永磁伺服電機(jī)的魯棒控制技術(shù)
陳淵睿1，吳 捷1，張 宙2
(1．華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510640；2．香港理工大學(xué)，香港)
摘 要：伺服電機(jī)及控制器的性能對(duì)于先進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是至關(guān)重要的。文中給出了永磁伺服電機(jī)的模型，分別介紹了幾種魯棒控制理論在伺服電機(jī)中的應(yīng)用，并對(duì)用于實(shí)現(xiàn)這些先進(jìn)控制算法的數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)也作了強(qiáng)調(diào)說(shuō)明，文章最后做了總結(jié)。
關(guān)鍵詞：永磁伺服電機(jī)；魯棒控制技術(shù)；數(shù)字信號(hào)處理器
中圖分類號(hào)：tm383.4；tm921.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1001- 6848 (2000) 05 - 0021- 04
1 引 言
伺服電機(jī)及其控制器的性能直接影響到整個(gè)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的表現(xiàn)。目前一般采用永磁無(wú)刷電機(jī)作為伺服電機(jī)。其特點(diǎn)是永磁鐵可節(jié)省大量的能源，尤其在中大功率電機(jī)中效率更加明顯。據(jù)估計(jì)，永磁電機(jī)的損耗不歿同樣體積的感應(yīng)電機(jī)損耗的百分之60[1]。而且永磁電機(jī)的氣隙可以做得比感應(yīng)電機(jī)的大得多，因而電機(jī)的制造相對(duì)容易，其功率因數(shù)仍比感應(yīng)電機(jī)的高。而無(wú)刷電機(jī)則不需要電刷和換向器，不存在電刷引致的發(fā)熱問(wèn)題，可制成全密封形式，免維護(hù)，能在惡劣的環(huán)境中運(yùn)行。轉(zhuǎn)子慣量小，具有很好的加速性能。永磁交流無(wú)刷電機(jī)更在低速下仍能平滑運(yùn)行而對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)不敏感，最適合做伺服電機(jī)[2]。
以前的伺服電機(jī)一般采用直流無(wú)刷電機(jī)，因?yàn)殛P(guān)于直流電機(jī)的理論已經(jīng)非常成熟，同時(shí)也是由于受限于當(dāng)時(shí)的微電子和電力電子器件發(fā)展水平。然而這樣的電機(jī)制造和安裝都要比交流無(wú)刷電機(jī)復(fù)雜，且難以克服低速下的紋波轉(zhuǎn)矩。隨著微電子和電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，如高速數(shù)字信號(hào)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(xiàn)，以及現(xiàn)代控制理論借助于高性能器件越來(lái)越多地應(yīng)用于實(shí)踐，永磁交流無(wú)刷電機(jī)正逐步取代直流電機(jī)而成為伺服電機(jī)的主流。
本文介紹魯棒控制技術(shù)在伺服電機(jī)中的應(yīng)用。廣義地說(shuō)，魯棒控制即是使系統(tǒng)對(duì)外部擾動(dòng)和參數(shù)變化不敏感，主要右自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、h一和h。優(yōu)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(yīng)用于實(shí)踐的時(shí)間并不長(zhǎng)，主要是由于這些方法都較為繁雜，用以前的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)難于達(dá)到實(shí)時(shí)性要求。數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)的出現(xiàn)，不僅使這些問(wèn)題迎刃而解，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)更為廉價(jià)有效的方案，如無(wú)傳感器控制等。
2 電機(jī)模型
根據(jù)電路原理及電機(jī)統(tǒng)一原理，任何電機(jī)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換都可以寫成統(tǒng)一的方程式。永磁伺服電機(jī)在與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系下的模型可寫為：
它根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)選擇兩個(gè)控制輸入其中之一，相當(dāng)于系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)，即
上述方程將定子電流的勵(lì)磁分量za和轉(zhuǎn)矩分量i。解耦開來(lái)，分別對(duì)它們進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)了交流傳動(dòng)系統(tǒng)的矢量控制，得到可與直流電機(jī)媲美的性能。由上面的式子很容易寫出系統(tǒng)的矩陣形式的狀態(tài)方程，將不確定項(xiàng)或干擾項(xiàng)也包括進(jìn)去，這里不再贅述。
3 自適應(yīng)控制
自適應(yīng)控制的研究最早起源于50年代初對(duì)高性能飛行器自動(dòng)駕駛儀的設(shè)計(jì)[3]，后來(lái)在航空航天、航海、礦山、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。它主要有兩種類型，即模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(mras)和自校正調(diào)節(jié)器(str)。兩者之間并沒(méi)有明顯的界限。其基本思想是根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和擾動(dòng)來(lái)
實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)控制器參數(shù)或重新設(shè)計(jì)控制器。這些都需要大量的運(yùn)算，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根摒需要適當(dāng)取舍。
自適應(yīng)控制的思想可用于觀測(cè)系統(tǒng)的擾動(dòng)或不確定性，構(gòu)成自適應(yīng)觀測(cè)器，估計(jì)出不確定項(xiàng)的 |
