交流伺服系統(tǒng)全數(shù)字控制器
余 雋 鄧忠華（華中理工大學(xué)）
l引言
近年來，隨著大功率電力電子器件和微處理器的進(jìn)步，全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)發(fā)展迅速，本文在快響應(yīng)電流控制的力矩控制器的基礎(chǔ)上，提出了一種適于全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的數(shù)字控制器方案。該方案簡單實(shí)用，具有起動快、超調(diào)小的跟蹤性能，同時又有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動能力，其基本思路是首先調(diào)節(jié)pi參數(shù)，以確保系統(tǒng)跟蹤性能，然后根據(jù)電機(jī)的參數(shù)和電流瞬時值重構(gòu)出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過和實(shí)測轉(zhuǎn)速相比較后傳送至力矩控制器與力矩指令值疊加，平衡擾動對系統(tǒng)的影響，從而又確保系統(tǒng)的抗擾性。文中給出了實(shí)驗(yàn)和數(shù)字仿真結(jié)果。
2永磁同步伺服電機(jī)的力矩控制原理
由文獻(xiàn)[1]，設(shè)伺服電機(jī)磁路不飽和，磁滯及渦流的影響忽略不計，定子電流產(chǎn)生的空間磁勢及永磁轉(zhuǎn)子的磁通分布呈正弦形狀，并選取直軸電流id、交軸電流iq.機(jī)械角速度ω、機(jī)械角位移η、θ為狀態(tài)變量，直軸電壓ud、交軸電壓u、負(fù)載轉(zhuǎn)矩ti為輸入變量，可得永磁同步伺服電機(jī)的狀態(tài)方程：
由文獻(xiàn)[2]，給永磁同步伺服電機(jī)供電的電壓源逆變器由三組六個開關(guān)組成，將逆變器和伺服電機(jī)看作一個整體時，六個開關(guān)共有64種可能的工作狀態(tài)，對應(yīng)于13個空間電壓向量。當(dāng)逆變器處于某一個工作狀態(tài)時，交軸電流分量和直軸電流分量會發(fā)生相應(yīng)的變化，從而使得對電壓矢量的控制轉(zhuǎn)換成了對兩軸電流的控制。只要控制id=0[3]，就能實(shí)現(xiàn)交軸電流iq和直軸電流id的解耦�？刂平惠S電流分量iq就能控制電機(jī)的電磁力矩。
3數(shù)字控制器原理
交流電機(jī)全數(shù)字化控制的關(guān)鍵是電流控制的數(shù)字化，一旦交直軸電流實(shí)現(xiàn)了解耦，交流電機(jī)就和直流電機(jī)一樣易于控制，其特殊之處在于全數(shù)字控制中電流控制、速度控制、位置控制均由cpu完成，并要求其算法簡單且易于實(shí)現(xiàn)，例如采用常用的pi調(diào)節(jié)器，但單純的pj調(diào)節(jié)中，如果要獲得強(qiáng)的抗擾性，特別是較短的恢復(fù)時間，通常要加強(qiáng)pi中的積分作用，以盡快消除轉(zhuǎn)速降落，但是積分作用的增強(qiáng)又會導(dǎo)致起動時超調(diào)變大，也就是僅用pi調(diào)節(jié)難以兼顧跟隨性能和抗擾性能[4]。
為了在獲得上升快、超調(diào)小的系統(tǒng)跟蹤性能的同時還具有好的抗負(fù)載擾動性能，構(gòu)造了如下的抗擾觀測器。其思路是，首先在原pi參數(shù)基礎(chǔ)上，增大比例作用，削弱積分作用，確保系統(tǒng)上升快、超調(diào)小，再利用抗擾觀測器抵消擾動的作用，使pi調(diào)節(jié)器和抗擾觀測器各負(fù)其責(zé)，彼此獨(dú)立工作。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
虛框內(nèi)為所加的觀測器，它實(shí)質(zhì)上是電機(jī)的仿真模型。其工作原理是，先計算電機(jī)的力矩電流反饋值，然后在一個速度采樣周期內(nèi)取平均并乘以力矩常數(shù)即得電機(jī)力矩，積分后為觀測轉(zhuǎn)速，并與實(shí)測轉(zhuǎn)速比較構(gòu)成閉環(huán)觀測器，同時傳送至力矩控制器的輸入。當(dāng)無外加擾動時，觀測轉(zhuǎn)速(ωo)應(yīng)等于實(shí)測轉(zhuǎn)速，觀測器不起作用。一旦擾動出現(xiàn)下降，ω0和ω產(chǎn)生偏差，經(jīng)pi調(diào)節(jié)后傳送至力矩給定以平衡擾動的作用，就可以迅速抑制擾動。另外，pi調(diào)節(jié)的輸出也使得c跟隨叫，直到兩者再次一致。
觀測器中的pi調(diào)節(jié)器的輸出是跟隨外加擾動ti，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
傳遞函數(shù)為：
它是一個二階傳遞函數(shù)，實(shí)際仿真中“斷開”主回路，先調(diào)試這個環(huán)節(jié)，保證pi調(diào)節(jié)的輸出迅速地跟隨tl的變化。
觀測器對擾動十分敏感，但對速度給定變化卻不敏感。這是因?yàn)楫?dāng)給定轉(zhuǎn)速改變時，電流調(diào)節(jié)器輸出的電流增量同時使實(shí)際電機(jī)和模型電機(jī)加減速。由于兩者慣量相等，實(shí)測轉(zhuǎn)速和觀測轉(zhuǎn)速大小相等，偏差為零，觀測器不起作用。正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，pi和擾動觀測器才能彼此獨(dú)立，各負(fù)其責(zé)。
在實(shí)際系統(tǒng)中，即使是在空載情況下，外加擾動tl也不為零。與之相對應(yīng)，觀測器中的pj調(diào)節(jié)器輸出也不為零，而是 |
