刘春强 骆光照 涂文聪

航空机电作动永磁同步电机自抗扰控制研究综述*

刘春强1骆光照1涂文聪2

(1. 西北工业大学自动化学院 西安 710129；2. 航空工业陕西航空电气有限责任公司 西安 710065)

永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor, PMSM)构成的机电作动系统在航空装备中具有广泛的应用，PMSM的转矩响应、稳态定位精度等指标直接影响着航空装备的性能。然而航空机电作动中存在电机本体参数摄动、载荷波动等扰动，为抑制扰动对驱动系统动静态指标的影响，PMSM自抗扰控制成为研究热点。以航空机电作动系统为背景，梳理机电作动中存在的多源扰动，对近年来自抗扰控制在PMSM高性能伺服中的研究成果进行总结，综述强抗扰反馈控制律、电流环抗扰控制策略、速度及位置环扰动观测器的研究现状。最后，归纳航空领域机电作动面临的研究难点及挑战，并对PMSM自抗扰控制的发展趋势进行展望。

永磁同步电机；伺服控制；自抗扰控制；机电作动

1 引言

随着电气化交通的迅速发展，电动飞机成为重要的发展趋势[1]，机电作动器(Electro-mechanical actuator，EMA)作为关键执行机构，具有广阔的应用前景。永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor，PMSM)凭借高转矩密度、高功率密度等优点，在航空EMA中广泛应用[2]。

近年来，国内外都对EMA开展了大量研究。欧盟实施CleansSky和CleansSky 2计划，资助机电作动项目两项：西班牙研究与创新技术中心、意大利UMBRA CUSCINETTI SPA等单位联合进行“飞控系统机电作动器和电子控制单元开发”项目，研制周期为2017～2019年；意大利UMBRA CUSCINETTI SPA、贝加莫大学和英国ZETTLEX有限公司开展“高可靠带有监控的主控制面机电作动器”研究，研制周期为2016～2018年。美国国家航空航天局NASA也对亚声速大型飞机的电推进技术及电作动控制器开展研究[3]。2019年1月，航空发动机制造商Rolls-Royce公司宣布ACCEL(Accelerating the Electrification of Flight)计划，加速飞控系统的电气化。2019年8月，中国航空研究院在中国航空科学技术大会上发布了国内首部电动飞机发展白皮书[4]，其中一个关键技术就是高效高功重比的电机驱动控制器。随着电动飞机的迅速发展，高动态性能的EMA将发挥更重要的 作用。

图1是机电作动系统的示意图，包括飞控计算机、作动器控制单元、逆变电源、机械传动装置(减速器和丝杠)等组成部分，EMA通过控制电机驱动减速器、丝杠等机械传动装置，实现对舵面的驱动。由飞控计算机下达位置或者速度指令，作动器控制单元采集永磁同步电机的位置信息和线性可变差动变压器(Linear variable differential transformer，LVDT)的直线位移信息，完成高动态的位置或者速度闭环控制，使舵面偏转到指定的角度。

图1 机电作动系统示意图[5]

本文以机电作动系统的自抗扰控制(Active disturbance rejection control，ADRC)为主线，综述了PMSM驱动中抗扰的主要挑战及现有解决方案，阐述了基于ADRC的PMSM伺服系统的强抗扰反馈控制律，位置、速度、电流各环路的扰动观测及抑制策略，最后对伺服系统的ADRC控制进行总结，展望航空机电作动未来的抗扰技术发展趋势。

2 机电作动系统扰动分析

2.1 限制EMA性能提升的主要因素

同步旋转坐标系中，PMSM的电磁转矩表达 式为

以电磁转矩e作为运动方程的输入，PMSM 构成的伺服驱动系统的位置、速度状态空间方程表示为

基于状态空间描述控制理论的基本研究思路是建立系统的精确模型，然后利用状态反馈或输出反馈进行控制器设计。因此，精确模型是高性能控制系统设计的基础。然而，EMA是一个难以用精确数学模型描述的复杂系统，EMA的模型不确定性因素及扰动主要包括如下方面。

(1) 参数摄动。航空应用中PMSM运行环境恶劣，受到高低温、频繁起停等因素的影响，导致在不同负载工况下，电机的电阻、电感、磁链等电气参数发生变化，实际值与标称值存在不确定的时变偏差。除了电气参数摄动，EMA系统中还存在机械参数摄动，折算到电机轴侧的转动惯量随着舵面偏角变化，这些都为高性能伺服控制的实现带来挑战。

(2) 未建模动态。PMSM是一个非线性、强耦合的系统，无论是三相定子坐标系还是旋转坐标系下的数学模型，都有假设及前提条件，并进行了不同程度的简化[6]。同时，EMA中采用减速器、丝杠等机械传动装置，由于齿轮间隙、摩擦力等因素，使整个机电作动系统呈现出明显的非线性特性，而机械部分的许多动态特性在建模时被忽略。可见，PMSM构成的机电作动系统的数学模型与实际系统之间存在未建模部分，使用数学模型描述时存在未建模动态[7]。

(3) 作动器的不确定载荷扰动。EMA中除了模型内部参数摄动，还存在大量的外部扰动。飞行过程中，由于气流、舵面偏转角度变化等因素的影响，导致飞机舵面的载荷发生剧烈变化，而且这种变化不是固定的。因此，对机电作动系统的高频响、抗负载扰动提出较高要求。

2.2 自抗扰控制架构下EMA的多源扰动分类

上述模型参数不确定性、未建模动态及时变负载波动等多源扰动的存在给EMA的高动态控制带来了新的挑战[8]。近年来，在控制理论学术界抗扰动控制受到高度重视[9]，高增益观测器[10]、自抗扰控制[11]、等价输入扰动[12]、基于扰动观测器的控 制[13-14]等多种抗扰控制方法相继提出。其中，ADRC是中国科学院数学与系统科学研究院韩京清研究员在经典PID控制的思想上提出的一种新型控制结构，旨在解决控制系统中的扰动问题。ADRC不是建立在一个精确模型的基础上，它对不确定性具 有极强的耐受性[15]，在包括航空航天[16]、运动控 制[17-18]在内的许多领域得到广泛关注。

