基于自抗擾控制器的PMSM矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

永磁同步電機(jī)PMSM(Permanent Magner Synchronous Machine)具有功率密度高、體積小、效率高、慣量小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域[1]。然而PMSM是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合、參數(shù)攝動(dòng)的多變量系統(tǒng)，對(duì)于外界擾動(dòng)以及系統(tǒng)參數(shù)變化比較敏感，因此對(duì)于控制系統(tǒng)要求較高，既要具有高性能的軟硬件結(jié)構(gòu)，又要具有高性能的控制策略和控制算法[2]。
　為了提高PMSM控制性能, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了廣泛研究。參考文獻(xiàn)[3]提出一種基于狀態(tài)觀測(cè)和反饋的控制策略, 參考文獻(xiàn)[4]提出一種基于自抗擾控制器的控制策略，這些方法具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能，卻未考慮電流環(huán)中耦合非線性因素的影響，無法從根本上解決非線性問題；參考文獻(xiàn)[5]提出一種基于模糊自適應(yīng)PID及干擾觀測(cè)器的三環(huán)控制策略，但是這種方法算法較復(fù)雜，實(shí)時(shí)性較差。
　本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于自抗擾控制器[6-7](ADRC)的PMSM矢量控制系統(tǒng)。首先設(shè)計(jì)基于ADRC的控制器，實(shí)時(shí)觀測(cè)出由系統(tǒng)內(nèi)部非線性因素以及外部擾動(dòng)引起的“內(nèi)外擾動(dòng)”并進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)精確控制。其次自行研制了基于DSP的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了基于ADRC的矢量控制系統(tǒng)。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能及魯棒性，能夠快速加工出符合要求的模型。
1 ADRC數(shù)學(xué)模型
　自抗擾控制器是一種基于誤差反饋的新型控制器，主要由非線性跟蹤微分器(NTD)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ESO)、非線性誤差反饋(NLSEF)三部分組成，對(duì)于形如式(1)的非線性不確定對(duì)象具有良好的控制效果。

    式(9)~式(12)中V1是電流給定的跟蹤值，Z1是電流觀測(cè)的跟蹤值。使用ESO實(shí)時(shí)觀測(cè)出系統(tǒng)“內(nèi)外擾動(dòng)”并加以精確補(bǔ)償，即可消除耦合非線性因素的影響，從而實(shí)現(xiàn)電流環(huán)的準(zhǔn)確解耦控制。由于電流環(huán)已經(jīng)抑制了各種擾動(dòng)，因此為了簡(jiǎn)化控制器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)速度環(huán)以及位置環(huán)控制器時(shí)可將非線性跟蹤微分器省略。PMSM矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

3 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
　本文自行研制了基于DSP的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡，運(yùn)動(dòng)控制卡充分利用計(jì)算機(jī)資源，具有高度的集成性、可靠性以及實(shí)時(shí)性。
   圖3是控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩大部分。上位機(jī)ARM主要進(jìn)行加工指令輸入以及譯碼等操作；下位機(jī)DSP通過D/A模塊控制多個(gè)電機(jī)，并通過FPGA模塊解碼編碼器反饋信號(hào)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制。基于DSP的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的主要功能模塊包括：

   (1) 采用美國(guó)TI公司TMS320C2000系列高端運(yùn)動(dòng)控制芯片作為系統(tǒng)核心DSP芯片以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理以及復(fù)雜運(yùn)算；
   (2) 采用雙口RAM實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制卡與上位機(jī)之間的高速通信；
   (3) 采用CPLD以及FPGA實(shí)現(xiàn)I/O、片選、編碼器反饋解碼等控制功能的擴(kuò)充；
   (4) 采用D/A模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的伺服控制。
　為了驗(yàn)證基于ADRC的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)于永磁同步電機(jī)的矢量控制效果，本文進(jìn)行了以下工作：
　(1) 通過仿真軟件包Matlab R2008a Simulink平臺(tái)進(jìn)行仿真以驗(yàn)證控制策略的可行性。圖4是分別采用經(jīng)典PID以及ADRC進(jìn)行對(duì)比控制時(shí)的轉(zhuǎn)子位置響應(yīng)曲線，由圖中可以看出采用ADRC時(shí)超調(diào)較小，響應(yīng)速度較快，系統(tǒng)性能良好。
    (2)進(jìn)行基于DSP的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡與電機(jī)的聯(lián)調(diào)以測(cè)試運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)性能。圖5、圖6分別是系統(tǒng)輸出電壓電流波形以及電流頻譜，由圖中可以看出系統(tǒng)輸出光滑而且穩(wěn)定，能夠在相當(dāng)大程度上抑制諧波。
    (3) 應(yīng)用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行模型加工?；贏DRC的控制系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地加工出符合設(shè)計(jì)的要求的模型。

    本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于自抗擾控制器（ADRC）的PMSM矢量控制系統(tǒng)。首先設(shè)計(jì)了基于ADRC的控制器，將系統(tǒng)內(nèi)部非線性項(xiàng)作為“系統(tǒng)內(nèi)擾”，實(shí)時(shí)觀測(cè)出系統(tǒng)內(nèi)外擾動(dòng)的綜合并進(jìn)行補(bǔ)償;其次自行研制了基于DSP的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了基于ADRC的矢量控制系統(tǒng)。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)性能良好，能夠快速加工出符合要求的模型。
參考文獻(xiàn)
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