段小丽 高 新

（1. 晋中学院，山西 晋中 030060；2. 太原惠特科技有限公司，太原 030006）

自抗扰应用于异步电机直接转矩控制系统

段小丽1高 新2

（1. 晋中学院，山西 晋中 030060；2. 太原惠特科技有限公司，太原 030006）

在异步电机直接转矩控制调速系统中，为了解决低速、随机干扰、转子电阻变化时控制性能变差的问题，本文提出在异步电机直接转矩控制控制系统的转速环中采用自抗扰控制技术，自抗扰控制器可以对系统的内扰和外扰，进行估计、补偿和控制。异步电机的调速系统的设计就能够不依赖于异步电动机的精确的数学模型，设计了基于自抗扰控制器的调速系统，并建立了其仿真结构图。仿真结果表明：相对于经典的PID控制器，采用自抗扰控制器的系统可以的升高响应速度，且超调量很小，扩展状态器估计出来的转速的精度很高，电机参数摄动对其影响小，鲁棒性好。

自抗扰控制；直接转矩控制；仿真

随着现代控制技术的不断发展，异步电动机的性能也不断提高，异步电机的调速方法在实际中已得到广泛的应用。它主要是基于现代控制理论，依靠精确的数学模型加上典型的PID控制，但是由于异步电机的数学模型具有非线性、多变量耦合的特点。高性能的异步电机的调速系统常用矢量控制、直接转矩控制等，但是它们要求系统参数精确可知。虽然采用滑模变结构控制可以解决鲁棒性好难题，抖动问题的依然存在。不论何种方法，在电机速度较低时，要获得准确的电机速度、位置都是很困难的。另外，传统的PID控制器要根据不同的工况来调节控制器的参数，这就给现场调试增加了难度。

经过十几年的研究，中科院系统所韩京清研究员和他的团队，提出了自抗扰控制器（ADRC）这种非线性控制器。它最大的优点就是对不确定的系统的可以有效的控制。自抗扰控制器是由微分跟踪器（TD）、扩展状态观测器（ESO）、非线性组合（NLSEF）三部分组成。自抗扰控制技术的思想源于经典 PID，是基于误差来抵制或者消除误差，它是不完全依靠系统数学模型的控制律，这是由于扩展状态观测器能够实时估计并补偿系统在运行过程中受到的各种外部与内部扰动（负载扰动和电机本身参数时变扰动）的总和[1-2]。利用了自抗扰控制器的这个优点，结合其在其他相关领域的研究成果，本文在异步电机直接转矩控制中的转速环中采用了自抗扰控制算法，以实现异步电机的高性能的控制。

1 基于直接转矩控制的异步电机调速系统

1.1 直接转矩控制原理

直接转矩控制技术是一种新型的交流电机控制技术，以其结构简单、鲁棒性强、动态性能好等优点得到了广泛的关注。

实现直接转矩控制的过程：通过速度调节器，一般采用PI控制器，把电机的实际转速n与给定转速n*进行比较，得到了转矩给定值Te*；磁链和转矩估计器利用定子电流和电压值可以得到实际磁链的幅值|ΨS|和实际转矩 Te；转矩调节器利用实际转矩Te与给定转矩值 Te*的偏差得到转矩开关信号 TQ；磁链调节器根据实际磁链幅值|ΨS|与给定磁链幅值|ΨS*|幅值的偏差得到磁链开关信号ΨQ；通过定子磁链分量可以得到磁链所在区间信号SN，这样，根据磁链开关信号ΨQ、转矩开关信号TQ和磁链位置信号SN，通过查表的方式得到逆变器开关信号Sabc，控制逆变器提供合适的电压来控制电机的准确运行，其工作原理图如图1所示[3-4]。

图1 直接转矩控制原理图

1.2 基于DTC的调速系统

异步电机直接转矩控制技术是近年来发展起来的一种高性能交流调速技术。它是根据电压型逆变器的工作原理，控制定子磁链的走走停停，实现对电机转矩的直接控制，以期获得优良的动态性能。传统的直接转矩控制系统的速度控制器是采用PI调节器，如图2所示。

图2 传统的DTC调速系统

在中高速区，电机定子磁链轨迹为圆形，转速、转矩能准确、快速跟随给定值，定子电流曲线是正弦曲线，控制性能良好，系统能够保持稳定。但是在低速区，由于电机参数和额定值有很大的差别，磁链轨迹、转速、转矩、定子电流都发生了畸变，严重的影响了系统的性能。所以，常规的PID控制器是根据不同的工况，参数要做相应的调整，很难满足大范围的速度调节需求。本文采用了在速度环中用自抗扰控制器取代PI控制器的调速方案。

2 自抗扰控制器

2.1 ADRC原理

自抗扰控制器最显著的优点是适用于不确定系统，通过扩展状态观测器，直接可以从输出信号里面估计系统的未知内扰和外扰，最后在控制律中加以补偿。因此，自抗扰控制器具有一定自适应功能。自抗扰控制器结构如图3虚框部分所示，微分跟踪器（TD）的作用是解决系统输入不可微，并给出适当的系统过渡过程。z1(t)，z2(t)是扩展状态观测器（ESO）对动态变量的的估计，z3(t)是ESO对系统“总扰动”实时作用量的估计，反馈量 z3(t)/b0将实时补偿系统“总扰动”。非线性组合（NLSEF）可以非线性加工组合各阶误差信号。b的估计值是b0[5]。