图2中展示了ADRC架构，其并非特指某一特定运算的控制规律，而是一种二元控制架构[19]，包括如下部分。

(1) 基于误差的闭环反馈控制通道，包括状态反馈和输出反馈。

(2) 基于扩张状态观测器(Extend state observer，ESO)的扰动补偿通道。

ADRC与精确模型方法的思路差异在于ADRC是根据系统对信号的某一响应特征或者过程的某些实时信息来确定控制律，而不是用更高阶或更复杂的数学模型去描述系统中的非线性特性[20]。

图2 自抗扰控制架构

由文献[21]可知，早期对扰动的认识局限于狭义的扰动概念，狭义扰动来自系统外部，与系统的动态特性无关。随着抗扰理论的发展，出现了广义扰动的概念。ADRC中扰动是广义的概念，是标准型(串联积分型模型)之外的总扰动。根据文献[22]中内部扰动和外部扰动的定义，本文对EMA伺服系统位置环和速度环的扰动梳理如下。

(1) 内部扰动：模型的不确定性(包含参数摄动)与未建模部分。伺服系统的机械运动方程中，内部扰动主要包括电流内环的轴电流控制误差、转动惯量摄动、磁链参数摄动、PMSM齿槽转矩、粘滞摩擦、电机轴非线性静摩擦力等。对于舵面用EMA，在不同的偏转角度时折算到电机侧的惯量会发生变化。不限于航空EMA，转动惯量变化是机电伺服系统中普遍存在的机械参数摄动。

(2) 外部扰动：外界给系统施加的扰动，主要为载荷折算到电机轴侧的负载扰动。

(3) 总扰动：内部扰动和外部扰动的总和。

3 自抗扰伺服驱动反馈控制研究现状

从图2可以看出，ADRC对单一的依赖误差的控制结构进行改进，包括反馈控制和扰动补偿两个通道。本节首先对PMSM驱动系统自抗扰控制中的反馈控制通道的研究现状进行总结。

3.1 三闭环伺服控制抗扰性能分析

图3 带位移规划、速度前馈和转矩前馈的三环串级控制系统框图

3.2 基于ADRC的双环伺服

从式(2)可知，速度的积分是位置，故可以将速度和位置的微分方程视为两个一阶系统，设计成串级控制，也可以直接利用二阶模型一体化设计。文献[25]以提高伺服系统动态跟踪及抗扰性能为出发点，提出基于ADRC的PMSM双环伺服驱动系统，结构如图4所示，通过位移规划解决定位过程中速度不可控的问题。

图4 基于自抗扰控制的双环伺服系统框图

与经典的位置、速度、电流三环串级控制伺服系统相比，该方法主要在以下三个方面进行改进。

(1) 将位置、速度、电流三环串级控制改为位置/速度一体化外环、电流内环的双环控制架构。位置指令ref经过位移规划模块，得到实际用于闭环控制的位置指令θ和速度指令* r，通过外环一个控制律实现位置/速度的一体化控制环路，减小速度环的控制带宽对位置环带宽的制约。内环为电流环，电流环应具备高带宽，实现PMSM的高动态转矩 控制。

(3) 电流内环中，存在电阻、电感参数摄动、未建模动态、逆变死区效应等不确定因素，可以视为标称模型之外的总扰动。基于精确模型的电流控制方法在电阻电感参数摄动时性能下降，在电流环中引入ADRC控制，提升参数摄动时电流控制性能的鲁棒性。

3.3 强抗扰的反馈控制律

快速定位、高稳态精度是伺服运动控制的目标，而高效、收敛速度快的反馈控制律能够加速位置指令的跟踪，并增强抗扰性能。以PI为代表的反馈控制律在PMSM驱动中具有成熟的应用。伺服系统中，电机运行过程中速度、负载发生变化，使得固定参数的PI控制难以在高速、低速、惯量变化等多种工况下均维持高性能，一般PI参数随运行状态进行在线调整，图5是常用的变增益抗积分饱和PI调节器的速度控制框图。

图5 基于变增益抗积分饱和PI调节器的速度控制

除了变增益抗积分饱和的改进PI控制器，为了扩宽位置环和速度环的频响、提高控制精度，国内外学者在运动控制的反馈控制律方面开展了大量研究[26]，内模控制[27-28]、滑模控制[29]、鲁棒控制[30]、分数阶控制[31]、自抗扰控制[32-33]等先进控制理论得到广泛关注。图6是基于线性自抗扰控制(Linear ADRC, LADRC)的位置/速度复合控制的框图[34]，可采用带宽化设计思路，参数整定简洁。

图6 基于LADRC的位置/速度复合控制框图

线性控制中通常采用高控制增益来抑制闭环控制的误差。然而，高增益反馈存在一定的局限性[35]，例如对噪声更加敏感。同时，线性控制律以指数形式渐进收敛，这一特性意味着闭环误差的收敛时间较长。自抗扰控制中，韩京清研究员提出非线性函数fhan，表达式如下

式中，1和2为输入变量，和0为调节参数，为函数输出值，其他为中间变量。

式中，、1和为控制参数，1为位置环控制周期。

近年来，为进一步加速误差收敛，许多学者开展利用有限时间收敛理论的反馈控制律研究，进而提高闭环控制的动态性能。有限时间控制能够保证闭环误差在有限时间内收敛到零[36]，明显缩短闭环系统的动态调节时间。目前，应用最广泛的一种控制信号非连续有限时间控制是终端滑模控制[37]。与传统滑模控制相比，终端滑模引入非线性切换面，改善闭环系统的收敛性能和抗扰动性能，是典型的非连续控制。然而，非连续状态反馈控制方法在趋于稳态时易出现抖振现象，降低稳态控制精度。

