一種機(jī)電位置伺服系統(tǒng)的抑?jǐn)_控制策略及其實(shí)現(xiàn)

吳 牮，于 今，謝光輝，王光建

(1.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院機(jī)電學(xué)院 重慶 沙坪壩區(qū) 401331；2.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 沙坪壩區(qū) 400044)

自中科院系統(tǒng)所在20世紀(jì)80年代末期開創(chuàng)了自抗擾控制技術(shù)的相關(guān)理論研究，并于1998年正式提出自抗擾控制器(ADRC)的概念以來(lái)[1]，自抗擾控制器已經(jīng)在很多領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用。近年來(lái)，在交流伺服驅(qū)動(dòng)控制方向上也出現(xiàn)了相關(guān)的一些研究工作。這些工作要么致力于對(duì)傳統(tǒng)交流伺服三環(huán)控制結(jié)構(gòu)基于經(jīng)典ADRC技術(shù)進(jìn)行不同形式的改造[2-9]，要么是通過對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行部分辨識(shí)與補(bǔ)償或采用無(wú)參數(shù)整定的控制策略等方式對(duì)ADRC進(jìn)行適度改進(jìn)，再應(yīng)用于交流伺服控制[10-11]。以上各項(xiàng)研究中所構(gòu)建的交流伺服控制系統(tǒng)無(wú)一例外地僅將電機(jī)本體作為控制對(duì)象，而對(duì)于結(jié)構(gòu)更復(fù)雜且慣量更大的機(jī)電系統(tǒng)均未涉及。另外，ADRC在交流伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用研究目前仍然停留在仿真實(shí)驗(yàn)或算法實(shí)現(xiàn)的探討層面[12-13]，工程實(shí)現(xiàn)的實(shí)際案例極少。

本文基于一種實(shí)際的電機(jī)試驗(yàn)設(shè)備，為了有效抑制其三坐標(biāo)自動(dòng)定位系統(tǒng)中的顯著擾動(dòng)，構(gòu)建了包含伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器以及復(fù)雜機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的一種全閉環(huán)位置伺服機(jī)電控制系統(tǒng)，并且在系統(tǒng)位置外環(huán)控制器中植入先進(jìn)的ADRC控制算法。在動(dòng)力學(xué)建模與分析的基礎(chǔ)上，通過仿真對(duì)比分析及相應(yīng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該全閉環(huán)位置伺服控制結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)中抑制負(fù)載外擾及阻抗內(nèi)擾的有效性。

1 電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)Z軸傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模

圖1為某型電機(jī)試驗(yàn)設(shè)備的示意圖，該設(shè)備的主體之一為一種三坐標(biāo)自動(dòng)定位臺(tái)架，臺(tái)架具有X、Y、Z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)自由度，且每個(gè)方向都采用手輪和PMSM交流伺服控制驅(qū)動(dòng)的方式，以“PC+運(yùn)動(dòng)控制板卡”作為上位控制器。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備示意圖

在試驗(yàn)臺(tái)架的X、Y、Z三軸系統(tǒng)中，Z軸升降系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀況最為特殊。一方面，升降平臺(tái)作上、下運(yùn)動(dòng)時(shí)其重力荷載造成了Z軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的外負(fù)載顯著不對(duì)稱，因此當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)一定時(shí)，即使荷重恒定，也相當(dāng)于對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)施加了一個(gè)恒值負(fù)載外擾，造成Z軸升降系統(tǒng)上、下運(yùn)行時(shí)的被控運(yùn)動(dòng)參量呈現(xiàn)明顯差異，在X、Y、Z三軸作空間曲線的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由此帶來(lái)的位置偏差不容忽視。另一方面，Z軸機(jī)械傳動(dòng)部分的環(huán)節(jié)相對(duì)較多并且采用了四桿導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，由于制造及裝配誤差的緣故，安裝平臺(tái)在Z向運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦力作為內(nèi)擾因素不僅顯著且極不穩(wěn)定。此外，在持續(xù)工作狀況下，驅(qū)動(dòng)器的不穩(wěn)定、電機(jī)阻抗的波動(dòng)等等都會(huì)以內(nèi)擾的形式對(duì)系統(tǒng)伺服性能產(chǎn)生負(fù)面影響。鑒于此，以下就以Z軸系統(tǒng)作為典型對(duì)象來(lái)展開討論。Z軸機(jī)械傳動(dòng)模型如圖2示。圖中，i為蝸輪蝸桿傳動(dòng)比；Tmi為伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；θmi為伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角；J1為軸Ⅰ轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J2為軸Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；K1為軸Ⅰ扭轉(zhuǎn)剛度；K2為軸Ⅱ扭轉(zhuǎn)剛度；K3為軸Ⅲ直線剛度；B為安裝平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的速度阻尼系數(shù)；M為軸Ⅲ總質(zhì)量。

如絲杠導(dǎo)程為l，安裝臺(tái)直線位移S折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)角為假定作用于軸Ⅱ的扭矩為T2，由荷重產(chǎn)生的力矩為TL，則由平衡關(guān)系可得下列等式：

圖2 Z軸機(jī)械傳動(dòng)模型

式(1)中，

由式(2)和式(3)，得到Z軸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為：

式(4)中的荷重等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL之前的“?”號(hào)，在安裝臺(tái)上升時(shí)取“?”號(hào)，下降時(shí)取“+”號(hào)，在式(3)中情況恰好相反，該轉(zhuǎn)矩大小可用下式估算：

