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永磁同步电机调速系统的模糊自抗扰控制
2024年8月26日发(作者：鱼依萱)
迫札与柱芾Ｊ应用２０１３，４０（８） 变频调速与应用 鬟 ｅ矗
永磁同步电机调速系统的模糊自抗扰控制水
薛薇，路鸦立
（天津科技大学电子信息与自动化学院，天津３００２２２）
摘要：为了提高永磁同步电机（ＰＭＳＭ）调速系统的抗干扰性和鲁棒性，设计了一种模糊自抗扰控制系
统。对自抗扰控制算法进行简化，减少待整定参数。与传统的ＰＩ控制方法相比，模糊自抗扰控制能提高系统
的动态响应性能、抗干扰性和鲁棒性。仿真试验结果表明，模糊自抗扰控制可获得良好的控制性能，证明该控
制策略是可行和有效的。
关键词：永磁同步电机；模糊控制；自抗扰控制；调速
中图分类号：ＴＭ ３０１．２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３－６５４０（２０１３）０８－００５７－０４
Ｆｕｚｚｙ Ａｃｔｉｖｅ・Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ Ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ
Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ Ｓｐｅｅｄ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ
ＸＵＥ Ｗｅｉ，ＬＵ Ｙａｌ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ
Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００２２２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｉｍｍｕｎｉｔｙ ａｎｄ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ
（ＰＭＳＭ）ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ａ ｎｅｗ ｆｕｚｚｙ ａｃｔｉｖｅ—ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ａｃｔｉｃｅ—
ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗａｓ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｔｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｒｅｄｕｃｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ
ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅ ａｃｔｉｖｅ—ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｕｌｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ，
ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｉｍｍｕｎｉｔｙ ａｎｄ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ａｃｔｉｖｅ—ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ
ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｂｔａｉｎｓ ｔｈｅ ｂｅｔｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａｎｄ ｔｈｉｓ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｗａｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）；ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ；
ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ
ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ
０ 引 言
永磁同步电机（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ
良好的控制精度，显现出较好的工程实用价值 。
ＡＤＲＣ中非线性状态误差反馈控制律
（Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｓｔａｔｅ Ｅｒｒｏｒ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｌａｗ，
Ｍｏｔｏｒ，ＰＭＳＭ）是多变量、非线性、强耦合的系统。
常规ＰＩＤ控制器基于线性理论设计，只能在一个特
定运行点或有限的范围内得到较好的控制效果。
ＮＬＳＥＦ）参数不易于调整。为了便于对ＡＤＲＣ进
行实际操作，在ＡＤＲＣ中引入模糊控制，利用模糊
控制在一定范围内能对参数进行最佳估计的能
力，对ＡＤＲＣ中ＮＬＳＥＦ参数进行整定，达到自动
调节系统参数的目的 ｊ。
本文将模糊控制策略引入到自抗扰转速控制
ＰＭＳＭ转速的传统ＰＩ控制，存在转速与超调量之
间的矛盾，影响调速系统的总体控制效果¨ 。
自抗扰控制器（Ａｃｔｉｖｅ Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ Ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ
Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＡＤＲＣ）技术是一种不依赖被控对象精
确模型的新型实用数字控制技术。其核心是把系
器的设计中，并对ＡＤＲＣ算法进行简化，减少了待
整定参数，方便了实际工程操作。
统模型摄动视为内扰，将其和系统外部扰动当作一
个综合扰动项，然后利用扩张状态观测器对综合扰
动项进行观测和前馈补偿，实现系统的高品质控
制。在强非线性和不确定强扰动下，仍然能够保持
１ ＰＭＳＭ数学模型
ＰＭＳＭ通常采用坐标变换的方法来简化其数
基金项目：国家自然科学基金项目（５１１７７１０８）；教育部博士点基金项目（２０１１００３２１１００６６）
一
５７—
变频调速与应用 嚣 鏖 迫乖乙与控制应闭２０１３，４０（８）
ｄ ｇ 女１定 子 磁 链 方 酗
程为 攀 ，其在两相旋转由坐标系下的定子电压方 ２ 模糊自抗扰控制 Ｈ
ｌＩ ＝
戤 戤
＋ ＋
ｄ—
ｒ ｄ＝Ｌｄｉｄ＋ ｆ
ｑ一
一
｛【
十
∞
＝Ｌｑｉ
（２）
∞
。
电磁转矩方程为
Ｔｅ＝ｎ ［ ｆｉ ＋（Ｌｄ—Ｌ ）ｉｑｉｄ］ （３）
电机的运动方程为
ｄ／２ｒ
Ｔ ＝
：
Ｊ ｉ
ｉ
＋Ｔ＋ＴＬＬ （４）
式中：ｕ ， ——定子电压在ｆｚ、ｇ轴上的分量；
ｉ ，ｉｑ——定子电流在ｄ，ｑ轴上的分量；
， ——
定子磁链在ｄ、ｑ轴上的分量；
，Ｊ ，￡。——定子电感在ｄ、ｇ轴上的分量；
尺——定子电阻；
∞ ——电机角速度；
，——
转子磁链在ｄ轴上的耦合磁链；
ｎ。、ＴＬ——磁极对数、负载转矩；
ｌ，——电机转子和系统的转动惯量；
——
瞬态机械角速度， ＝ ／ｎ 。
转子定向由旋转坐标系的电流方程为
Ｕｄ
一
旦
ｄ
Ｌｄ Ｒ
（５）
“。一０９ ｆ
ＰＭＳＭ在同步旋转的咖坐标系中的数学模
型较简单。由转矩方程可知，由于ＰＭＳＭ转子磁
链恒定不变，故调节定子直轴电流分量ｉ 或交轴
电流分量ｉ 可有效调节ＰＭＳＭ的转速。采用ｉ ＝
０的控制方式是一种最简单的电流控制方法。该
方法定子电流无ｄ轴分量，根据式（３）可知，电磁
转矩只与定子电流的幅值成正比 Ｊ。
当采用ｉ ＝０的矢量控制时，转子定向在由
旋转坐标系的转速方程为
ｆ
。
ｒ
）
０
【 ］＋［专］ ＋［一 ］
（６）
一
５８一
ＡＤＲＣ是一种非线性鲁棒控制器技术，由三
部分组成，即扩张状态观测器（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｓｔａｔｅ
Ｏｂｓｅｒｖｅｒ，ＥＳＯ）、非线性跟踪微分器（Ｔｒａｃｋｉｎｇ
Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｏｒ，ＴＤ）和ＮＬＳＥＦ Ｅ加 。
ＡＤＲＣ的算法并不唯一，本文的转速控制器
采用一阶自抗扰控制技术，二阶ＥＳＯ，而ＴＤ环节
省略。ＡＤＲＣ的核心是ＥＳＯ环节，通过扩展一维
的方法估计系统总扰动。为提高ＡＤＲＣ性能，
ＥＳＯ设计应遵循简易原则 。为了降低模型复
杂性和减小计算量，本文采用直接误差来代替非
线性函数。二阶的ＥＳＯ以控制器输出“和控制
对象输出Ｙ作为输入量，估计转速和内外总扰
动 。图１为速度环ＡＤＲＣ结构图。简化后的
计算公式如下。
二阶ＥＳＯ：
』 ＝Ｚ２一／３ （ 一ｙ）＋６。“ （７）
ＬＺ２＝一卢２（ｚｌ—Ｙ）
ＮＬＳＥＦ：
』 ／３（ｏ４ ’ （８）
【“＝Ｍ０一Ｚ２／ｂ。
式中：∞：——ＡＤＲＣ输人信号；
ｚ 、Ｚ２——对Ｙ的观测值、总扰动的观测值；
，
ＪＢ。——输出误差校正增益；
——
对ｂ的估计值；
——
误差反馈增益。
图１速度环ＡＤＲＣ结构
典型非线性ＡＤＲＣ算法中，需要调整的参数
较多，经过简化后，线性ＡＤＲＣ只有卢 、卢 、 和
ｂ ４个参数需要整定，整定难度降低。ＡＤＲＣ参
数整定可按分离性原理整定， 、 。影响ＥＳＯ的
收敛速度。 影响ＥＳＯ对系统扰动的估计，值
越大抗负载扰动能力越强，带负载后转速恢复
时间越短，但是 ：过大会引起系统振荡。增大
ＪＢ 可抑制振荡，但是 过大会引起系统发散。
迫札再粒芾Ｊ应闭２０１３，４０（８） 变频调速与应用ＥＭＣＡ
控制器对ｂ 具有较强的鲁棒性，取较大值可以
提高系统抗干扰能力。 影响控制器的响应速
度，其值越大响应速度越快，但是过大会引起转
速超调 。
的论域上各定义了５个语言子集｛‘‘负大（ＮＬ）”，
“负小（ＮＳ）”，“零（ＺＥ）”，“正小（ＰＳ）”，“正大
（ＰＬ）”｝，基本论域均为［一１０ ｌ０］，为了简化计算，选
择灵敏度很强的三角形函数（ｔｒｉｍｆ）作为输入量ｅ，
对于不同的控制状态，ＡＤＲＣ需要手动调节
各参数的大小，不利于实际操作和临时参数更改。
故本文引入模糊逻辑控制器，利用模糊控制规则，
ｅ 及输出量△Ｉ８隶属度函数，且各隶属度函数对称
分布，如图３所示，推理合成算法采用ｍａｍｄａｎｉ算
法，去模糊化处理算法采用面积中心法，建立参数
整定模糊控制表 ，如表１所示。
根据ｅ，ｅ 的输入，在线修改自抗扰参数 ，其控制
结构如图２所示＿ｌ 。
图２模糊控制器结构
其中，控制器的模糊变量分别为ｅ，ｅ ，△ ，在它们
表１ 模糊规则表
图３ ｅ，ｅ ，△ 的隶属度函数
去模糊化后，得到修正参数 ，代人计算公式得
＝ ＋△卢 （９）
式中：／３ ——非线性状态反馈的初始值。
３ 仿真验证
本文利用ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件建立ＰＭＳＭ
转速一电流双闭环调速系统仿真模型，系统结构图
如图５所示。其中，电流环采用常规ＰＩ控制方
法，转速环采用模糊自抗扰控制策略。模型中，
依据式（９）整定 ，得到自适应模糊ＡＤＲＣ，
其结构如图４所示。
ＳＶＰＷＭ的斩波频率为１０ ｋＨｚ，ＰＭＳＭ参数如下：
极对数４；定子电阻２．８７５ ｎ；交、直轴同步电感
８．５ ｍＨ；转动惯量０．０００ ８ ｋｇ・ｍ ；转子磁场系数
图４模糊自抗扰结构图
０．１７５ Ｗｂ
＿．１
现
ＡＤＲＣ ｐＩｒＣ一０１ “＿Ｊ ＰＩ１ ｄ 脉冲 Ｌ厂 蔓 一 ｍ Ｗｍ —Ｌ—．＿Ｊ
＿ｊ Ｄｃ
ｃ
‘ ｆ
ｉ
ｇ 田＋ —］
一
Ｚ●
ｓ —
■
“
Ｉ 一 ０ 通用电桥
—一
ＰＭＳＭ
＝
ＭＭＤ ７，／（Ｎ・ｍ）
ｌ Ｍ
图５ 基于模糊自抗扰的ＰＭＳＭ转速调节系统结构
．
５９—
变频调速与应用嚣黼ｅ磊
为了验证模糊ＡＤＲＣ的控制效果，将其与
常规ＰＩ转速控制器进行仿真。仿真时，系统中
电流环交轴电流ＰＩ控制器的参数：比例系数
＝
。
３５．４，积分系数ｋ ＝５．４５；直轴电流ＰＩ控
制器的参数：比例系数ｋ ＝３５．７，积分系数
ｋ ＝５．８３；速度环常规ＰＩ控制器的参数：比例
系数ｋ。：０．０９２，积分系数ｋ ＝ｌ×１０～；ＡＤＲＣ
的参数：卢 ＝８０，卢ｊ＝１ ８８０， ＝７０，ｂ。＝５１０。
在ｔ＝０时刻，给定转速ｎ＝６００ ｒ／ｍｉｎ，电机空