基于控制信号连续的有限时间控制作为一种介于光滑和非连续之间的非线性控制方法，兼具控制信号平滑和误差有限时间收敛的特性，基于齐次系统理论的控制是一种典型的有限时间收敛技术[37]，在平衡点附近具备快速收敛及强抗扰的优势。基于齐次系统理论的闭环系统的有限时间收敛证明见文献[38]。文献[39]针对电机的电流环设计有限时间收敛控制器，提高电流控制的动态性和参数摄动时的鲁棒性。文献[40]通过反步法设计有限时间位置控制器，仿真结果表明位置误差收敛速度更快。文献[41]中利用基于齐次性方法的有限时间收敛速度控制器，并对系统误差的有限时间收敛性进行了证明，在理论方面为非光滑控制提供了有力的支撑。基于齐次的速度控制器由于非光滑特性具有更好的收敛和抗扰能力[41-42]。上述有限时间收敛控制均基于函数||sign()，其中参数的取值范围为0<<1。非线性的fal函数是韩京清研究员提出的分段切换函数，其表达式如下

式中，为误差阈值，sign为符号函数，i为参数。

fal函数可用于状态误差反馈非线性控制，基于fal函数的反馈控制律的有效性已经在多个应用得到验证[43-44]。然而，经过研究发现，在闭环系统的误差远离平衡点时，函数||sign()(0<<1)的控制效率低于光滑函数(1<)。

当系统中存在扰动时，基于函数||sign()(0<<1)的有限时间控制器的稳态误差收敛域与控制增益和扰动的界有关，若引入积分项消除稳态误差，将带来积分引起的负面效应，可以将有限时间反馈控制和ESO结合提高抗扰性能。

4 自抗扰伺服驱动扰动观测研究现状

本节对PMSM驱动系统自抗扰控制中的扰动补偿通道的研究现状进行总结。根据第2.1节的分析可知，限制机电作动性能提升的因素主要是电流环、速度环、位置环中存在的多源扰动。由图2可以看出，不同形式ESO估计总扰动的能力不同，因此ESO对PMSM驱动系统的抗扰性能有较大影响。因此，本节对电流环、速度及位置环扰动观测方面的研究进行总结，给出当前提升伺服扰动抑制性能的主要解决方案。

4.1 电流环抗扰控制研究

无论是三闭环串级伺服控制，还是双环伺服，电流环作为内环，决定着PMSM的转矩控制，而转矩控制的性能对外环的速度和位置响应影响很大，制约着位置控制的动态性能。为实现伺服驱动位置环的高带宽，要求内环能够精确、快速地控制PMSM的电磁转矩。为实现更高动态的转矩响应，近年来多种先进控制方法已应用于PMSM电流控制，包括优化PID控制[45]、内模控制[46]、无差拍控制[47]、滑模控制[48]、模型预测控制[49]、有约束电流优化控制[50]等。

图7是广泛应用的电流解耦控制方法，轴和轴电流分别采用PI调节器，PI输出和前馈解耦项综合后得到轴电压给定值。电流环PI参数设计需要电机的电阻和电感参数，再结合工程设计法进行整定。首先对电机参数进行离线辨识，然后结合性能指标要求计算PI参数。但实际系统运行过程中，电阻和电感参数发生摄动导致被控对象的零极点发生变化，按标称模型设计的控制器无法实现期望的零极点对消，降低电流环的动态性能，而且当电感参数摄动时，前馈解耦项不能完全抵消轴之间的耦合。为了保证在不同工况下的高动态控制，电流环的比例环节系数p通常不是固定参数，而采用变增益设计，根据电流运行过程中的轴电流实时调整电流环增益p，然而时变参数也难以完全抵消参数摄动导致的电流控制动态性能降级。

图7 基于变增益PI调节器的电流解耦控制

针对电机驱动中定子电阻s的变化，一种解决措施是引入虚拟电阻来降低控制器对电阻参数摄动的敏感度[45, 51]。文献[45]给出可以优化超调和调节时间的PI参数整定方法，而且文中也采用基于虚拟电阻的方法，提升电阻及电感摄动时的鲁棒性[52]。虚拟电阻使电流闭环系统的时间常数增大，提升参数鲁棒性的同时降低了电流控制的动态性能。

为了提高参数摄动时电流环的动态性，可以采用在线参数辨识的方法，实现控制参数的实时调整。但是最小二乘法、模型参考自适应、扩展卡尔曼滤波等在线辨识方法增加了控制系统的复杂程度，而且要保证自适应参数收敛过程中系统的稳定性，导致闭环系统的设计难度增加。

如果将电阻、电感的标称值当作基本模型，从扰动的角度看，轴的交叉耦合和电阻、电感参数摄动可以看作标称模型之外的扰动，因此可以通过ESO达到提高参数鲁棒性及动态解耦的目标。文 献[53]中提出一种基于增量模型和ESO的鲁棒电流预测控制，使用增量模型使预测模型无需转子磁链，通过ESO提高了电感失配时的鲁棒性。文献[54]中构建ESO来观测参数偏差造成的系统扰动，为传统预测控制算法提供实时性扰动补偿，仿真结果显示有效改善了传统电流预测控制中PMSM参数扰动偏差造成的输出电流静差及振荡问题。文献[55]对基于fal函数的ESO进行改进，设计增益连续的ESO用于PMSM的电流解耦控制，对参数不确定性进行补偿。文献[56]中提出一种用于PMSM的基于扰动估计器的电流控制方法。文献[57]中开发一种自适应滑模电流控制器，基于滑模的扰动观测器能够提升电流环抗电气参数摄动的能力。

除了电阻、电感等参数摄动，电流环中还存在死区效应等其他非线性因素[58]。基于非线性ADRC的电流控制策略能够提高转矩控制性能[59]，但是需要整定7个控制参数。文献[60]为满足工程实践需求，提出基于测量延迟补偿的LADRC电流控制策略，如图8所示，通过频域法给出参数整定方法，试验结果表明对电阻、电感参数的敏感性降低，且无需额外的补偿算法即可降低死区效应的影响。

