基于擾動探測的精細運動控制的實現

摘要：近年來，擾動觀測器已用于許多伺服系統和行業。本文重點在于基于干擾觀測的精細運動控制技術。第一種應用干擾觀測的運動控制是基于干擾觀測器和傳感器矢量控制的電動通勤列車的防滑再粘著控制。第二種擾動觀測器的運動控制應用是光盤記錄系統的高速和魯棒跟蹤伺服系統

關鍵詞：擾動探測；運動控制；跟蹤控制；光盤系統

高通勤列車的加速和減速性能對實現高效率運輸十分必要。切向力是由電動通勤列車與鐵路和驅動輪之間的切向力系數的權重之間的函數規定的。當切向力系數減小，電動通勤火車會有打滑現象。滑移現象會讓乘客感到不舒服，且對導軌和驅動輪有損耗。因此電動通勤列車的驅動系統應該有一個好的防滑再粘連控制系統。我們提出的系統對四個驅動輪具有優良的轉矩響應，這種驅動輪是由兩個只使用一個逆變器的感應電機驅動的。

近來，光盤系統已被用于存儲音頻、視頻。光盤系統中的光盤轉速在同一時間隨著存儲容量的增加而增加。在下一代光盤系統中，光盤的旋轉速度變得幾乎等于10000轉每分。跟蹤控制系統必須迅速抑制對軌道偏心率的跟蹤誤差。而且，光盤系統有時會受到突如其來的干擾。在下一代光盤的跟蹤控制系統里必須具有高的精度性能和較寬的帶寬。光盤系統的跟蹤控制是利用PID控制，重復控制等通過反饋控制來實現的。重復控制已經進行了精確的跟蹤控制。但它很難保持參數變化的魯棒性能和所需的干擾抑制反應。光盤減少跟蹤誤差以低于目標耐受性是很困難的。

為了下一代光盤系統應用的目的，跟蹤控制系統需要在高磁盤轉速的條件下控制精度也很高。因此，本文提出了一種新的控制系統結構，并且在光盤轉速幾乎等于10000轉每分鐘的條件下實現高精度的跟蹤控制。本文所示的前饋控制器是基于跟蹤誤差的預測和存儲器的跟蹤誤差，這是基于相位跟蹤零誤差控制。在跟蹤伺服系統僅使用跟蹤誤差實現所需的跟蹤伺服性能。提出的前饋控制系統在磁盤轉速8000轉每分鐘的條件下很好地抑制周期性擾動。

切向力的峰值是在取最大切向力系數的情況下產生的。當電動多個單元的驅動/制動轉矩超過最大切向力，電動多個單元有一個空轉/滑行現象。因此，最大切向力系數可被描述為附著系數。所需的防滑再粘著控制應保持驅動轉矩在最大切向力附近。一般電動多個單元的驅動系統具有低分辨率的旋轉編碼器的速度傳感器?？刂齐姍C的轉矩迅速抑制空轉滑行現象是非常難的。為了實現一個快速的轉矩響應，本文提出的無傳感器矢量控制系統驅動四個電動多個單元的感應電動機。基于估計的切向力的轉矩給定模式適用于提出的再粘著控制。

為了確認給出的防滑再粘著控制系統的有效性，本文將所提出的方法應用于實際電動多個單元。在205-5000系列的電動多個單元里，無傳感器矢量控制系統由一個PWM逆變器調節四個感應馬達。測試列車的驅動輪和輪軌都被噴灑了水，實驗結果指出，給出的防滑再粘著控制系統實現了所需的驅動輪扭矩響應于205～5000系列電動多個單元。

