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．北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京100191：
2新型慣性儀表與導航系統技術國防重點學科實驗室，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子控制系統動態(tài)響應慢的問題，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無制直流電機轉子轉速的快響應、低超調和高精度控制。在期望轉速點上通過電流環(huán)自抗擾轉速鎖相環(huán)模式實現轉子轉速高精度控制，在期望轉速點外通過雙環(huán)自抗擾控制器實現到期望轉速點的快速跟蹤。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)控制系統長壽命、大力矩的執(zhí)行機構，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子系統的角速度幅值精度（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子系統的驅動機構，提高其轉速穩(wěn)定精度是實現控制力矩陀螺輸出力矩的離精度控制的關鍵之一。
隨著控制要求的不斷提高，尤其是對轉子穩(wěn)速精度要求高的控制系統中，鎖相環(huán)控制得到了廣泛的應用。其優(yōu)點是穩(wěn)速精度高，可達10.4量級，但其動態(tài)響應慢，抗干擾能力差。文獻[1-3]。從理論上將現代控制理論中的自適應控制、滑模變結構控制和鎖相環(huán)控制相結合應用到電機的控制中取得了很好的結果，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達到了較高的穩(wěn)速控制精度，但其動態(tài)響應問題沒有得以解決。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模型，具有超調低、響應速度快、算法簡單等特點[6-7]，近年來得到廣泛應用。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，將自抗擾控制響應快、超調低的特點和鎖相環(huán)高精度的優(yōu)點相結合，實現無刷直流電機高精度快響應控制。
1無刷直流電機自抗擾一鎖相環(huán)雙模控制系統
自抗擾一鎖相環(huán)雙模控制( ADRC - PLL)是由電流和轉速雙環(huán)自抗擾控制器、電流環(huán)自抗擾轉速鎖相環(huán)雙環(huán)控制器和模式切換開關組成。其原理是首先通過雙環(huán)自抗擾控制器（模式I）將轉子轉速升到期望轉速點，利用自抗擾控制無超調、快響應的特點在期望轉速點上由模式切換開關判斷并切換到鎖相環(huán)控制模式（模式Ⅱ）以實現鎖相，從而實現轉子轉速的快速、高穩(wěn)定度控制。當外界擾動使控制失鎖時，模式切換開關迅速將控制方式切換到模式I，由雙壞自抗擾控制器使轉速穩(wěn)定到入鎖范圍內，再切到模式Ⅱ使系統重薪入鎖達到轉速高精度控制。ADRC-PLL雙模控制框圖,如圖1所示。
1.1永磁無刷直流電機數學模型
本文以二相導通星形三相六狀態(tài)無刷直流電機為例，分析其數學模型及電磁轉矩等特性。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、轉子磁場分布皆對稱；忽略齒槽、換相過程和電樞反應等的影響；電樞繞組在定子內表面均勻連續(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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