图8 基于测量延迟补偿的LADRC电流控制策略

4.2 速度及位置环扰动观测研究现状

电机驱动系统中，为了降低负载转矩扰动对速度控制性能的影响，负载转矩观测器是一种行之有效的办法。日本OHISHI教授在直流电机调速系统中提出基于运动方程的负载转矩估计方法[61]，该研究团队在运动控制的扰动观测领域耕耘多年，研究成果引起学术界的广泛关注[62]。其中，基于速度信息的负载转矩观测器如图9所示，在伺服驱动中大量应用。而在运动控制中，也可从位置信息中提取负载转矩，设计的观测器如图10所示。除此之外，文献[63]中根据系统机械运动方程，设计负载转矩观测器，并将其代入提出的模糊滑模控制器中。文献[64]设计一种基于扩展卡尔曼滤波的负载转矩观测器，利用前馈实现转矩补偿，提高噪声及参数不确定时的估计性能。文献[65]针对调速系统设计基于积分滑模的扰动观测器，提升预测控制的性能。文献[66]中设计改进滑模负载观测器，提高了动态定位过程中的抗负载扰动能力。上述文献均表明负载转矩观测和补偿能够提高调速系统的抗负载扰动能力，而设计一个高动态、高精度的扰动观测器则是关键。

图9 基于机械运动方程和速度信息的负载转矩观测器

图10 基于位置信息的负载转矩观测器[67]

图11 基于位置信息和fal函数的ESO结构图

通过上述文献分析可以发现，ESO在电机驱动中可以取得很好的控制效果，但是限制其在工程实践中推广应用的一个重要因素是非线性ESO的参数整定。文献[74]针对速度控制的自抗扰控制器，提出基于蚁群算法的参数整定方法，并对算法的计算量进行了分析。文献[75]通过描述函数法分析非线性ESO。可以看出，当前非线性ESO的参数整定还存在一定的难度。

为了提高伺服系统的抗扰性能，且方便在工程实践中应用，研究性能优异且整定参数简单的自抗扰控制方法是十分必要的。文献[76]提出线性自抗扰控制(LADRC)，通过极点配置和带宽的概念，给出了线性ESO的参数整定方法，与非线性ADRC相比简化了参数整定，LADRC的工业应用逐渐得到更多关注[77]，2013年，德州仪器(Texas Instruments, TI)公司的MotorWare电机解决方案集成由LineStream Technologies公司提供支持的自抗扰控制软件包。文献[78]提出基于LADRC的调速系统，改善了对参数摄动和负载扰动的抑制能力。文献[79]提出一种用于PMSM的基于广义PI观测器的自抗扰控制器，仿真结果显示对于不确定的负载变化，速度控制性能依然是鲁棒的。图12是基于位置信息的线性ESO结构框图，与图11所示的非线性ESO相比，线性ESO没有非线性的fal函数，可采用频域分析法整定参数，整定方法更为简洁[80]。

图12 基于位置信息的线性ESO结构图

尽管基于fal函数的非线性ESO和线性ESO对常值扰动具有很好的估计性能，然而EMA中常出现高阶扰动，因此有限时间控制的另一个难点在于有限时间收敛ESO的设计。不仅涉及ESO对不同类型扰动的估计能力，也要兼顾测量噪声。文献[81]中设计有限时间收敛的速度控制器和扰动观测器，提高PMSM转速控制的响应速度。文献[82]中设计自适应周期扰动观测器用以抑制周期变化的扰动。基于多重积分的高阶线性扰动观测器额能够实现对斜坡负载扰动的准确估计[83]，但高阶线性观测器的相位延迟比较严重。文献[84]中通过非线性内模控制方法提高伺服系统对正弦扰动的抑制能力。基于高阶滑模观测器的扰动观测器能够提高抑制高阶扰动的能力[85]，但基于函数||sign()(0<<1)的观测器在观测误差较大时的收敛速度仍有改进空间。

鉴于参数的不同取值对闭环收敛特性有直接影响，文献[86]对基于传统的fal函数的非线性闭环控制律进行改进，提出一个新型非线性切换函数falN，见式(6)。falN函数兼具光滑函数(N1>1)和非光滑函数(0

式中，是函数falN的输入；N1、N2、N1、N2是可调参数，且满足N1>1，0

将函数输出和函数输入的比值定义为等效增益。图13是fal函数和falN函数的特性。在输入||>N1时，与fal函数相比，falN函数的等效增益增大，有利于闭环误差的收敛。falN函数保持fal函数在平衡点处收敛快、抗扰强的优点，并改善远离平衡点处的收敛性能。

图13 fal函数和falN函数的特性

控制系统的带宽对动态性能影响很大。高带宽有利于提升抗扰动能力，然而低带宽能够降低噪声敏感性，这与强抗扰的高带宽要求矛盾。因此，伺服控制系统中带宽选择是受限的。ESO中扰动估计和噪声抑制性能之间的矛盾需要进一步研究[87]。文献[88]中指出基于fal函数的ESO比线性ESO的抑制噪声的能力更强。文献[89]中分析了调速系统中的抗扰和噪声抑制的关系。在高动态位置控制中，文献[80]结合LADRC，推导抗扰动和噪声敏感性的定量关系，为后续的深入研究奠定理论和应用基础。虽然取得一些初步结论，但抗扰和降噪的优化控制仍有待完善，是ADRC一个重要的研究方向。

5 总结与展望

本文针对航空机电作动永磁同步电机驱动系统，分别从扰动分析、自抗扰控制的反馈控制通道和扰动补偿通道等方面对自抗扰伺服驱动的研究现状进行分析和总结。经过多年发展，PMSM驱动系统的自抗扰控制虽然已经取得显著的理论研究及应用成果，但仍有许多问题需要深入研究，主要包括以下方面。

(1) 误差驱动和数学模型的深度融合。自抗扰控制中，通常将被控对象转换成积分串联型，而基于精确数学模型的控制理论已经取得丰富的研究成果。将更多的模型信息引入ESO的设计，ESO补偿后得到近似理想模型，再与基于精确模型的闭环控制方法结合，能够扩展抗扰控制的研究及应用范围。