一、擾動觀測器的魯棒反饋伺服系統

本文采用光盤系統DDU1000，這個系統的跟蹤致動器是電流驅動音圈電機。為了實現高性能的光盤跟蹤伺服記錄系統，提出一種基于互質分解和干擾觀測的數字魯棒反饋伺服系統。提出的反饋伺服系統具有一個雙回路系統，提出的伺服系統被直接用來設計數字控制器。內環路系統是相當于基于狀態反饋和狀態觀測器的閉環系統。外回路系統相當于基于擾動觀測器的閉環系統。使用設計的反饋控制器，魯棒反饋控制系統在3600轉每分的條件下抑制了跟蹤誤差。然而，在光盤高速旋轉下保持剩余跟蹤誤差是很難的。為了克服這個問題，提出新的自由參數，是通過在頻域中使用循環的成型方法設計的。在這種情況下，包括了逆高通濾波器、逆陷波濾波器和超前相位元件。因此，設計的反饋控制系統可以抑制光盤轉速高的情況下剩余的跟蹤誤差。

二、光盤系統突然擾動觀測

如果一個人帶著光盤記錄系統奔跑或者跳躍，光盤系統會有突然的干擾。由于光盤系統受到突然的干擾導致音圈馬達的輸入有了擾動，它能夠考慮當前的跟蹤致動器。傳統的擾動觀測器估計突然干擾是很困難的，因為傳統的擾動觀測器同時估計周期性干擾和突發干擾。由于光斑的位置受周期性擾動和突然干擾的影響。跟蹤誤差是通過光斑位置和實際軌道位置之間的差異獲得的。跟蹤伺服系統只檢測跟蹤誤差。

三、前饋控制跟蹤誤差的預測

用于抑制跟蹤誤差，基于ZPET控制和的魯棒反饋伺服系統的魯棒前饋跟蹤伺服系統已經提出。控制器ZPET在一個光盤系統中擁有使用兩種取樣跟蹤誤差。我們有兩個采樣前向跟蹤誤差的估計方法。本文將跟蹤誤差作為一個周期函數。使用DSP內存，提出的估算方法會獲得兩個采樣跟蹤誤差。

然而，提出的跟蹤伺服系統中使用有前饋補償的低通濾波器。結果，剩余的跟蹤誤差并沒有減少。此外，提出的前饋跟蹤伺服系統需要一個高性能的DSP器件。

為了克服這一問題，提出一種新的前饋補償，快速零點和小信號噪音。跟蹤誤差的預測是由從ZPET-FF補償的輸出到跟蹤誤差的傳遞函數計算出來的。在我們之前的工作中因為有延誤發生，我們提出新的前饋跟蹤伺服系統。通過用突發擾動觀測器和新的前饋跟蹤伺服系統的構成跟蹤伺服系統的總結構。

通過使用多速率突然擾動觀測器的前饋伺服系統在周期性干擾和突發干擾條件下的實驗結果。在本文中，剩余跟蹤誤差通過三次分配來進行評價。多速率突然擾動觀測器能很好地補償突發干擾的影響。跟蹤伺服系統能對突發干擾和周期性擾動保持較小的跟蹤誤差。

本文重點在于基于干擾觀測器的精細運動控制技術。第一種應用干擾觀測的運動控制是基于干擾觀測的電動通勤列車的防滑再粘著控制。我們已經將提出的方法應用到實際的電動多個單元。在205～5000系列的實驗結果中，所提出的控制系統有所需的驅動輪轉矩響應和所需的防滑控制性能。此外，本文提出了一種新的考慮到電動通勤列車的轉向架動力學的高階擾動觀測。第二種應用擾動觀測器的運動控制是為下一代光盤系統的高速和魯棒跟蹤伺服系統。為了這個目的，提出的伺服系統具有采用自由參數的魯棒反饋控制系統，它是用干擾觀測器設計的。此外，為了抑制突然的干擾，該伺服系統具有突發干擾觀測器。本文提出了一種基于跟蹤誤差的預測的新型結構的前饋控制器。實驗結果指出，提出的系統在磁盤轉速8000轉每分的條件下很好地調整了高精度跟蹤伺服控制。