基于自抗扰控制器的PMSM矢量控制系统设计与实现

摘 要： 针对永磁同步电机存在的非线性、强耦合、参数摄动等问题，设计并实现了基于自抗扰控制器(ADRC)的矢量控制系统。首先提出基于ADRC的控制策略，实时观测出由系统内部非线性因素以及外部扰动引起的“内外扰动”并进行补偿，从而实现精确控制；其次研制基于DSP的多轴运动控制卡，并在此基础上实现了基于ADRC的PMSM矢量控制系统。仿真及实验结果表明，系统具有良好的动态性能及鲁棒性，能够快速加工出符合要求的模型。
关键词：永磁同步电机；矢量控制；自抗扰控制器；非线性

永磁同步电机PMSM(Permanent Magner Synchronous Machine)具有功率密度高、体积小、效率高、惯量小等优点，广泛应用于数控机床领域[1]。然而PMSM是一个非线性、强耦合、参数摄动的多变量系统，对于外界扰动以及系统参数变化比较敏感，因此对于控制系统要求较高，既要具有高性能的软硬件结构，又要具有高性能的控制策略和控制算法[2]。
　为了提高PMSM控制性能, 国内外学者展开了广泛研究。参考文献[3]提出一种基于状态观测和反馈的控制策略, 参考文献[4]提出一种基于自抗扰控制器的控制策略，这些方法具有良好的动静态性能，却未考虑电流环中耦合非线性因素的影响，无法从根本上解决非线性问题；参考文献[5]提出一种基于模糊自适应PID及干扰观测器的三环控制策略，但是这种方法算法较复杂，实时性较差。
　本文提出并实现了一种基于自抗扰控制器[6-7](ADRC)的PMSM矢量控制系统。首先设计基于ADRC的控制器，实时观测出由系统内部非线性因素以及外部扰动引起的“内外扰动”并进行补偿，从而实现精确控制。其次自行研制了基于DSP的多轴运动控制卡，并在此基础上实现了基于ADRC的矢量控制系统。仿真及实验结果表明，系统具有良好的动态性能及鲁棒性，能够快速加工出符合要求的模型。
1 ADRC数学模型
　自抗扰控制器是一种基于误差反馈的新型控制器，主要由非线性跟踪微分器(NTD)、扩张状态观测器(ESO)、非线性误差反馈(NLSEF)三部分组成，对于形如式(1)的非线性不确定对象具有良好的控制效果。

式(9)~式(12)中V1是电流给定的跟踪值，Z1是电流观测的跟踪值。使用ESO实时观测出系统“内外扰动”并加以精确补偿，即可消除耦合非线性因素的影响，从而实现电流环的准确解耦控制。由于电流环已经抑制了各种扰动，因此为了简化控制器结构，设计速度环以及位置环控制器时可将非线性跟踪微分器省略。PMSM矢量控制系统结构见图2。