(2) 复杂环境下的多源扰动的精准抑制。伺服系统应用广泛，而且不同场景中机电作动系统的载荷特性也存在差异。结合设备运行过程中数据，从机理建模和数据驱动两个方面，深入研究电机系统的扰动(包括内部扰动和外部扰动)与不同环境因素之间的影响机制，完善航空复杂环境下多源扰动的特征分析，实现广域环境下的精准扰动抑制。

(3) 多约束条件下机电作动系统的优化控制。机电作动系统中存在电压、电流、供电特性、散热等多种非线性约束条件。在部分工况下，忽略约束条件设计的控制器将不再匹配实际系统。因此，实现多约束条件的优化控制，可进一步提升作动系统的动态性能。

(4) 全闭环伺服系统的自抗扰控制。目前航空机电作动系统主要是半闭环伺服控制，即利用电机侧位置传感器测量的位置信息进行位置闭环控制，丝杠端的位移传感器反馈的位置信息进行校正。因为机电伺服系统中减速器、丝杠等机械传动装置中存在齿轮间隙、空程死区等非线性因素，利用终端位置信息进行全闭环伺服控制容易导致振荡现象，仍存在一定难度。后续可结合自抗扰控制理论，进行全闭环高性能伺服控制系统的深入研究。

(5) 高可靠容错控制。机电作动系统的高可靠性是航空应用的关键因素，位置传感器、电流传感器、核心控制器等发生故障将严重威胁机载装备的安全，容错控制是提高可靠性的有效手段。基于模型的故障诊断方法依赖模型的精度，在参数摄动及外部扰动时的故障诊断准确性有待提高，未来可探索ESO在故障诊断和容错控制领域的研究。

[1] 李开省. 电动飞机技术的发展研究[J]．航空科学技术， 2019，30(1)：1-7．

LI Kaisheng. Research on the development of electric aircraft technology[J]. Aeronautical Science & Technology，2019，30(1)：1-7.

[2] GIANGRANDE P，MADONNA V，SALA G，et al. Design and testing of PMSM for aerospace EMA applications[C]// 44th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society，Washington，DC，USA：IEEE，2018：2038-2043.

[3] 王妙香．NASA亚声速大型飞机电推进技术研究综 述[J]．航空科学技术，2019，30(11)：22-29．

WANG Miaoxiang. Overview of NASA electrified aircraft propulsion research for large subsonic transports[J]. Aeronautical Science & Technology，2019，30(11)：22-29.

[4] 孙侠生，程文渊，穆作栋，等. 电动飞机发展白皮 书[J]. 航空科学技术，2019，30(11)：1-7．

SUN Xiasheng，CHENG Wenyuan，MU Zuodong，et al. White paper on the development of electric aircraft[J]. Aeronautical Science & Technology，2019，30(11)：1-7.

[5] FU J，MARE J C，YU L，et al. Multi-level virtual prototyping of electromechanical actuation system for more electric aircraft[J]. Chinese Journal of Aeronautics，2018，31(5)：892-913.

[6] 程明，文宏辉，曾煜，等. 电机气隙磁场调制行为及其转矩分析[J]．电工技术学报，2020，35(5)：921-930．

CHENG Ming，WEN Honghui，ZENG Yu，et al. Analysis of airgap field modulation behavior and torque component in electric machines[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2020，35(5)：921-930.

[7] 郭雷. 关于反馈的作用及能力的认识[J]. 自动化博览， 2003(1)：5-7，19．

GUO Lei. Understanding the role and capability of feedback[J]. Automation Panorama，2003(1)：5-7，19.

[8] YAN Y，YANG J，SUN Z，et al. Robust speed regulation for PMSM servo system with multiple sources of disturbances via an augmented disturbance observer[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2018，23(2)：769-780.

[9] 郭雷．多源干扰系统复合分层抗干扰控制理论：综述与展望[C]// 第三十届中国控制会议，烟台，中国，2011：6193-6198．

GUO Lei. Composite hierarchical anti-disturbance control for systems with multiple disturbances：Survey and overview[C]// Proceedings of the 30th Chinese Control Conference，Yantai，China，2011：6193-6198.

[10] FREIDOVICH L B，KHALIL H K. Performance recovery of feedback-linearization-based designs[J]. IEEE Transactions on Automatic Control，2008，53(10)： 2324-2334.

[11] 韩京清．自抗扰控制器及其应用[J]. 控制与决策，1998，13(1)：19-23．

HAN Jingqing. Auto-disturbances-rejection controller and it’s applications[J]. Control and Decision，1998，13(1)： 19-23.

[12] SHE J，FANG M，OHYAMA Y，et al. Improving disturbance-rejection performance based on an equivalent- input-disturbance approach[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55(1)：380-389.

[13] CHEN W，YANG J，GUO L，et al. Disturbance- observer-based control and related methods：An overview[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2016，63(2)：1083-1095.

[14] DAI C，GUO T，YANG J，et al. A disturbance observer-based current-constrained controller for speed regulation of PMSM systems subject to unmatched disturbances[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2021，68(1)：767-775.

[15] HUANG Y，XUE W. Active disturbance rejection control：Methodology and theoretical analysis[J]. ISA Transactions，2014，53(4)：963-976.

[16] TALOLE S E. Active disturbance rejection control：Applications in aerospace[J]. Control Theory and Technology，2018，16(4)：314-323.

[17] GUO J，XUE W，HU T. Active disturbance rejection control for PMLM servo system in CNC machining[J]. Journal of Systems Science and Complexity，2016，29(1)：74-98.

[18] 王高林，王博文，张国强，等. 无齿轮永磁曳引机无称重传感器自抗扰控制策略[J]. 电工技术学报，2016， 31(S2)：203-209．

WANG Gaolin，WANG Bowen，ZHANG Guoqiang，et al. Weight-transducerless active disturbance rejection control strategy for gearless permanent magnet elevator machine[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2016，31(S2)：203-209.

[19] 高志强．浅谈工程控制的信息问题[J]. 系统科学与数学，2016，36(7)：908-923．

GAO Zhiqiang. On the problem of information in engineering cybernetics[J]. Journal of Systems Science and Mathematical Sciences，2016，36(7)：908-923.

