引用本文

王忠阳, 梁丽, 王友清. 永磁同步电动机速度伺服系统最优输出反馈控制器设计. 自动化学报, 2024, 50(9): 1794−1803 doi: 10.16383/j.aas.c240018

Wang Zhong-Yang, Liang Li, Wang You-Qing. Optimal output feedback controller design of permanent magnet synchronous motor speed servo system. Acta Automatica Sinica, 2024, 50(9): 1794−1803 doi: 10.16383/j.aas.c240018

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c240018

关键词

永磁同步电动机，自适应动态规划，输出反馈，线性二次指标 

摘要

针对永磁同步电动机(Permanent magnet synchronous motor, PMSM)模型参数未知以及电枢电流和负载转矩无法直接测量的问题, 设计一种基于自适应动态规划(Adaptive dynamic programming, ADP)的输出反馈控制方案, 实现PMSM最优速度跟踪控制. 首先, 根据PMSM内部特性确定其数学模型的结构, 构建与原始系统相对应的辅助系统, 引入新的线性二次指标来实现速度最优跟踪调节. 其次, 设计一种嵌入式观测器, 该观测器能够在系统模型未知情况下用可测量数据重构系统全部状态. 此外, 提出一种离线策略的ADP方法逼近最优控制增益的解. 最后, 仿真结果验证所提控制方案在模型参数未知以及电枢电流和负载转矩不可测量的情况下, 实现了精确的速度跟踪性能和良好的瞬态响应, 同时降低了电压的冲击.

文章导读

永磁同步电动机(Permanent magnet synchronous motor, PMSM)因体积小和效率高等优点被广泛应用于工业系统中, 特别是伺服系统, 如机器人、电动汽车以及发电系统等[1−3]. 在实际应用中, 良好的控制策略是使得PMSM的转子速度能够快速地跟踪参考转速的关键. 由于电气元件的响应速度远快于机械元件, 级联比例积分(Proportional integral, PI)控制是PMSM有效控制方案之一. 在这个方案中, 文献[4]和文献[5]分别设计一个快内环来控制电枢电流和一个慢外环来调节机械转子速度. 然而, 外部环境的变化导致PMSM的模型参数会发生变化, 因此, 传统的级联PI控制器存在参数整定困难、速度跟踪性能达不到预期效果等缺陷. 

针对PMSM模型不确定的情况, 大量研发人员已经开发了一系列有效的先进控制方案[6], 包括自适应控制、自抗扰控制和模型预测控制等. 针对PMSM模型参数变化, 文献[7] 使用自适应调速器来控制PMSM速度伺服系统, 该方法能使速度跟踪误差快速收敛. Wu等[8]提出一种新的伺服系统自适应控制方法, 对于每个缓慢变化的参数和未知参数设计参数自适应律, 并引入鲁棒项来提高所提出的参数自适应律的收敛速度. 为提升PMSM在参数摄动、负载变化以及其他不确定因素干扰下的抗扰动性能, 谢浩然等[9]提出基于级联线性–非线性自抗扰控制器的PMSM控制方案, 有效提升了系统的抗扰动能力. 文献[10]提出一种基于高阶滑模观测器的PMSM无差拍预测电流控制方法, 提高了PMSM响应速度和电流跟踪精度等控制性能. 针对传统无差拍预测控制存在的预测误差、转矩与磁链耦合等缺陷, 卢宏平等[11]提出一种新型的无差拍预测电流控制方法, 能够适用于PMSM高低载波比运行, 消除了误差和耦合带来的缺陷. 

自适应动态规划(Adaptive dynamic programming, ADP)是一种基于无模型的最优控制方案[12−15], 旨在利用在线数据学习近似最优控制策略. 在实际应用中, ADP已经取得了一系列成果[16−20]. 文献[21]利用ADP和输出调节理论解决PMSM伺服系统最优调节问题. 文献[22] 采用神经网络思想设计不确定动态下的最优转矩控制器, 实现了快速的电流响应和较小的超调. 针对具有部分未知动态、饱和电压以及速度和电流动态扰动的PMSM系统, 文献[23]提出一种基于H∞H∞的控制策略, 并在PMSM样机上证明了该方法的有效性. 文献[24]开发ADP和PI组合的最优控制方案, 通过引入线性二次型调节器来实现速度渐近跟踪和控制闭环系统的瞬态响应. 

然而, 上述方法需要测量系统的全部状态. 在许多实际的跟踪和控制问题中, 不是全部状态都可以直接测量的. 相比之下, 输出反馈技术所使用的传感器更少, 是一种被认为更实用、更经济的方案[25]. 文献[26]对线性离散系统的输出反馈进行深入研究, 研究结果表明, 输出反馈和状态反馈有一致的控制效果. 为研究轨迹跟踪控制问题, 文献[27]提出一种测量反馈方案, 利用可测量输入输出数据在线求解最优控制策略. 另一种解决输出调节的方案是内模原理[28-29], 在反馈回路中包含外部扰动的模型能够实现无误差跟踪. 

为解决PMSM模型参数未知以及电枢电流和负载转矩无法直接测量的问题, 本文提出一种基于ADP方法的PMSM速度伺服输出反馈控制方案. 与之前的研究相比, 本文主要贡献如下: 

1) 通过建立辅助系统来引入新的线性二次指标, 既能保证输出误差收敛到零, 又能降低电压变化带来的冲击, 保护生产过程中的设备; 

2) 所开发的控制策略仅使用输入和输出数据, 解决负载转矩和转子电流无法直接测量的问题; 

3) 所开发的控制策略避免求解调节器方程, 在参考输入或外部干扰发生变化时, 这种方法不需要调整控制器, 具有良好的抗干扰性能. 

本文内容安排如下: 第1节介绍PMSM速度伺服系统的数学模型; 第2节介绍状态反馈控制策略的设计; 第3节介绍状态重构方法; 第4节介绍基于ADP的输出反馈策略设计; 仿真结果和结束语分别在第5节和第6节给出. 

图 1  所提出的控制方案框图

图 2  所提控制方案算法流程图

图 3  学习过程中反馈增益的迭代误差

本文介绍了一种参数未知的ADP最优输出反馈控制方案, 用于解决PMSM速度伺服系统的转子速度跟踪问题. 该控制方案是在输出反馈和自适应动态规划框架下共同完成的, 不需要额外测量系统的转矩、定子q轴电枢电流和事先了解PMSM模型精确参数. 仿真结果表明, 在PMSM模型参数未知的情况下, 仅利用部分测量数据就能找到最佳调节器, 其速度跟踪和瞬态响应性能优于传统的级联PI、LADRC和文献[24]提出的方案. 在未来的工作中, 我们将主要研究PMSM速度伺服系统的非线性自适应最优控制方案. 

作者简介

王忠阳

北京化工大学信息科学与技术学院博士研究生. 2017年和2020年分别获得东华理工大学学士学位和南昌大学硕士学位. 主要研究方向为自适应动态规划, 强化学习和电力电子控制. E-mail: wangzhongyang@buct.edu.cn

梁丽

北京化工大学信息科学与技术学院副教授. 2020年获得北京理工大学博士学位. 主要研究方向为微分对策, 多智能体系统和多目标优化与决策. E-mail: 2022500051@buct.edu.cn

王友清

北京化工大学信息科学与技术学院教授. 2003年和2008年分别获得山东大学学士学位和清华大学博士学位. 主要研究方向为故障诊断, 容错控制, 状态监测及其在化工系统的应用. 本文通信作者. E-mail:wang.youqing@ieee.org