载起动，在ｔ＝０．１５ Ｓ时，转速跳变到ｎ＝
１ ０００ ｒ／ｍｉｎ，得到系统响应曲线如图６所示。
图６给定转速突变时系统响应曲线
系统空载起动，给定转速ｎ＝９００ ｒ／ｍｉｎ，进入
稳态后，在 ０．１５ ｓ时突加负载Ｔ ＝３ Ｎ・ｒｌｌ，得
到系统响应曲线如图７所示。
……～
镤嬲ｇ研
扰
…‘
．
常规ＰＩ
● ＿ ●● ｌ
０ ０．０５ ０１０ ０１５ ０．２０ ０．２５ ０ｌ３０
ｔ／ｓ
图７负载突变时系统响应曲线
系统空载起动，速度给定设置为三角波，测试
ＰＭＳＭ调速系统的跟随特性。图８和图９分别给
出了频率为１０ Ｈｚ时，采用两种不同控制方法得
到的速度响应曲线和误差曲线。
从以上的仿真试验结果可看出，模糊ＡＤＲＣ
转速响应快速且无超调，电机对给定转速有良好
的适应性，通过ＥＳＯ对综合扰动项的前馈，电机
具有良好的抗负载扰动能力，提高了系统的鲁棒
性。采用模糊ＡＤＲＣ可以获得良好的控制性能。
一
６０一
电札与控制应闭２０１３，４０（８）
一． 口一吕 Ｊ，
瑚 咖 咖 ㈣ 枷 瑚
图８跟踪三角波给定转速时系统响应曲线
图９跟踪三角波给定转速时系统误差曲线
４ 结 语
本文依据模糊自抗扰理论设计了ＰＭＳＭ调速
系统中的转速控制器，简化了系统构成，解决了常
规ＰＩ控制器响应快速和无超调之间的矛盾。通
过仿真试验结果可看出，对于不同的输入信号，本
文所提出的基于模糊自抗扰的ＰＭＳＭ调速控制系
统，能够快速并精确地跟踪给定速度，鲁棒性及抗
干扰能力强，较好地解决了ＰＭＳＭ的高性能速度
控制问题。这也说明了将各种控制方法相结合，
研究发挥其优势是一种解决ＰＭＳＭ控制问题非常
有效的途径。
【参考文献】
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（下转第６５页）
迫机 与：ｆ空制应闭２０１３，４０（８） 变频调速与应用嚣 ｅ矗
ｒＩ ｒＬ
］』
ｍ Ｕ
］ｊ
Ｂ
（上接第６０页）
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新型永磁同步电机矢量控制调速系统［Ｊ］．电机与
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控制应用，２００７，３４（４）：３９—４４． 收稿日期：２０１２—１２—２４
ｒＬ ｒｌ
］Ｊ １Ｊ
2024年8月26日发(作者：鱼依萱)
迫札与柱芾Ｊ应用２０１３，４０（８） 变频调速与应用 鬟 ｅ矗
永磁同步电机调速系统的模糊自抗扰控制水
薛薇，路鸦立
（天津科技大学电子信息与自动化学院，天津３００２２２）
摘要：为了提高永磁同步电机（ＰＭＳＭ）调速系统的抗干扰性和鲁棒性，设计了一种模糊自抗扰控制系
统。对自抗扰控制算法进行简化，减少待整定参数。与传统的ＰＩ控制方法相比，模糊自抗扰控制能提高系统
的动态响应性能、抗干扰性和鲁棒性。仿真试验结果表明，模糊自抗扰控制可获得良好的控制性能，证明该控
制策略是可行和有效的。
关键词：永磁同步电机；模糊控制；自抗扰控制；调速
中图分类号：ＴＭ ３０１．２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３－６５４０（２０１３）０８－００５７－０４
Ｆｕｚｚｙ Ａｃｔｉｖｅ・Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ Ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ
Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ Ｓｐｅｅｄ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ
ＸＵＥ Ｗｅｉ，ＬＵ Ｙａｌ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ
Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００２２２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｉｍｍｕｎｉｔｙ ａｎｄ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ
（ＰＭＳＭ）ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ａ ｎｅｗ ｆｕｚｚｙ ａｃｔｉｖｅ—ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ａｃｔｉｃｅ—
ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗａｓ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｔｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｒｅｄｕｃｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ
ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅ ａｃｔｉｖｅ—ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｕｌｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ，
ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｉｍｍｕｎｉｔｙ ａｎｄ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ａｃｔｉｖｅ—ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ
ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｂｔａｉｎｓ ｔｈｅ ｂｅｔｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａｎｄ ｔｈｉｓ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｗａｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）；ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ；
ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ
ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ
０ 引 言
永磁同步电机（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ
良好的控制精度，显现出较好的工程实用价值 。
ＡＤＲＣ中非线性状态误差反馈控制律
（Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｓｔａｔｅ Ｅｒｒｏｒ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｌａｗ，
Ｍｏｔｏｒ，ＰＭＳＭ）是多变量、非线性、强耦合的系统。
常规ＰＩＤ控制器基于线性理论设计，只能在一个特
定运行点或有限的范围内得到较好的控制效果。
ＮＬＳＥＦ）参数不易于调整。为了便于对ＡＤＲＣ进
行实际操作，在ＡＤＲＣ中引入模糊控制，利用模糊
控制在一定范围内能对参数进行最佳估计的能
力，对ＡＤＲＣ中ＮＬＳＥＦ参数进行整定，达到自动
调节系统参数的目的 ｊ。
本文将模糊控制策略引入到自抗扰转速控制
ＰＭＳＭ转速的传统ＰＩ控制，存在转速与超调量之
间的矛盾，影响调速系统的总体控制效果¨ 。
自抗扰控制器（Ａｃｔｉｖｅ Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ Ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ
Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＡＤＲＣ）技术是一种不依赖被控对象精
确模型的新型实用数字控制技术。其核心是把系
器的设计中，并对ＡＤＲＣ算法进行简化，减少了待