[20] 韩京清. 控制理论——模型论还是控制论[J]．系统科学与数学，1989(4)：328-335．

HAN Jingqing. Control theory，is it a model analysis approach or a direct control approach[J]. Journal of Systems Science and Mathematical Sciences，1989(4)：328-335.

[21] 朱斌. 自抗扰控制入门[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2017．

ZHU Bin. Introduction to auto disturbance rejection control[M]. Beijing：Beihang University Press，2017.

[22] 高志强. 自抗扰控制思想探究[J]. 控制理论与应用， 2013，30(12)：1498-1510．

GAO Zhiqiang. On the foundation of active disturbance rejection control[J]. Control Theory & Applications，2013，30(12)：1498-1510.

[23] HRASKO M，MAKYS P，FRANKO M，et al. A comparison of position control structures for ironless linear synchronous motor[C]// 13th International Power Electronics and Motion Control Conference，Poznan, Poland：IEEE，2008：2538-2542.

[24] FU J，MARÉ J C，FU Y. Modelling and simulation of flight control electromechanical actuators with special focus on model architecting，multidisciplinary effects and power flows[J]. Chinese Journal of Aeronautics，2017，30(1)：47-65.

[25] 刘春强，骆光照，涂文聪，等. 基于自抗扰控制的双环伺服系统[J]. 中国电机工程学报，2017，37(23)： 7032-7039．

LIU Chunqiang，LUO Guangzhao，TU Wencong，et al. Research on power system security and stability standards[J]. Proceedings of the CSEE，2017，37(23)：7032-7039.

[26] YANG J，CHEN W，LI S，et al. Disturbance/ uncertainty estimation and attenuation techniques in pmsm drives：A survey[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2017，64(4)：3273-3285.

[27] LI S，GU H. Fuzzy adaptive internal model control schemes for pmsm speed-regulation system[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics，2012，8(4)：767-779.

[28] 尹忠刚，张迪，蔡剑，等. 基于三自由度内模控制的永磁同步电机矢量控制方法[J]. 电工技术学报，2017，32(21)：55-64．

YIN Zhonggang，ZHANG Di，CAI Jian，et al. A vector control method based on three-degree-of-freedom internal model control for permanent magnet synchronous motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2017，32(21)：55-64.

[29] ZHANG X，SUN L，ZHAO K，et al. Nonlinear speed control for PMSM system using sliding-mode control and disturbance compensation techniques[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(3)：1358-1365.

[30] El-Sousy F F M. Hybrid H∞-based wavelet-neural- network tracking control for permanent-magnet synchronous motor servo drives[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57(9)：3157-3166.

[31] YU W，LUO Y，CHEN Y，et al. Frequency domain modelling and control of fractional-order system for permanent magnet synchronous motor velocity servo system[J]. IET Control Theory & Applications，2016，10(2)：136-143.

[32] 黄庆，黄守道，冯垚径，等．基于变结构自抗扰的永磁电动机速度控制系统[J]. 电工技术学报，2015，30(20)： 31-39．

HUANG Qing，HUANG Shoudao，FENG Yaojing，et al. Variable structure based active-disturbance rejection controller for speed control system of permanent magnet synchronous motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(20)：31-39.

[33] 左月飞，张捷，刘闯，等．针对时变输入的永磁同步电机改进型自抗扰控制器[J]．电工技术学报，2017，32(2)： 161-170．

ZUO Yuefei，ZHANG Jie，LIU Chuang，et al. Integrated design for permanent magnet synchronous motor servo systems based on active disturbance rejection control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2017，32(2)：161-170.

[34] LIU C，LUO G，CHEN Z，et al. A linear ADRC-based robust high-dynamic double-loop servo system for aircraft electro-mechanical actuators[J]. Chinese Journal of Aeronautics，2019，32(9)：2174-2187.

[35] LEE Y，SUN L，MOON J，et al. Reference modulation for performance enhancement of motion control systems with nonlinear parameter variations[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2019，24(5)：2040-2051.

[36] ZUO Z，HAN Q，NING B，et al. An overview of recent advances in fixed-time cooperative control of multiagent systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics， 2018，14(6)：2322-2334.

[37] 刘洋，井元伟，刘晓平，等．非线性系统有限时间控制研究综述[J]. 控制理论与应用，2020，37(1)：1-12．

LIU Yang，JING Yuanwei，LIU Xiaoping，et al. Survey on finite-time control for nonlinear systems[J]. Control Theory & Applications，2020，37(1)：1-12.

[38] BHAT S P，BERNSTEIN D S. Finite-time stability of homogeneous systems[C]// Proceedings of the 1997 American Control Conference，Albuquerque，NM，USA：IEEE，1997(4)：2513-2514.

[39] MISHRA J，WANG L，ZHU Y，et al. A novel mixed cascade finite-time switching control design for induction motor[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2019，66(2)：1172-1181.

[40] 刘慧贤，王钊，李世华. 永磁同步电机伺服系统的有限时间位置控制[J]. 系统科学与数学，2010，30(6)：721-732．

LIU Huixian，WANG Zhao，LI Shihua. Finite-time control for permanent magnet synchronous motor position tracking system[J]. Journal of Systems Science and Mathematical Sciences，2010，30(6)：721-732.

[41] LI Shihua，LIU Huixian，DING Shihong. A speed control for a PMSM using finite-time feedback control and disturbance compensation[J]. Transactions of the Institute of Measurement and Control，2009，32(2)：170-187.

[42] XIA C，LI S，SHI Y，et al. A non-smooth composite control approach for direct torque control of permanent magnet synchronous machines[J]. IEEE Access，2019，7：45313-45321.

[43] WANG G，WANG B，LI C，et al. Weight-transducerless control strategy based on active disturbance rejection theory for gearless elevator drives[J]. IET Electric Power Applications，2017，11(2)：289-299.

[44] 刘春强，刘伊伦，孔凡一，等. 基于时变参数扰动观测器补偿的永磁同步电机非光滑速度调节器[J]．电工技术学报，2019，34(4)：664-672．

LIU Chunqiang，LIU Yilun，KONG Fanyi，et al. Non-smooth speed controller based on time-varying parameter disturbance observer compensation for permanent magnet synchronous motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2019，34(4)：664-672.

