針對(duì)傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器控制系統(tǒng)觀測(cè)器精度不足及突變負(fù)載適應(yīng)性差的問(wèn)題，杭電-臥龍電動(dòng)力系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)提出了一種新型控制策略。采用新坐標(biāo)系數(shù)學(xué)建模結(jié)合擴(kuò)展卡爾曼濾波狀態(tài)觀測(cè)器，提升系統(tǒng)控制精度的同時(shí)增強(qiáng)了運(yùn)行可靠性；同時(shí)，首次將二階振蕩函數(shù)融入自抗擾控制架構(gòu)，有效抑制了電流諧波干擾。該方法經(jīng)穩(wěn)定性理論證明、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在保持系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的前提下顯著的提升抗擾動(dòng)性能。

研究背景

隨著永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器控制在工業(yè)無(wú)人機(jī)及電動(dòng)航空驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的廣 泛應(yīng)用，其狀態(tài)觀測(cè)精度與抗擾性能成為保障飛行性能的核心要素。在復(fù)雜環(huán)境下，傳統(tǒng)觀測(cè)器設(shè)計(jì)在突變負(fù)載工況下電流易產(chǎn)生突變，加劇諧波含量，這不僅影響飛行控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，還會(huì)導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率的下降。這種控制失穩(wěn)現(xiàn)象嚴(yán)重制約了工業(yè)無(wú)人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)測(cè)繪、緊急物資投送等高精度作業(yè)場(chǎng)景的應(yīng)用可靠性，同時(shí)增大了人機(jī)協(xié)同作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

論文所解決的問(wèn)題及意義

本論文旨在研究工業(yè)無(wú)人機(jī)電機(jī)控制算法，采用新坐標(biāo)系數(shù)學(xué)建模結(jié)合擴(kuò)展 卡爾曼濾波狀態(tài)觀測(cè)器，提升系統(tǒng)控制精度的同時(shí)增強(qiáng)了運(yùn)行可靠性；同時(shí)，首次將二階振蕩函數(shù)融入自抗擾控制架構(gòu)，有效抑制了電流諧波干擾。該方法經(jīng)穩(wěn)定性理論證明及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在保持系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的前提下顯著的提升抗擾動(dòng)性能。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

1、新坐標(biāo)系下的擴(kuò)展卡爾曼觀測(cè)器

本論文通過(guò)在估計(jì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的PMSM電壓電流方程，估計(jì)檢測(cè)出電角 度誤差（為如圖1所示 eθγ) , 忽略電角速度和磁鏈的影響，建立離散化數(shù)學(xué)模型，提高了傳統(tǒng)EKF觀測(cè)器的穩(wěn)態(tài)精度以及動(dòng)態(tài)

2、改進(jìn)的慣性自抗擾控制器

自抗擾控制技術(shù)(ADRC)是一種將傳統(tǒng) PI 控制結(jié)合現(xiàn)代控制的基本理念：即利用反饋來(lái)糾正誤差，與現(xiàn)代控制理論的主要成就相結(jié)合的方法。

這種技術(shù)主要由三個(gè)組成部分構(gòu)成：（1）跟蹤微分器(TD) ，用于優(yōu)化控制命令的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；（2）誤差反饋控制律(SEF) ，通過(guò)反饋機(jī)制來(lái)調(diào)整誤差；（3）擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ESO) ， 它能夠估計(jì)系統(tǒng)的非周期性擾動(dòng)。

如圖 2 所示，本文提出IADRC 技術(shù)，在 ESO 上做出了改進(jìn)，分別用來(lái)濾除 上述Yδ坐標(biāo)系下的周期性擾動(dòng)和非周期性擾動(dòng)。如圖3所示，改進(jìn)的 IADRC 在 LADRC 濾除非周期諧波擾動(dòng)的基礎(chǔ)上，能夠?yàn)V除特定頻率的干擾（周期性的諧 波擾動(dòng)）。

3、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

結(jié)論

本文圍繞無(wú)傳感器控制技術(shù)中存在的問(wèn)題，提出了一種基于新坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)建模方法，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了一種新型的擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）無(wú)傳感器控制算法。該算法通過(guò)引入新的坐標(biāo)變換方式，有效提升了系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的準(zhǔn)確性和魯棒性，特別是在電機(jī)低速運(yùn)行或載荷突變等復(fù)雜工況下，仍能保持良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)感觀測(cè)器在切換過(guò)程或狀態(tài)突變時(shí)易引起系統(tǒng)諧波增強(qiáng)的問(wèn)題，本文創(chuàng)新性地引入改進(jìn)型自抗擾控制算法（IADRC），以增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)內(nèi)外擾動(dòng)的抑制能力。該算法結(jié)合擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器與非線性控制律，對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行了更為精準(zhǔn)的估計(jì)與補(bǔ)償，從而有效抑制了由觀測(cè)器變化所引發(fā)的諧波放大現(xiàn)象。

通過(guò)頻域分析，本文系統(tǒng)地揭示了不同算法在抑制諧波方面的理論優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)所提出算法進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng) EKF方法，本文所提算法在估計(jì)精度、電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性以及抗擾性能方面均有顯著提升。

綜上所述，本文在無(wú)傳感器控制領(lǐng)域的建模方法、算法設(shè)計(jì)及魯棒性提升方 面提供了新的理論支持和實(shí)踐方案，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值與推廣前景。

團(tuán)隊(duì)介紹

杭電-臥龍電動(dòng)力系統(tǒng)創(chuàng)新中心，是杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化（人工智能）學(xué)院與臥龍電氣驅(qū)動(dòng)集團(tuán)有限公司聯(lián)合成立的，瞄準(zhǔn)電動(dòng)力系統(tǒng)的理論研究、產(chǎn)業(yè)化。現(xiàn)有教師及臥龍高層次人才9名，其中頂尖人才1名、國(guó)家級(jí)人才1名，在讀碩博研究生40余名，有電力電子實(shí)驗(yàn)室、運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室、航空DO-160環(huán)境綜合實(shí)驗(yàn)室與小批中試車(chē)間等多種平臺(tái)。創(chuàng)新中心在電機(jī)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)、熱分析與管理、電動(dòng)力系統(tǒng)等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，涉及到電動(dòng)航空、電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)船舶、新能源等應(yīng)用場(chǎng)景。

團(tuán)隊(duì)近五年先后承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)項(xiàng)目5項(xiàng)、浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目10 項(xiàng)、浙江省科技計(jì)劃重大專項(xiàng)5項(xiàng)等。團(tuán)隊(duì)共發(fā)表論文130余篇（SCI收錄 20余篇），授權(quán)和公開(kāi)發(fā)明專利150余件，培養(yǎng)的研究生深造于國(guó)內(nèi)外知名院校，就職于國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)。

劉棟良，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制及其應(yīng)用、新能源及電力電子。2005年獲浙江大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)博士學(xué)位，2005-2007年在臥龍控股集團(tuán)博士后工作站從事交流伺服電機(jī)及控制研究。浙江省151第二層次人才，在國(guó)內(nèi)外高質(zhì)量期刊發(fā)表論文18篇以上，主持多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省重點(diǎn)自然科學(xué)基金等。

趙金洋，碩士研究生。研究方向?yàn)殡妱?dòng)航空驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

本工作成果發(fā)表在2025年第8期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“擴(kuò)展卡爾曼觀測(cè)器下的永磁同步電機(jī)負(fù)載擾動(dòng)抑制研究“。本課題為國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目。