永磁同步直驅伺服電動機的模型校正控制

    黃梁松^1，2，曲道奎^1，3，徐方^1，3

(1中國科學院沈陽自動化研究所，遼寧沈陽110016；2中國科學院研究生院，北京100049

    3新松機器人自動化股份有限公司，遼寧沈陽110168)

摘要：針對直驅電動機的特點，提出了模型校正控制策略，利用基于卡爾曼濾波器的狀態觀測器和數字低遙濾波器的結構組合對控制系統模型進行校正，同時對觀測的負載轉矩進行補償。理論和實驗均表明該策略能夠有效消除控制系統中的高階成分、非線性因素、高頻噪聲及負載轉矩變化的影響，提高直驅伺服系統的穩定性、魯棒性和抗干擾能力。

    關鍵詞：直驅伺服電動機；模型校正；卡爾曼濾波器；狀態觀測器；負載轉矩

    中圖分類號：TM341；TM383．4  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2010)05—0049—04

0引言

    隨著數控技術和機器人技術的發展，傳統的伺服電動機配減速器的驅動方式在許多場合下已經不能滿足要求，而需要采用具有更優異運動性能的直驅伺服系統。直驅伺服系統中的伺服電動機與所驅動的負載直接耦合在一起，中間不存在減速機構，消除了傳動機構引起的傳動誤差、非線性摩擦力和彈性形變的影響，可實現高定位精度及高動態響應，同時還具有低噪聲和免維護等特點，因此直驅伺服系統在機器人、半導體制造裝置、精密機床、精密測試儀器等領域有著廣泛的應用前景^[1]。

    雖然直驅伺服系統有許多優勢，但同時也產生了新的技術問題。一方面各類干擾會不經過任何中間環節的衰減而直接作用到電機上，使得直驅電動機對紋波轉矩、轉動慣量、電機參數和負載轉矩的變化變得敏感，降低了系統的傳動和定位精度；另一方面，系統在閉環控制過程中，系統模型中的高階成份1模型校正控制原理二階線性系統是進行控制理論分析和控制策略實施最典型的系統，其工程分析和應用方法已非常成熟。對于交流伺服電機控制系統這樣的高階非線性系統，工程上常將其簡化為二階線性系統進行近似分析，但如果系統模型中的高階成分和非線性因素不能簡單地通過模型簡化排除時，勢必會對整個控制系統的動態性能和穩定性造成較大的影響^[7-8]，為此本文提出了模型校正控制，即將高階非線性系統的模型校正為二階線性系統進行控制，以此消除高階成分和非線性的影響，該算法的基本原

理如圖1所示。

     圖中：G(s)為被控對象(直驅伺服電動機)，c(s)為控制器，G。(s)為狀態觀測器，F(s)為低通濾波器。d是外部干擾，n是高頻噪聲。控制系統輸出響應y(s)包括兩部分，即：

式中：yd(s)為二階線性系統的輸出響應，yn(s)為高階成份和高頻噪聲的輸出響應。狀態觀測器的輸出y。(s)也包括兩部分，即：

式中：yod(s)為狀態觀測器中所觀測的二階線性系統的輸出響應，ye(s)為狀態觀測器模型與實際系統模型的偏差。如果狀態觀測器觀測結果逼近實際系統，則：

    由于yh(s)是高頻量測噪聲，因此理想狀態下被完全濾除，而模型偏差ye(s)具有低頻特性，完全通過濾波器，得到校正濾波器的輸出為：

     由式(7)可知，反饋值為閉環系統中二階線性系統的輸出響應，消除了模型中的高階成份、高頻噪聲和模型偏差的影響，同時排除了單純使用低通或帶通濾波器所產生的幅值衰減、失真和相位滯后等問題。

2狀態觀測器設計

  模型校正控制策略的關鍵是狀態觀測器的設計，狀態觀測器一方面為模型校正控制提供反饋觀測值，另一方面也為電流環的補償算法提供負載轉矩觀測值。卡爾曼濾波器運用****估計原理對系統狀態變量進行最小方差估計，并在估計過程中消除模型誤差和測量誤差對狀態變量估計值的影響，因而具有很高的精度，卡爾曼濾波器的特點還在于采用遞推算法，大大減少