[45] YEPES A G，VIDAL A，MALVAR J，et al. Tuning method aimed at optimized settling time and overshoot for synchronous proportional-integral current control in electric machines[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2014，29(6)：3041-3054.

[46] ZHU Q，YIN Z，ZHANG Y，et al. Research on two-degree-of-freedom internal model control strategy for induction motor based on immune algorithm[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2016，63(3)： 1981-1992.

[47] 牛里，杨明，刘可述，等．永磁同步电机电流预测控制算法[J]. 中国电机工程学报，2012，32(6)：131-137．

NIU Li，YANG Ming，LIU Keshu，et al. A predictive current control scheme for permanent magnet synchronous motors[J]. Proceedings of the CSEE，2012，32(6)：131-137.

[48] QU L，QIAO W，QU L. Active-disturbance-rejection- based sliding-mode current control for permanent-magnet synchronous motors[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2021，36(1)：751-760.

[49] KE D，WANG F，HE L，et al. Predictive current control for PMSM systems using extended sliding mode observer with Hurwitz-based power reaching law[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2021，36(6)：7223-7232.

[50] CAI X，ZHANG Z，WANG J，et al. Optimal control solutions for PMSM drives：A comparison study with experimental assessments[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2018，6(1)：352-362.

[51] VUKOSAVIC S N，PERIC L S，LEVI E. Digital current controller with error-free feedback acquisition and active resistance[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2018，65(3)：1980-1990.

[52] 廖勇，李福，林豪．基于虚拟阻抗的永磁同步电机电流环控制策略[J]. 中国电机工程学报，2017，37(19)： 243-250，337．

LIAO Yong，LI Fu，LIN Hao. Virtual impedance-based current control for permanent magnet synchronous machine[J]. Proceedings of the CSEE，2017，37(19)： 243-250，337.

[53] YANG M，LANG X，LONG J，et al. Flux immunity robust predictive current control with incremental model and extended state observer for PMSM drive[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2017，32(12)： 9267-9279.

[54] 魏海峰，韦汉培，张懿．基于扩张状态观测器的永磁同步电机PWM电流预测控制[J]．控制与决策，2018， 33(2)：162-166．

WEI Haifeng，WEI Hanpei，ZHANG Yi. PWM predictive current control of permanent magnet synchronous motor based on extended state observer[J]. Control and Decision，2018，33(2)：162-166.

[55] 杨淑英，王玉柱，储昭晗，等．基于增益连续扩张状态观测器的永磁同步电机电流解耦控制[J]. 中国电机工程学报，2020，40(6)：1985-1997．

YANG Shuying，WANG Yuzhu，CHU Zhaohan，et al. Current decoupling control of PMSM based on an extended state observer with continuous gains[J]. Proceedings of the CSEE，2020，40(6)：1985-1997.

[56] REN J，YE Y，XU G，et al. Uncertainty-and-disturbance- estimator-based current control scheme for PMSM drives with a simple parameter tuning algorithm[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2017，32(7)： 5712-5722.

[57] DENG Y，WANG J，LI H，et al. Adaptive sliding mode current control with sliding mode disturbance observer for PMSM drives[J]. ISA Transactions，2019，88：113-126.

[58] 刘宁，夏长亮，周湛清，等．基于比例增益补偿的永磁同步电机转速平滑控制[J]. 电工技术学报，2018，33(17)：4007-4015．

LIU Ning，XIA Changliang，ZHOU Zhanqing，et al. Smooth speed control for permanent magnet synchronous motor using proportional gain compensation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2018，33(17)：4007-4015.

[59] DU C，YIN Z，ZHANG Y，et al. Research on active disturbance rejection control with parameter autotune mechanism for induction motors based on adaptive particle swarm optimization algorithm with dynamic inertia weight[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2019，34(3)：2841-2855.

[60] LIU C，LUO G，CHEN Z，et al. Measurement delay compensated LADRC based current controller design for PMSM drives with a simple parameter tuning method[J]. ISA Transactions，2020，101：482-492.

[61] OHISHI K. Torque-speed regulation of DC motor based on load torque estimation[C]// IEEJ International Power Electronics Conference，Tokyo，Japan：IEEJ，1983：1209-1216.

[62] MATSUMOTO Y，KATSURA S，OHNISHI K. An analysis and design of bilateral control based on disturbance observer[C]// IEEE International Conference on Industrial Technology，Maribor, Slovenia：IEEE，2003(2)：802-807.

[63] LEU V Q，CHOI H H，JUNG J. Fuzzy sliding mode speed controller for PM synchronous motors with a load torque observer[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(3)：1530-1539.

[64] 郑泽东，李永东，肖曦，等．永磁同步电机负载转矩观测器[J]. 电工技术学报，2010(2)：30-36．

ZHENG Zedong，LI Yongdong，XIAO Xi，et al. Load torque observer of permanent magnet synchronous motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2010(2)：30-36.

[65] WANG F，HE L. FPGA-based predictive speed control for PMSM system using integral sliding-mode disturbance observer[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2021，68(2)：972-981.

[66] LU W，TANG B，JI K，et al. A new load adaptive identification method based on an improved sliding mode observer for PMSM position servo system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2021，36(3)：3211-3223.

[67] OHNISHI K，SHIBATA M，MURAKAMI T. Motion control for advanced mechatronics[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，1996，1(1)：56-67.

[68] 左月飞，张捷，刘闯，等．基于自抗扰控制的永磁同步电机位置伺服系统一体化设计[J]. 电工技术学报， 2016，31(11)：51-58．

ZUO Yuefei，ZHANG Jie，LIU Chuang，et al. Integrated design for permanent magnet synchronous motor servo systems based on active disturbance rejection control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2016， 31(11)：51-58.

[69] LI J，REN H，ZHONG Y. Robust speed control of induction motor drives using first-order auto-disturbance rejection controllers[J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2015，51(1)：712-720.

