交流伺服電機速度與位置環的一體化魯棒控制

摘要：提出一種交流伺服系統的離散域復合控制方案，可實現在未知負載條件下的準確位置控制。基于永磁同步電機伺服系統中位置與速度環組成的數學模型，以電機轉角位置作為系統的測量反饋信號，設計一個降階線性擴展狀態觀測器對電機轉速（未量測）和未知負載擾動加以估計，并用于反饋控制和擾動補償。采用TMS320F2812DSP在一臺實際的永磁同步電機上進行了實驗測試，結果表明伺服系統能在未知負載情況下實現平穩和準確的目標位置跟蹤，且對負載和參數差異具有較好的魯棒性。這種控制方案可方便地應用于相關的伺服系統。

關鍵詞：伺服電機；觀測器；擾動；復合控制；離散域設計

中圖分類號： TP273， TM381 文獻標識碼：A 文章編號：0000-0000（2013）00-0000-00

0.引言

在工業加工和裝配生產線中，為提高生產效率和產品質量，機器設備的運動部件需要快速平穩且準確地進入預定的目標區域。控制系統在其中發揮了關鍵的作用。永磁同步電機（PMSM：Permanent Magnet Synchronous Motor）由于功率密度高、結構簡單可靠等優點，在工業伺服系統中得到了廣泛的應用[]。常規的PMSM伺服系統采用基于PID的多環串級控制的結構。PID的特點是簡單易用，但它是一種單自由度的線性控制【2】，不能同時實現快速響應與低超調，且易產生積分器飽和（Windup）現象。PID控制系統的瞬態性能對給定輸入和擾動的變化缺乏魯棒性，實際應用中需引入非線性增益【3】、抗飽和等措施【4-5】。文【6】把自抗擾控制（ADRC：Auto Disturbance Rejection Control）應用于電機伺服系統，其中利用非線性擴展狀態觀測器來提取擾動信號并加以補償，采用非線性PID控制律來改善系統響應性能，但ADRC控制律的參數眾多，且與系統性能的關系并不明朗，參數的整定非常麻煩。本文針對PMSM伺服系統的模型特點和性能需求，提出一種基于線性擴展觀測器的擾動補償復合控制的離散域設計方案。在矢量控制的模式下，把電機的速度和位置環構成的機械子系統作為受控系統，分別以轉矩電流和電機轉角作為控制輸入和受控輸出量，在僅有轉角可量測（如采用增量式光電編碼器）的條件下，設計一個線性擴展狀態觀測器來估計系統的轉速和未知擾動（包括不確定性和負載轉矩等因素），并用于反饋和補償，最終實現平穩和準確的位置控制。本文的設計是基于離散時間域的，而常規的設計往往是在連續時間域，其設計的控制器最終必須經過離散化后才能在實際系統上實現，這種模擬化設計通常要求一個30倍于閉環帶寬的離散采樣頻率，否則實際控制性能將出現較大的偏差，從而增加了設計和調試的工作量。由于數字化控制是大勢所趨，在離散時間域上直接設計出數字控制器是一個更合理的選擇。本文設計的離散時間控制律通過DSP編程實現，在實際的永磁同步電機上進行了實驗測試，驗證了控制方案的有效性。

1.PMSM位置伺服系統的模型

在Code Composer Studio集成開發環境中進行實時實驗，采集的數據轉換到MATLAB進行繪圖。首先在空載條件下（但系統中仍有其它擾動因素）分別對三種角位移（ /2， 和2 ）進行了控制實驗，結果如圖2所示， 圖中分別給出了電機位置（歸一化處理）、轉速、控制電流（轉矩電流給定）和擾動估值的波形，可以看出系統對給定目標能快速平穩且準確地跟蹤， 對應的調節時間（2%誤差帶）分別是0.114、0.116和0.128秒。圖3給出了角位移為2 在三種負載轉矩條件下的實驗結果比較：雖然負載擾動的增大使得系統的響應性能有所趨緩，但總體控制效果仍有很好的一致性，負載擾動的影響受到了有效的抑制。為考察系統參數發生變化后的控制性能，讓控制律中參數b分別取值720和1200 （其他參數值不變），在角位移為 和負載0.12Nm（ 20%額定負載）條件下進行定位控制，并與標稱情況（b=960）比較，如圖4所示，發現系統性能略有惡化，特別是b=1200時超調量接近3%，但總體控制性能仍在可接受范圍內。可見本控制方案對參數變化有一定的魯棒性。

4 結語

提出一種在交流伺服電機上實現準確位置控制的離散時間復合控制方案。采用擴展狀態觀測器技術，從電機的位置測量信號中估計出轉速和未知負載擾動信號，以實現反饋控制和擾動補償。采用TMS320F2812DSP在實際的永磁同步電機上進行了實驗測試。結果表明提出的控制方案可在各種負載條件下實現平穩和準確的位置伺服控制，且對模型參數攝動也具有一定的魯棒性。控制器采用參數化設計，可以方便地推廣應用于相關領域的伺服控制系統。

參考文獻

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