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PMSM矢量控製係統設計與實現

自抗擾控製器 PMSM 矢量控製係統

永磁同步電機PMSM(Permanent Magner Synchronous Machine)具有功率密度高、體積小、效率高、慣量小等優點，廣泛應用於數控機床領域[1]。然而PMSM是一個非線性、強耦合、參數攝動的多變量係統，對於外界擾動以及係統參數變化比較敏感，因此對於控製係統要求較高，既要具有高性能的軟硬件結構，又要具有高性能的控製策略和控製算法[2]。

　為了提高PMSM控製性能, 國內外學者展開了廣泛研究。參考文獻[3]提出一種基於狀態觀測和反饋的控製策略, 參考文獻[4]提出一種基於自抗擾控製器的控製策略，這些方法具有良好的動靜態性能，卻未考慮電流環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[5]提出一種基於模糊自適應PID及幹擾觀測器的三環控製策略，但是這種方法算法較複雜，實時性較差。

　本文提出並實現了一種基於自抗擾控製器[6-7](ADRC)的PMSM矢量控製係統。首先設計基於ADRC的控製器，實時觀測出由係統內部非線性因素以及外部擾動引起的“內外擾動”並進行補償，從而實現精確控製。其次自行研製了基於DSP的多軸運動控製卡，並在此基礎上實現了基於ADRC的矢量控製係統。仿真及實驗結果表明，係統具有良好的動態性能及魯棒性，能夠快速加工出符合要求的模型。

1 ADRC數學模型

　自抗擾控製器是一種基於誤差反饋的新型控製器，主要由非線性跟蹤微分器(NTD)、擴張狀態觀測器(ESO)、非線性誤差反饋(NLSEF)三部分組成，對於形如式(1)的非線性不確定對象具有良好的控製效果。

式(9)~式(12)中V1是電流給定的跟蹤值，Z1是電流觀測的跟蹤值。使用ESO實時觀測出係統“內外擾動”並加以精確補償，即可消除耦合非線性因素的影響，從而實現電流環的準確解耦控製。由於電流環已經抑製了各種擾動，因此為了簡化控製器結構，設計速度環以及位置環控製器時可將非線性跟蹤微分器省略。

3 控製係統實現

　本文自行研製了基於DSP的多軸運動控製卡，運動控製卡充分利用計算機資源，具有高度的集成性、可靠性以及實時性。

   控製係統整體結構圖，係統分為上位機和下位機兩大部分。上位機ARM主要進行加工指令輸入以及譯碼等操作；下位機DSP通過D/A模塊控製多個電機，並通過FPGA模塊解碼編碼器反饋信號，在此基礎上實現電機的閉環控製。基於DSP的多軸運動控製卡的主要功能模塊包括：

   (1) 采用美國TI公司TMS320C2000係列高端運動控製芯片作為係統核心DSP芯片以實現係統的實時處理以及複雜運算；

   (2) 采用雙口RAM實現運動控製卡與上位機之間的高速通信；

   (3) 采用CPLD以及FPGA實現I/O、片選、編碼器反饋解碼等控製功能的擴充；

   (4) 采用D/A模塊實現對電機的伺服控製。

　為了驗證基於ADRC的運動控製係統對於永磁同步電機的矢量控製效果，本文進行了以下工作：

　(1) 通過仿真軟件包Matlab R2008a Simulink平台進行仿真以驗證控製策略的可行性。圖4是分別采用經典PID以及ADRC進行對比控製時的轉子位置響應曲線，由圖中可以看出采用ADRC時超調較小，響應速度較快，係統性能良好。

    (2)進行基於DSP的多軸運動控製卡與電機的聯調以測試運動控製係統性能。圖5、圖6分別是係統輸出電壓電流波形以及電流頻譜，由圖中可以看出係統輸出光滑而且穩定，能夠在相當大程度上抑製諧波。

    (3) 應用運動控製係統進行模型加工。基於ADRC的控製係統能夠快速、準確地加工出符合設計的要求的模型。

本文提出並實現了一種基於自抗擾控製器（ADRC）的PMSM矢量控製係統。首先設計了基於ADRC的控製器，將係統內部非線性項作為“係統內擾”，實時觀測出係統內外擾動的綜合並進行補償;其次自行研製了基於DSP的多軸運動控製卡，並在此基礎上實現了基於ADRC的矢量控製係統。仿真及實驗結果表明係統性能良好，能夠快速加工出符合要求的模型。