[70] 韩京清．从PID技术到“自抗扰控制”技术[J]．控制工程，2002，9(3)：13-18．

HAN Jingqing. From PID technique to active disturbances rejection control technique[J]. Control Engineering of China，2002，9(3)：13-18.

[71] 刘旭东，李珂，孙静，等．基于广义预测控制和扩展状态观测器的永磁同步电机控制[J]．控制理论与应用， 2015，32(12)：1613-1619．

LIU Xudong，LI Ke，SUN Jing，et al. Generalized predictive control based on extended state observer for permanent magnet synchronous motor system[J]. Control Theory & Applications，2015，32(12)：1613-1619.

[72] 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[J]. 中国电机工程学报，2008，28(24)： 118-123．

LIU Zhigang，LI Shihua. Active disturbance rejection controller based on permanent magnetic synchronous motor model identification and compensation[J]. Proceedings of the CSEE，2008，28(24)：118-123.

[73] XUE W，MADONSKI R，LAKOMY K，et al. Add-on module of active disturbance rejection for set-point tracking of motion control systems[J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2017，53(4)：4028-4040.

[74] YIN Z，DU C，LIU J，et al. Research on autodisturbance-rejection control of induction motors based on an ant colony optimization algorithm[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2018，65(4)： 3077-3094.

[75] WU D，CHEN K. Frequency-domain analysis of nonlinear active disturbance rejection control via the describing function method[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60(9)：3906-3914.

[76] GAO Z. Scaling and bandwidth-parameterization based controller tuning[C]// Proceedings of the 2003 American Control Conference，Denver，CO，USA：IEEE，2003：4989-4996．

[77] HERBST G，HEMPEL A-J，GÖHRT T，et al. Half-gain tuning for active disturbance rejection control[J]. IFAC-PapersOnLine，2020，53(2)：1319-1324.

[78] LI S，XIA C，ZHOU X. Disturbance rejection control method for permanent magnet synchronous motor speed-regulation system[J]. Mechatronics，2012，22(6)：706-714.

[79] SIRA-RAMÍREZ H，LINARES-FLORES J，GARCÍA-RODRÍGUEZ C， et al. On the control of the permanent magnet synchronous motor：An active disturbance rejection control approach[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology，2014，22(5)：2056-2063.

[80]LIU C，LUO G，DUAN X，et al. Adaptive LADRC-based disturbance rejection method for electromechanical servo system[J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2020，56(1)：876-889.

[81] DU H，WEN G，CHENG Y，et al. Design and implementation of bounded finite-time control algorithm for speed regulation of permanent magnet synchronous motor[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2021，68(3)：2417-2426.

[82] MURAMATSU H，KATSURA S. An adaptive periodic-disturbance observer for periodic-disturbance suppression[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics，2018，14(10)：4446-4456.

[83] KIM K，REW K，KIM S. Disturbance observer for estimating higher order disturbances in time series expansion[J]. IEEE Transactions on Automatic Control，2010，55(8)：1905-1911.

[84] PING Z，WANG T，HUANG Y，et al. Internal model control of Pmsm position servo system：Theory and experimental results[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics，2020，16(4)：2202-2211.

[85] ZHANG C，YANG J，YAN Y，et al. Semiglobal finite-time trajectory tracking realization for disturbed nonlinear systems via higher-order sliding modes[J]. IEEE Transactions on Automatic Control，2020，65(5)：2185-2191.

[86] LIU C，LUO G，CHEN Z，et al. Finite-time convergent multiple disturbance rejection control for electromechanical actuators[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2021，36(6)：6863-6878.

[87] JO N H，JEON C，SHIM H. Noise reduction disturbance observer for disturbance attenuation and noise suppression[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2017，64(2)：1381-1391.

[88] 赵志良. 自抗扰控制设计与理论分析[M]．北京：科学出版社，2019．

ZHAO Zhiliang. Design and theoretical analysis of active disturbance rejection control[M]. Beijing：Science China Press，2019.

[89] ZUO Y，ZHU X，QUAN L，et al. Active disturbance rejection controller for speed control of electrical drives using phase-locking loop observer[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2019，66(3)：1748-1759.

Survey on Active Disturbance Rejection Control of Permanent Magnet Synchronous Motor for Aviation Electro-mechanical Actuator

LIU Chunqiang1LUO Guangzhao1TU Wencong2

(1. School of Automation, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129;2. AVIC Shaanxi Aero Electric Co., Ltd., Xi’an 710065)

The electromechanical actuation system composed of permanent magnet synchronous motor (PMSM) is widely used in aviation equipment. The torque response, efficiency, and steady-state control accuracy of the motor directly affect the performance of aviation equipment. However, there are disturbances such as motor parameter perturbation and load fluctuation in aviation electromechanical actuation. To suppress the influence of disturbances on the dynamic and steady-state performance of the drive system, active disturbance rejection control (ADRC) has become a research hotspot. Based on the background of the aviation electro-mechanical actuator system, the multi-source disturbance in the electro-mechanical system is sorted out. The research results of ADRC in PMSM high-performance servo in recent years are summarized. The research status of strong anti-disturbance feedback control law, current loop anti-disturbance control strategy, disturbance observer of speed and position loops are reviewed. Finally, the research difficulties and challenges of electro-mechanical actuators in the aviation field are summarized, and the development trend of ADRC-based PMSM servo control technology is prospected.

Permanent magnet synchronous motor；servo control；active disturbance rejection control；electro-mechanical actuator

10.11985/2021.04.003

TM351

* 国家自然科学基金(51707161)和航空科学基金(2019053002)资助项目。

20210630收到初稿，20211019收到修改稿

刘春强，男，1990年生，博士。主要研究方向为永磁同步电机伺服驱动，自抗扰控制。E-mail：liuchunqiang22@126.com

骆光照，男，1972年生，教授。主要研究方向为永磁电机驱动技术。E-mail：guangzhao.luo@nwpu.edu.cn

涂文聪，男，1988年生，博士，工程师。主要研究方向为高性能电机控制技术。E-mail：tuwencong@126.com