余  隽  邓忠华（华中理工大学）

 

    近年来，随着大功率电力电子器件和微处理器的进步，全数字交流伺服系统发展迅速，本文在快响应电流控制的力矩控制器的基础上，提出了一种适于全数字交流伺服系统的数字控制器方案。该方案简单实用，具有起动快、超调小的跟踪性能，同时又有较强的抗负载扰动能力，其基本思路是首先调节PI参数，以确保系统跟踪性能，然后根据电机的参数和电流瞬时值重构出电机的转速，通过和实测转速相比较后传送至力矩控制器与力矩指令值叠加，平衡扰动对系统的影响，从而又确保系统的抗扰性。文中给出了实验和数字仿真结果。

    由文献[1]，设伺服电机磁路不饱和，磁滞及涡流的影响忽略不计，定子电流产生的空间磁势及永磁转子的磁通分布呈正弦形状，并选取直轴电流id、交轴电流iq.机械角速度ω、机械角位移η、θ为状态变量，直轴电压U_d、交轴电压U、负载转矩Ti为输入变量，可得永磁同步伺服电机的状态方程：

    由文献[2]，给永磁同步伺服电机供电的电压源逆变器由三组六个开关组成，将逆变器和伺服电机看作一个整体时，六个开关共有64种可能的工作状态，对应于13个空间电压向量。当逆变器处于某一个工作状态时，交轴电流分量和直轴电流分量会发生相应的变化，从而使得对电压矢量的控制转换成了对两轴电流的控制。只要控制i_d=0^[3]，就能实现交轴电流i_q和直轴电流i_d的解耦。控制交轴电流分量i_q就能控制电机的电磁力矩。

    交流电机全数字化控制的关键是电流控制的数字化，一旦交直轴电流实现了解耦，交流电机就和直流电机一样易于控制，其特殊之处在于全数字控制中电流控制、速度控制、位置控制均由CPU完成，并要求其算法简单且易于实现，例如采用常用的PI调节器，但单纯的PJ调节中，如果要获得强的抗扰性，特别是较短的恢复时间，通常要加强PI中的积分作用，以尽快消除转速降落，但是积分作用的增强又会导致起动时超调变大，也就是仅用PI调节难以兼顾跟随性能和抗扰性能[4]。

    为了在获得上升快、超调小的系统跟踪性能的同时还具有好的抗负载扰动性能，构造了如下的抗扰观测器。其思路是，首先在原PI参数基础上，增大比例作用，削弱积分作用，确保系统上升快、超调小，再利用抗扰观测器抵消扰动的作用，使PI调节器和抗扰观测器各负其责，彼此独立工作。系统的结构图如图1所示。

   

     虚框内为所加的观测器，它实质上是电机的仿真模型。其工作原理是，先计算电机的力矩电流反馈值，然后在一个速度采样周期内取平均并乘以力矩常数即得电机力矩，积分后为观测转速，并与实测转速比较构成闭环观测器，同时传送至力矩控制器的输入。当无外加扰动时，观测转速(ωo)应等于实测转速，观测器不起作用。一旦扰动出现下降，ω0和ω产生偏差，经PI调节后传送至力矩给定以平衡扰动的作用，就可以迅速抑制扰动。另外，PI调节的输出也使得c跟随叫，直到两者再次一致。

    观测器中的PI调节器的输出是跟随外加扰动Ti，其结构如图2所示。

    传递函数为：

    它是一个二阶传递函数，实际仿真中“断开”主回路，先调试这个环节，保证PI调节的输出迅速地跟随Tl的变化。

    观测器对扰动十分敏感，但对速度给定变化却不敏感。这是因为当给定转速改变时，电流调节器输出的电流增量同时使实际电机和模型电机加减速。由于两者惯量相等，实测转速和观测转速大小相等，偏差为零，观测器不起作用。正是因为这一点，PI和扰动观测器才能彼此独立，各负其责。

    在实际系统中，即使是在空载情况下，外加扰动TL也不为零。与之相对应，观测器中的PJ调节器输出也不为零，而是等于TL这样仿真系统结构上仍与实际系统一致。

    需要指出的是，两者独立调节的前提是仿真模型与实际模型相符。当实际电机带负载后，两者惯量将不相等，仿真模型与实际模型发生偏差。当不存在扰动时，也会由于模型不一致而产生一个“虚扰动”，同时传送至电流控制器以抵消这一“虚扰动”。这将导致系统跟踪性能也受观测器的影响。这个影响若很大，系统的超调就会变大，本方法就不能应用；这个影响若不大，系统的超调就不会有大的变化，本方法就能应用。另一方面，对于扰动观测器也存在类似的问题，观测器理论上不能准确观测出扰动的大小。由于观测器的闭环作用，观测器中PI调节器的输出将补偿这一偏差。仿真表明，系统在惯量发生3倍变化后无大的超调，且仍可明显地抑制负载扰动。究其原因，主要是PI调节中强的比例作用，限制了超调。

  本方法在80C196KC单片机上实现仅比单纯PI调节器多15t,-s左右，所以适用于全数字系统。当然，它同样适用于其它伺服驱动系统。

    按照上述控制方法，对HD-1型永磁同步伺服电机构成酌系统进行了实验和数字仿真研究。电机参数为，额定转矩4Nm，额定转速200rad/s，额定电流4A，绕组电阻2Ω，绕组电感4mH，转动惯量0.00088kg．m²。

     反馈元件为光电编码器，经4倍频后为10000脉冲／r，电流环的采样周期为128μs，速度环的采样周期为Ims。图3，4为实验结果。

    由图3，空载转速上升到300r/min仅要37ms，表明有较快的上升速度

     由图4，低速时转速波动率小于百分之八，表明系统有良好的稳态性能。

     图5，6为系统抗扰仿真结果，速度给定为100r/min，扰动为百分之五十****负载。其中图5a、b分别是空载时加了观测器和不加观测器的突加扰动波形。图6则是带3倍惯量时的突加扰动波形。

    实验结果表明，系统具有快速的跟踪特性和较宽的调速范围。

   

    数字仿真结果表明，在相同的扰动下，系统有观测器时比无观测器时的抗负载扰动性能有明显提高。在带负载和惯量发生变化情况下，仍有好的跟踪特性和抗扰特性。

    本文介绍的数字控制器，运算简单，运用80C196KC单片机可以满足其数字化快速处理能力，实现伺服系统中的直轴电流和交轴电流的解耦和获得快速且平稳的响应，在此基础上，构造带抗扰观测器的数字控制器，可以在获得良好的动静态特性的同时提高系统的抗扰性，得到优良的伺服性能。