整定参数，方便了实际工程操作。
统模型摄动视为内扰，将其和系统外部扰动当作一
个综合扰动项，然后利用扩张状态观测器对综合扰
动项进行观测和前馈补偿，实现系统的高品质控
制。在强非线性和不确定强扰动下，仍然能够保持
１ ＰＭＳＭ数学模型
ＰＭＳＭ通常采用坐标变换的方法来简化其数
基金项目：国家自然科学基金项目（５１１７７１０８）；教育部博士点基金项目（２０１１００３２１１００６６）
一
５７—
变频调速与应用 嚣 鏖 迫乖乙与控制应闭２０１３，４０（８）
ｄ ｇ 女１定 子 磁 链 方 酗
程为 攀 ，其在两相旋转由坐标系下的定子电压方 ２ 模糊自抗扰控制 Ｈ
ｌＩ ＝
戤 戤
＋ ＋
ｄ—
ｒ ｄ＝Ｌｄｉｄ＋ ｆ
ｑ一
一
｛【
十
∞
＝Ｌｑｉ
（２）
∞
。
电磁转矩方程为
Ｔｅ＝ｎ ［ ｆｉ ＋（Ｌｄ—Ｌ ）ｉｑｉｄ］ （３）
电机的运动方程为
ｄ／２ｒ
Ｔ ＝
：
Ｊ ｉ
ｉ
＋Ｔ＋ＴＬＬ （４）
式中：ｕ ， ——定子电压在ｆｚ、ｇ轴上的分量；
ｉ ，ｉｑ——定子电流在ｄ，ｑ轴上的分量；
， ——
定子磁链在ｄ、ｑ轴上的分量；
，Ｊ ，￡。——定子电感在ｄ、ｇ轴上的分量；
尺——定子电阻；
∞ ——电机角速度；
，——
转子磁链在ｄ轴上的耦合磁链；
ｎ。、ＴＬ——磁极对数、负载转矩；
ｌ，——电机转子和系统的转动惯量；
——
瞬态机械角速度， ＝ ／ｎ 。
转子定向由旋转坐标系的电流方程为
Ｕｄ
一
旦
ｄ
Ｌｄ Ｒ
（５）
“。一０９ ｆ
ＰＭＳＭ在同步旋转的咖坐标系中的数学模
型较简单。由转矩方程可知，由于ＰＭＳＭ转子磁
链恒定不变，故调节定子直轴电流分量ｉ 或交轴
电流分量ｉ 可有效调节ＰＭＳＭ的转速。采用ｉ ＝
０的控制方式是一种最简单的电流控制方法。该
方法定子电流无ｄ轴分量，根据式（３）可知，电磁
转矩只与定子电流的幅值成正比 Ｊ。
当采用ｉ ＝０的矢量控制时，转子定向在由
旋转坐标系的转速方程为
ｆ
。
ｒ
）
０
【 ］＋［专］ ＋［一 ］
（６）
一
５８一
ＡＤＲＣ是一种非线性鲁棒控制器技术，由三
部分组成，即扩张状态观测器（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｓｔａｔｅ
Ｏｂｓｅｒｖｅｒ，ＥＳＯ）、非线性跟踪微分器（Ｔｒａｃｋｉｎｇ
Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｏｒ，ＴＤ）和ＮＬＳＥＦ Ｅ加 。
ＡＤＲＣ的算法并不唯一，本文的转速控制器
采用一阶自抗扰控制技术，二阶ＥＳＯ，而ＴＤ环节
省略。ＡＤＲＣ的核心是ＥＳＯ环节，通过扩展一维
的方法估计系统总扰动。为提高ＡＤＲＣ性能，
ＥＳＯ设计应遵循简易原则 。为了降低模型复
杂性和减小计算量，本文采用直接误差来代替非
线性函数。二阶的ＥＳＯ以控制器输出“和控制
对象输出Ｙ作为输入量，估计转速和内外总扰
动 。图１为速度环ＡＤＲＣ结构图。简化后的
计算公式如下。
二阶ＥＳＯ：
』 ＝Ｚ２一／３ （ 一ｙ）＋６。“ （７）
ＬＺ２＝一卢２（ｚｌ—Ｙ）
ＮＬＳＥＦ：
』 ／３（ｏ４ ’ （８）
【“＝Ｍ０一Ｚ２／ｂ。
式中：∞：——ＡＤＲＣ输人信号；
ｚ 、Ｚ２——对Ｙ的观测值、总扰动的观测值；
，
ＪＢ。——输出误差校正增益；
——
对ｂ的估计值；
——
误差反馈增益。
图１速度环ＡＤＲＣ结构
典型非线性ＡＤＲＣ算法中，需要调整的参数
较多，经过简化后，线性ＡＤＲＣ只有卢 、卢 、 和
ｂ ４个参数需要整定，整定难度降低。ＡＤＲＣ参
数整定可按分离性原理整定， 、 。影响ＥＳＯ的
收敛速度。 影响ＥＳＯ对系统扰动的估计，值
越大抗负载扰动能力越强，带负载后转速恢复
时间越短，但是 ：过大会引起系统振荡。增大
ＪＢ 可抑制振荡，但是 过大会引起系统发散。
迫札再粒芾Ｊ应闭２０１３，４０（８） 变频调速与应用ＥＭＣＡ
控制器对ｂ 具有较强的鲁棒性，取较大值可以
提高系统抗干扰能力。 影响控制器的响应速
度，其值越大响应速度越快，但是过大会引起转
速超调 。
的论域上各定义了５个语言子集｛‘‘负大（ＮＬ）”，
“负小（ＮＳ）”，“零（ＺＥ）”，“正小（ＰＳ）”，“正大
（ＰＬ）”｝，基本论域均为［一１０ ｌ０］，为了简化计算，选
择灵敏度很强的三角形函数（ｔｒｉｍｆ）作为输入量ｅ，
对于不同的控制状态，ＡＤＲＣ需要手动调节
