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)

摘 要： 針對(duì)永磁同步電機(jī)存在的非線性、強(qiáng)耦合、參數(shù)攝動(dòng)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于自抗擾控制器(ADRC)的矢量控制系統(tǒng)。首先提出基于ADRC的控制策略，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；其次研制基于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PMSM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。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；矢量控制；自抗擾控制器；非線性

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(wú)法從根本上解決非線性問(wèn)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。