一种永磁无刷直流电机自抗扰一锁相环双模控制方法
王灿1,2，刘 刚1.2，王志强1.2
(1．北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191：
2新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室，北京100191)
摘要：针对大型卫星和未来空间站用控制力矩陀螺的高速转子控制系统动态响应慢的问题，提出了一种自抗扰一锁裙环双模控制方法。通过电流转速双环自抗扰控制器和自抗扰锁相环控制器两种模式之间的切换来实现无制直流电机转子转速的快响应、低超调和高精度控制。在期望转速点上通过电流环自抗扰转速锁相环模式实现转子转速高精度控制，在期望转速点外通过双环自抗扰控制器实现到期望转速点的快速跟踪。仿真和实验验证了上述方法的正确性和有效性。
关键词：无刷直流电机；自抗扰控制器；锁相环；双模控制；磁悬浮控制力矩陀螺
中图分类号：TM301.2；TM36+l 文献标志码：A 文章编号：1001-6848（2010）01-0033-05
0引 言
磁悬浮控制力矩陀螺是大型卫星、空间站等大型航天器姿态控制系统长寿命、大力矩的执行机构，其性能直接决定了航天器姿控性能的优劣。而控制力矩陀螺的高速转子系统的角速度幅值精度（即稳速精度）是影响其输出力矩精度的重要因素之一。永磁无刷直流电机作为控制力矩陀螺高速转子系统的驱动机构，提高其转速稳定精度是实现控制力矩陀螺输出力矩的离精度控制的关键之一。
随着控制要求的不断提高，尤其是对转子稳速精度要求高的控制系统中，锁相环控制得到了广泛的应用。其优点是稳速精度高，可达10.4量级，但其动态响应慢，抗干扰能力差。文献[1-3]。从理论上将现代控制理论中的自适应控制、滑模变结构控制和锁相环控制相结合应用到电机的控制中取得了很好的结果，但缺少实验验证。文献[4]通过实验用锁相环控制方式使电机系统达到了较高的稳速控制精度，但其动态响应问题没有得以解决。双模控制能很好的解决锁相环动态Ⅱ向应的问题[1]，但其以双环PI 锁相环双模控制为主，控制效果有待提高。
自抗扰控制器不依赖系统模型，具有超调低、响应速度快、算法简单等特点[6-7]，近年来得到广泛应用。文献[8]将自抗扰控制器运用到永磁同步电机中，得到了一种简单的非线性摩擦的补偿方法；文献[9]成功地将自抗扰控制器运用到无刷直流电机的控制中并取得了一定效果，但其控制精度还有提升空间。针对以上问题，本文提出无刷直流电机自抗扰一锁相环双模控制，将自抗扰控制响应快、超调低的特点和锁相环高精度的优点相结合，实现无刷直流电机高精度快响应控制。
1无刷直流电机自抗扰一锁相环双模控制系统
自抗扰一锁相环双模控制( ADRC - PLL)是由电流和转速双环自抗扰控制器、电流环自抗扰转速锁相环双环控制器和模式切换开关组成。其原理是首先通过双环自抗扰控制器（模式I）将转子转速升到期望转速点，利用自抗扰控制无超调、快响应的特点在期望转速点上由模式切换开关判断并切换到锁相环控制模式（模式Ⅱ）以实现锁相，从而实现转子转速的快速、高稳定度控制。当外界扰动使控制失锁时，模式切换开关迅速将控制方式切换到模式I，由双坏自抗扰控制器使转速稳定到入锁范围内，再切到模式Ⅱ使系统重薪入锁达到转速高精度控制。ADRC-PLL双模控制框图,如图1所示。
1.1永磁无刷直流电机数学模型
本文以二相导通星形三相六状态无刷直流电机为例，分析其数学模型及电磁转矩等特性。为了便于分析，假定三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称；忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响；电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。
三相绕组为星形连接，且没有中线，则电压方程可表示为：
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