各参数的大小，不利于实际操作和临时参数更改。
故本文引入模糊逻辑控制器，利用模糊控制规则，
ｅ 及输出量△Ｉ８隶属度函数，且各隶属度函数对称
分布，如图３所示，推理合成算法采用ｍａｍｄａｎｉ算
法，去模糊化处理算法采用面积中心法，建立参数
整定模糊控制表 ，如表１所示。
根据ｅ，ｅ 的输入，在线修改自抗扰参数 ，其控制
结构如图２所示＿ｌ 。
图２模糊控制器结构
其中，控制器的模糊变量分别为ｅ，ｅ ，△ ，在它们
表１ 模糊规则表
图３ ｅ，ｅ ，△ 的隶属度函数
去模糊化后，得到修正参数 ，代人计算公式得
＝ ＋△卢 （９）
式中：／３ ——非线性状态反馈的初始值。
３ 仿真验证
本文利用ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件建立ＰＭＳＭ
转速一电流双闭环调速系统仿真模型，系统结构图
如图５所示。其中，电流环采用常规ＰＩ控制方
法，转速环采用模糊自抗扰控制策略。模型中，
依据式（９）整定 ，得到自适应模糊ＡＤＲＣ，
其结构如图４所示。
ＳＶＰＷＭ的斩波频率为１０ ｋＨｚ，ＰＭＳＭ参数如下：
极对数４；定子电阻２．８７５ ｎ；交、直轴同步电感
８．５ ｍＨ；转动惯量０．０００ ８ ｋｇ・ｍ ；转子磁场系数
图４模糊自抗扰结构图
０．１７５ Ｗｂ
＿．１
现
ＡＤＲＣ ｐＩｒＣ一０１ “＿Ｊ ＰＩ１ ｄ 脉冲 Ｌ厂 蔓 一 ｍ Ｗｍ —Ｌ—．＿Ｊ
＿ｊ Ｄｃ
ｃ
‘ ｆ
ｉ
ｇ 田＋ —］
一
Ｚ●
ｓ —
■
“
Ｉ 一 ０ 通用电桥
—一
ＰＭＳＭ
＝
ＭＭＤ ７，／（Ｎ・ｍ）
ｌ Ｍ
图５ 基于模糊自抗扰的ＰＭＳＭ转速调节系统结构
．
５９—
变频调速与应用嚣黼ｅ磊
为了验证模糊ＡＤＲＣ的控制效果，将其与
常规ＰＩ转速控制器进行仿真。仿真时，系统中
电流环交轴电流ＰＩ控制器的参数：比例系数
＝
。
３５．４，积分系数ｋ ＝５．４５；直轴电流ＰＩ控
制器的参数：比例系数ｋ ＝３５．７，积分系数
ｋ ＝５．８３；速度环常规ＰＩ控制器的参数：比例
系数ｋ。：０．０９２，积分系数ｋ ＝ｌ×１０～；ＡＤＲＣ
的参数：卢 ＝８０，卢ｊ＝１ ８８０， ＝７０，ｂ。＝５１０。
在ｔ＝０时刻，给定转速ｎ＝６００ ｒ／ｍｉｎ，电机空
载起动，在ｔ＝０．１５ Ｓ时，转速跳变到ｎ＝
１ ０００ ｒ／ｍｉｎ，得到系统响应曲线如图６所示。
图６给定转速突变时系统响应曲线
系统空载起动，给定转速ｎ＝９００ ｒ／ｍｉｎ，进入
稳态后，在 ０．１５ ｓ时突加负载Ｔ ＝３ Ｎ・ｒｌｌ，得
到系统响应曲线如图７所示。
……～
镤嬲ｇ研
扰
…‘
．
常规ＰＩ
● ＿ ●● ｌ
０ ０．０５ ０１０ ０１５ ０．２０ ０．２５ ０ｌ３０
ｔ／ｓ
图７负载突变时系统响应曲线
系统空载起动，速度给定设置为三角波，测试
ＰＭＳＭ调速系统的跟随特性。图８和图９分别给
出了频率为１０ Ｈｚ时，采用两种不同控制方法得
到的速度响应曲线和误差曲线。
从以上的仿真试验结果可看出，模糊ＡＤＲＣ
转速响应快速且无超调，电机对给定转速有良好
的适应性，通过ＥＳＯ对综合扰动项的前馈，电机
具有良好的抗负载扰动能力，提高了系统的鲁棒
性。采用模糊ＡＤＲＣ可以获得良好的控制性能。
一
６０一
电札与控制应闭２０１３，４０（８）
一． 口一吕 Ｊ，
瑚 咖 咖 ㈣ 枷 瑚
图８跟踪三角波给定转速时系统响应曲线
图９跟踪三角波给定转速时系统误差曲线
４ 结 语
本文依据模糊自抗扰理论设计了ＰＭＳＭ调速
系统中的转速控制器，简化了系统构成，解决了常
规ＰＩ控制器响应快速和无超调之间的矛盾。通
过仿真试验结果可看出，对于不同的输入信号，本
文所提出的基于模糊自抗扰的ＰＭＳＭ调速控制系
统，能够快速并精确地跟踪给定速度，鲁棒性及抗
干扰能力强，较好地解决了ＰＭＳＭ的高性能速度
控制问题。这也说明了将各种控制方法相结合，
研究发挥其优势是一种解决ＰＭＳＭ控制问题非常
有效的途径。
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迫机 与：ｆ空制应闭２０１３，４０（８） 变频调速与应用嚣 ｅ矗
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（上接第６０页）
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