基于自抗扰控制器的PMSM矢量控制系统设计与实现

永磁同步电机PMSM(Permanent Magner Synchronous Machine)具有功率密度高、体积小、效率高、惯量小等优点，广泛应用于数控机床领域[1]。然而PMSM是一个非线性、强耦合、参数摄动的多变量系统，对于外界扰动以及系统参数变化比较敏感，因此对于控制系统要求较高，既要具有高性能的软硬件结构，又要具有高性能的控制策略和控制算法[2]。
　为了提高PMSM控制性能, 国内外学者展开了广泛研究。参考文献[3]提出一种基于状态观测和反馈的控制策略, 参考文献[4]提出一种基于自抗扰控制器的控制策略，这些方法具有良好的动静态性能，却未考虑电流环中耦合非线性因素的影响，无法从根本上解决非线性问题；参考文献[5]提出一种基于模糊自适应PID及干扰观测器的三环控制策略，但是这种方法算法较复杂，实时性较差。
　本文提出并实现了一种基于自抗扰控制器[6-7](ADRC)的PMSM矢量控制系统。首先设计基于ADRC的控制器，实时观测出由系统内部非线性因素以及外部扰动引起的“内外扰动”并进行补偿，从而实现精确控制。其次自行研制了基于DSP的多轴运动控制卡，并在此基础上实现了基于ADRC的矢量控制系统。仿真及实验结果表明，系统具有良好的动态性能及鲁棒性，能够快速加工出符合要求的模型。
1 ADRC数学模型
　自抗扰控制器是一种基于误差反馈的新型控制器，主要由非线性跟踪微分器(NTD)、扩张状态观测器(ESO)、非线性误差反馈(NLSEF)三部分组成，对于形如式(1)的非线性不确定对象具有良好的控制效果。

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    式(9)~式(12)中V1是电流给定的跟踪值，Z1是电流观测的跟踪值。使用ESO实时观测出系统“内外扰动”并加以精确补偿，即可消除耦合非线性因素的影响，从而实现电流环的准确解耦控制。由于电流环已经抑制了各种扰动，因此为了简化控制器结构，设计速度环以及位置环控制器时可将非线性跟踪微分器省略。PMSM矢量控制系统结构见图2。

3 控制系统实现
　本文自行研制了基于DSP的多轴运动控制卡，运动控制卡充分利用计算机资源，具有高度的集成性、可靠性以及实时性。
   图3是控制系统整体结构图，系统分为上位机和下位机两大部分。上位机ARM主要进行加工指令输入以及译码等操作；下位机DSP通过D/A模块控制多个电机，并通过FPGA模块解码编码器反馈信号，在此基础上实现电机的闭环控制。基于DSP的多轴运动控制卡的主要功能模块包括：

   (1) 采用美国TI公司TMS320C2000系列高端运动控制芯片作为系统核心DSP芯片以实现系统的实时处理以及复杂运算；
   (2) 采用双口RAM实现运动控制卡与上位机之间的高速通信；
   (3) 采用CPLD以及FPGA实现I/O、片选、编码器反馈解码等控制功能的扩充；
   (4) 采用D/A模块实现对电机的伺服控制。
　为了验证基于ADRC的运动控制系统对于永磁同步电机的矢量控制效果，本文进行了以下工作：
　(1) 通过仿真软件包Matlab R2008a Simulink平台进行仿真以验证控制策略的可行性。图4是分别采用经典PID以及ADRC进行对比控制时的转子位置响应曲线，由图中可以看出采用ADRC时超调较小，响应速度较快，系统性能良好。
    (2)进行基于DSP的多轴运动控制卡与电机的联调以测试运动控制系统性能。图5、图6分别是系统输出电压电流波形以及电流频谱，由图中可以看出系统输出光滑而且稳定，能够在相当大程度上抑制谐波。
    (3) 应用运动控制系统进行模型加工。基于ADRC的控制系统能够快速、准确地加工出符合设计的要求的模型。

    本文提出并实现了一种基于自抗扰控制器（ADRC）的PMSM矢量控制系统。首先设计了基于ADRC的控制器，将系统内部非线性项作为“系统内扰”，实时观测出系统内外扰动的综合并进行补偿;其次自行研制了基于DSP的多轴运动控制卡，并在此基础上实现了基于ADRC的矢量控制系统。仿真及实验结果表明系统性能良好，能够快速加工出符合要求的模型。
参考文献
[1] Yasser Abdel-Rady Ibrahim Mohamed. Design and implementation of a robust current-control scheme for a PMSM vector drive with a simple adaptive disturbance observer[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2007,54(4):1981-1988.
[2] Yasser Abdel-Rady Ibrahim Mohamed，Ehab F. El-Saadany. A current control scheme with an adaptive internal model for torque ripple minimization and robust current regulation in PMSM Drive Systems[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2008,23(1):92-100.
[3] 郑泽东，李永东，FADEL M，等.基于状态观测和反馈的伺服系统位置控制器[J].清华大学学报(自然科学版)，2008，48(1)：24-27.
[4] 孙 凯，许镇琳，盖廓.等, 基于自抗扰控制器的永磁同步电机位置伺服系统[J]. 中国电机工程学报,2007,27(15):43-46.
[5] 刘子建,吴敏,陈鑫,等.永磁同步电机混合非线性控制策略[J]. 浙江大学学报, 2010,44(7):1303-1307.
[6] 韩京清. 自抗扰控制器及其应用[J].控制与决策,1998,13(1):19-23.
[7] 韩京清. 从PID技术到“自抗扰控制”技术[J].控制工程, 2002,9(3):13-18.