图3 自抗扰控制原理图

2.2 基于自抗扰控制器的异步电机直接转矩控制系统的设计

由于非线性跟踪微分器是一种控制环节，它的作用是解决系统输入不可微，并给出适当的系统过渡过程，考虑到系统的复杂度，暂不采用这个环节，所以，在设计的系统中，采用一个一阶NLSEF，一个二阶ESO。

最后，得到采用自抗扰控制器的异步电机直接转矩控制系统的结构图，如图4所示。

图4 基于ADRC的电机直接转矩控制系统的结构图

3 仿真实验及结果分析

通过上述分析，在直接转矩控制系统的转速环中用ADRC取代PI，在Matlab 7.0/simulink环境下，构建其仿真结构图，如图5所示。

仿真采用三相鼠笼型异步电机，电机参数：额定电压 us=380V，额定频率 f=50Hz，额定功率 Pn=1.5kW，定子电阻Rs=6.03Ω，转子电阻Rr=6.085Ω，定子电感 Ls=0.519H，转子电感 Lr=0.5192H，定转子互感 Lm=0.4893H，转动惯量 J=0.00488kg·m2，极对数np=2。

1）低速突加负载

图6表示在转速为n=200r/min时，负载转矩在t=0.3s时由TL=0阶跃到TL=15N·m时的转速仿真结果比较。

图6 低速突加负载转速响应

从仿真结果可以看出，在异步电动机 ADRCDTC调速系统中的低速性能比PI-DTC调速系统有了明显的改善，动态响应无超调，突加负载后的动态速降比PI控制的系统要小，转速恢复到给定转速的时间也更短。所以，自抗扰控制的系统解决了传统直接转矩控制系统低速性能不好的缺陷。

2）转子电阻变化

由于异步电动机长时间运转，系统模型的参数可能会发生摄动，可以设转子电阻值为 1.0Ω。这样就可以模拟电机的实际运行情况，例如，由于电机长时间的运转，使转子电阻过热，阻值变大。图7表示电机转速在600r/min时转速仿真结果比较。

从仿真结果可以看出，在PI-DTC调速系统中，转速超调量大。但是采用ADRC的系统，无超调。这是由于ESO能够及时有效地观测到，由于系统参数的改变从而引起的模型的改变，并实时加以补偿和控制。

图7 转子电阻改变的转速响应

3）随机干扰

给系统施加了随机信号发生器的干扰。图8表示电机转速在600r/min时转速仿真结果比较。

图8 随机干扰的转速响应

从仿真结果可以明显的看出，采用PI控制器的系统，转速的动态性能非常差，而在ADRC控制的系统中，转速可以较平稳的运行。自抗扰控制的系统对于干扰有很好的观测和补偿的作用。

4 结论

本文在异步电机直接转矩控制系统中采用了自抗扰控制器，设计了在速度环中采用自抗扰控制器的调速系统，与常规的PI调节器相比，自抗扰控制器可以准确的对系统模型的扰动进行估计、补偿、控制，提高了系统的响应速度；同时由于有非线性组合，有效的解决了响应快速性与超调量之间的矛盾。这是PI调节器不能解决的问题。仿真与实验结果表明，采用自抗扰控制器的系统具有优良的动态控制性能，受随机干扰、转子电阻变化的影响较小，鲁棒性很好。自抗扰控制器是一种新型的控制器，有关的理论还在继续的研究中，自抗扰控制器的应用会涉及到各个领域。但是目前的研究仅仅是仿真。如何将仿真付诸于实践，直至研发出来产品，是我们下一步进行的工作。

[1] 段小丽. 异步电机自抗扰控制研究[D].太原：中北大学, 2009.

[2] 陈文文. 船舶航向非线性系统自抗扰控制器的仿真研究[D]. 济南：山东大学, 2008.

[3] 朱晓硕，綦慧. 基于 DSP的异步电机改进型直接转矩控制研究[J]. 电气传动自动化, 2007, 34(4): 444-450.

[4] 陈颖，卓菡. 直接转矩控制的改进方法[J]. 电力与电工, 2009, 23(3): 32-33.

[5] Thomas M, Jahns, Vadimir Blasko. Recent Advances in Power Electronics Technology for Industrial and Traction Machine Drives[C]. PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL.89, NO. 6, JUNE 2001: 23-25.

Application of Active Disturbance Rejection to Direct Torque Control of Induction Motor

Duan Xiaoli1 Gao Xin2
(1. Jinzhong University, Jinzhong, Shanxi 030060；2. Huite Science And Technology Co., Ltd, Taiyuan 030006)

In order to solve the problem of control performance becomes poor under low speed,random disturbance and rotor resistance variation in the asynchronous motor direct torque control speed regulating system, active disturbance rejection technology was applied to the control system of induction motor direct torque control speed loop is intruduced in this paper, the inner disturbance and outside disturbance can be estimate, compensation and control. The design of the speed regulation system of asynchronous motor can not depend on the precise mathematical model of asynchronous motor, the speed control system based on ADRC is designed, and set the simulation structure is set up. Simulation results show that compared with the classical PID controller, response speed is quick , and overshoot volume is small in the sysem of ADRC, the extended state estimate of the accuracy of speed is high, the motor parameter perturbation is small, the influence of good robustness.

active disturbance rejection; direct torque control; simulation

段小丽（1982-）女，山西临汾人，硕士研究生，助教，研究方向为控制理论与应用。