一種永磁無刷直流電機自抗擾一鎖相環(huán)雙模控制方法
王燦1,2，劉 剛1.2，王志強1.2
(1．北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100191：
2新型慣性儀表與導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，北京100191)
摘要：針對大型衛(wèi)星和未來空間站用控制力矩陀螺的高速轉(zhuǎn)子控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)慢的問題，提出了一種自抗擾一鎖裙環(huán)雙模控制方法。通過電流轉(zhuǎn)速雙環(huán)自抗擾控制器和自抗擾鎖相環(huán)控制器兩種模式之間的切換來實現(xiàn)無制直流電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的快響應(yīng)、低超調(diào)和高精度控制。在期望轉(zhuǎn)速點上通過電流環(huán)自抗擾轉(zhuǎn)速鎖相環(huán)模式實現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高精度控制，在期望轉(zhuǎn)速點外通過雙環(huán)自抗擾控制器實現(xiàn)到期望轉(zhuǎn)速點的快速跟蹤。仿真和實驗驗證了上述方法的正確性和有效性。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機；自抗擾控制器；鎖相環(huán)；雙模控制；磁懸浮控制力矩陀螺
中圖分類號：TM301.2；TM36+l 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-6848（2010）01-0033-05
0引 言
磁懸浮控制力矩陀螺是大型衛(wèi)星、空間站等大型航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)長壽命、大力矩的執(zhí)行機構(gòu)，其性能直接決定了航天器姿控性能的優(yōu)劣。而控制力矩陀螺的高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的角速度幅值精度（即穩(wěn)速精度）是影響其輸出力矩精度的重要因素之一。永磁無刷直流電機作為控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的驅(qū)動機構(gòu)，提高其轉(zhuǎn)速穩(wěn)定精度是實現(xiàn)控制力矩陀螺輸出力矩的離精度控制的關(guān)鍵之一。
隨著控制要求的不斷提高，尤其是對轉(zhuǎn)子穩(wěn)速精度要求高的控制系統(tǒng)中，鎖相環(huán)控制得到了廣泛的應(yīng)用。其優(yōu)點是穩(wěn)速精度高，可達10.4量級，但其動態(tài)響應(yīng)慢，抗干擾能力差。文獻[1-3]。從理論上將現(xiàn)代控制理論中的自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制和鎖相環(huán)控制相結(jié)合應(yīng)用到電機的控制中取得了很好的結(jié)果，但缺少實驗驗證。文獻[4]通過實驗用鎖相環(huán)控制方式使電機系統(tǒng)達到了較高的穩(wěn)速控制精度，但其動態(tài)響應(yīng)問題沒有得以解決。雙模控制能很好的解決鎖相環(huán)動態(tài)Ⅱ向應(yīng)的問題[1]，但其以雙環(huán)PI 鎖相環(huán)雙模控制為主，控制效果有待提高。
自抗擾控制器不依賴系統(tǒng)模型，具有超調(diào)低、響應(yīng)速度快、算法簡單等特點[6-7]，近年來得到廣泛應(yīng)用。文獻[8]將自抗擾控制器運用到永磁同步電機中，得到了一種簡單的非線性摩擦的補償方法；文獻[9]成功地將自抗擾控制器運用到無刷直流電機的控制中并取得了一定效果，但其控制精度還有提升空間。針對以上問題，本文提出無刷直流電機自抗擾一鎖相環(huán)雙模控制，將自抗擾控制響應(yīng)快、超調(diào)低的特點和鎖相環(huán)高精度的優(yōu)點相結(jié)合，實現(xiàn)無刷直流電機高精度快響應(yīng)控制。
1無刷直流電機自抗擾一鎖相環(huán)雙模控制系統(tǒng)
自抗擾一鎖相環(huán)雙模控制( ADRC - PLL)是由電流和轉(zhuǎn)速雙環(huán)自抗擾控制器、電流環(huán)自抗擾轉(zhuǎn)速鎖相環(huán)雙環(huán)控制器和模式切換開關(guān)組成。其原理是首先通過雙環(huán)自抗擾控制器（模式I）將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升到期望轉(zhuǎn)速點，利用自抗擾控制無超調(diào)、快響應(yīng)的特點在期望轉(zhuǎn)速點上由模式切換開關(guān)判斷并切換到鎖相環(huán)控制模式（模式Ⅱ）以實現(xiàn)鎖相，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的快速、高穩(wěn)定度控制。當(dāng)外界擾動使控制失鎖時，模式切換開關(guān)迅速將控制方式切換到模式I，由雙壞自抗擾控制器使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到入鎖范圍內(nèi)，再切到模式Ⅱ使系統(tǒng)重薪入鎖達到轉(zhuǎn)速高精度控制。ADRC-PLL雙模控制框圖,如圖1所示。
1.1永磁無刷直流電機數(shù)學(xué)模型
本文以二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電機為例，分析其數(shù)學(xué)模型及電磁轉(zhuǎn)矩等特性。為了便于分析，假定三相繞組完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場分布皆對稱；忽略齒槽、換相過程和電樞反應(yīng)等的影響；電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布；磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗。
三相繞組為星形連接，且沒有中線，則電壓方程可表示為：
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