速升高77 r/min且在115ms后恢复至参考给定转速，改进型控制算法下的电机转速升高30 r/min且在60ms后恢复至参考给定转速。

在上述动态过程中，改进型控制算法下的q轴电流抖振明显低于PI控制算法下的q轴电流抖振。改进型控制算法下的电机实际转速与观测转速基本能够保持一致，波动幅度较小。

5 结语

本文提出的“无人机转子位置+转矩双观测器电机矢量控制技术”能够改善转子位置和轉速的估算精度，消除负载扰动转矩的干扰，有效提高了无人机飞控系统的控制精度和抗外界干扰能力。

参考文献

［1］李娜.基于模糊神经网络的二自由度主动悬架滑模控制系统设计［J］.计算机测量与控制，2021（9）：101-104，120.

［2］刘胜，郭晓杰，张兰勇，等.船舶航速/航向协调自适应滑模容错控制［J］.控制工程，2021（10）：1946-1954.

［3］王泽霖，胡启国.基于改进GWO算法的永磁同步电机滑模MRAS控制［J］.汽车安全与节能学报，2021（3）：386-394.

［4］王晓琳，刘思豪，顾聪.基于自适应基准锁相环的高速永磁电机转子位置误差全补偿方法［J］.电工技术学报，2021（20）：4308-4317.

［5］盘宏斌，龙海鸿，朱茂琨，等.基于Hilbert变换和预设旋转频率的无锁相环电网同步基准正弦信号检测方法［J］.电工技术学报，2018（10）：2345-2353.

（编辑 王永超）

Abstract： The flux-intensifying PMSM is susceptible to the influence of multiple low-order harmonics and load disturbance torque， during the flight of drone. In this paper， a UAV motor vector control strategy of dual-observer based on rotor position observer of high-frequency pulse harmonic injection combined with load disturbance torque observer of piecewise function sliding mode is proposed. This control strategy can effectively suppress the influence of multiple low-order harmonics by the rotor position observer and eliminate the disturbance of load torque by the load disturbance torque observer.

Key words： permanent magnet synchronous motor; convex polarity harmonic; harmonic injection; perturbation torque observation