永磁伺服電機的魯棒控制技術
陳淵睿1，吳 捷1，張 宙2
(1．華南理工大學，廣東 廣州 510640；2．香港理工大學，香港)
摘 要：伺服電機及控制器的性能對于先進運動控制系統是至關重要的。文中給出了永磁伺服電機的模型，分別介紹了幾種魯棒控制理論在伺服電機中的應用，并對用于實現這些先進控制算法的數字信號處理器(dsp)也作了強調說明，文章最后做了總結。
關鍵詞：永磁伺服電機；魯棒控制技術；數字信號處理器
中圖分類號：tm383.4；tm921.5 文獻標識碼：a 文章編號：1001- 6848 (2000) 05 - 0021- 04
1 引 言
伺服電機及其控制器的性能直接影響到整個傳動控制系統的表現。目前一般采用永磁無刷電機作為伺服電機。其特點是永磁鐵可節省大量的能源，尤其在中大功率電機中效率更加明顯。據估計，永磁電機的損耗不歿同樣體積的感應電機損耗的百分之60[1]。而且永磁電機的氣隙可以做得比感應電機的大得多，因而電機的制造相對容易，其功率因數仍比感應電機的高。而無刷電機則不需要電刷和換向器，不存在電刷引致的發熱問題，可制成全密封形式，免維護，能在惡劣的環境中運行。轉子慣量小，具有很好的加速性能。永磁交流無刷電機更在低速下仍能平滑運行而對轉矩脈動不敏感，最適合做伺服電機[2]。
以前的伺服電機一般采用直流無刷電機，因為關于直流電機的理論已經非常成熟，同時也是由于受限于當時的微電子和電力電子器件發展水平。然而這樣的電機制造和安裝都要比交流無刷電機復雜，且難以克服低速下的紋波轉矩。隨著微電子和電力電子技術的迅速發展，如高速數字信號處理器(dsp)、mosfet、絕緣柵雙極型晶體管(igbt)、高壓集成電路(hvic,)等的出現，以及現代控制理論借助于高性能器件越來越多地應用于實踐，永磁交流無刷電機正逐步取代直流電機而成為伺服電機的主流。
本文介紹魯棒控制技術在伺服電機中的應用。廣義地說，魯棒控制即是使系統對外部擾動和參數變化不敏感，主要右自適應控制、滑模變結構控制、h一和h。優化控制、卡爾曼濾波(kf)等。這些控制理論都已較成熟，但真正應用于實踐的時間并不長，主要是由于這些方法都較為繁雜，用以前的硬件來實現難于達到實時性要求。數字信號處理器(dsp)的出現，不僅使這些問題迎刃而解，而且還能夠實現更為廉價有效的方案，如無傳感器控制等。
2 電機模型
根據電路原理及電機統一原理，任何電機經過適當的坐標變換都可以寫成統一的方程式。永磁伺服電機在與轉子同步旋轉的d-q坐標系下的模型可寫為：
它根據系統的狀態選擇兩個控制輸入其中之一，相當于系統有兩種結構，即
上述方程將定子電流的勵磁分量za和轉矩分量i。解耦開來，分別對它們進行控制，從而實現了交流傳動系統的矢量控制，得到可與直流電機媲美的性能。由上面的式子很容易寫出系統的矩陣形式的狀態方程，將不確定項或干擾項也包括進去，這里不再贅述。
3 自適應控制
自適應控制的研究最早起源于50年代初對高性能飛行器自動駕駛儀的設計[3]，后來在航空航天、航海、礦山、電力系統等領域都得到了廣泛的應用。它主要有兩種類型，即模型參考自適應系統(mras)和自校正調節器(str)。兩者之間并沒有明顯的界限。其基本思想是根據系統動態和擾動來
實時地調節控制器參數或重新設計控制器。這些都需要大量的運算，實際應用時可根摒需要適當取舍。
自適應控制的思想可用于觀測系統的擾動或不確定性，構成自適應觀測器，估計出不確定項的 |