式中，g為重力加速度；η為絲桿傳動(dòng)效率；μ0為預(yù)壓螺母內(nèi)摩擦系數(shù)；F0為預(yù)壓荷重。

2 基于ADRC及PMSM矢量變換控制的Z軸全閉環(huán)伺服控制結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)臺(tái)X、Y、Z三軸電氣傳動(dòng)環(huán)節(jié)均采用永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)矢量控制驅(qū)動(dòng)的方式，系統(tǒng)采用流行的電流、速度、位置三閉環(huán)串級(jí)控制模式。如系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)采用半閉環(huán)，則位置信號(hào)采自伺服電機(jī)編碼器而非終端工作臺(tái)，故系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)誤差難以補(bǔ)償，機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的各種擾動(dòng)也不能得到有效抑制。鑒于此，以試驗(yàn)臺(tái)為對(duì)象，在其X、Y、Z三軸驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)系統(tǒng)中引入全閉環(huán)位置伺服控制結(jié)構(gòu)，即電流、速度雙閉環(huán)串級(jí)控制功能由伺服電動(dòng)機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器完成，然后將電流、速度環(huán)嵌入位置外環(huán)，位置信號(hào)由安裝在工作臺(tái)上的光柵尺檢測(cè)反饋。

目前工程應(yīng)用中的交流伺服三環(huán)控制系統(tǒng)的速度環(huán)調(diào)節(jié)器、電流環(huán)調(diào)節(jié)器通常都采用PI調(diào)節(jié)器，而位置環(huán)則多用P或PID調(diào)節(jié)器。為了有效抑制系統(tǒng)擾動(dòng)對(duì)位置精度的影響，在構(gòu)造的全閉環(huán)系統(tǒng)中，速度環(huán)、電流環(huán)仍然采用PI調(diào)節(jié)器，位置外環(huán)調(diào)節(jié)器則設(shè)計(jì)成ADRC。

以Z軸為對(duì)象，改進(jìn)后的交流伺服驅(qū)動(dòng)矢量控制結(jié)構(gòu)如圖3示，結(jié)合式(4)，得到Z軸升降系統(tǒng)三環(huán)位置伺服全閉環(huán)控制框圖如圖4，其中為由式(1)～式(3)消去Tmi、T2所得的傳遞函數(shù)，KVP、KiP為速度、電流比例增益系數(shù)，KVI、KiI為速度、電流積分增益系數(shù)，TPWM為逆變器工作周期，KPWM為逆變器比例放大系數(shù)，L為伺服電機(jī)定子電感，R為伺服電機(jī)定子電阻，λe為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Ke為電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，S*為位置(位移)給定，S為位置(位移)檢測(cè)信號(hào)。

圖3 改進(jìn)的Z軸升降驅(qū)動(dòng)PMSM矢量變換控制框圖

圖4 Z軸升降位置伺服系統(tǒng)全閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖

3Z軸位置環(huán)的ADRC設(shè)計(jì)

3.1 ADRC的一般數(shù)學(xué)模型

設(shè)有一非線性系統(tǒng)：

對(duì)以上系統(tǒng)式(6)，ADRC控制算法最一般的數(shù)學(xué)模型如下[14-15]：

1)系統(tǒng)的n階跟蹤微分器為：

式中，z11是對(duì)系統(tǒng)給定μ(t)的跟蹤值；R為跟蹤微分器的信號(hào)輸入界限，即為μ(t)跟蹤值的各階微分值；為一非線性函數(shù)。

2)系統(tǒng)的n+1階擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器為：

式中，z21為y的跟蹤值；為y的跟蹤值的各階微分值；而為對(duì)系統(tǒng)外部擾動(dòng)與未建模部分的實(shí)時(shí)估計(jì)；為非線性函數(shù)。目前控制工程中使用的非線性函數(shù)有多種，多數(shù)時(shí)候選用以下形式：

式中，α為非線性因子；δ為濾波因子。

3)針對(duì)系統(tǒng)的非線性狀態(tài)誤差反饋控制律(nonlinear state error feed back, NLSEF)為：

3.2 一種簡(jiǎn)化的位置環(huán)ADRC

令v為Z軸升降臺(tái)直線運(yùn)動(dòng)速度，當(dāng)升降臺(tái)位移量為S時(shí)，顯然dS/dt=v。由于各種擾動(dòng)的影響而引起的速度波動(dòng)量為：

由前述自抗擾控制器的特性，如在位置環(huán)中引入ADRC，則不需要知道非線性因素w(t)的具體形式，而僅需要通過ADRC對(duì)此時(shí)變非線性擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)即可。根據(jù)Z軸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式(4)及式(7)～式(10)，構(gòu)制出Z軸位置環(huán)ADRC的一種低階模型，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 位置環(huán)自抗擾控制器結(jié)構(gòu)圖

在低階情況下，跟蹤微分器NTD是可以省掉的，因此可得簡(jiǎn)化的ADRC模型如下：

二階非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器：

非線性狀態(tài)誤差反饋控制律：

式中，S*為Z軸升降的位置給定；S為實(shí)際檢測(cè)到的位置信號(hào)；α01、α02、α1為非線性因子；δ01、δ02、δ1為濾波因子；z21為對(duì)檢測(cè)反饋位置信號(hào)的跟蹤值；ε01為位置蹤誤差；z22為位置環(huán)的擾動(dòng)觀測(cè)值；控制輸出u=v*，v*實(shí)際上是速度環(huán)的給定值。

4 仿真分析

為了驗(yàn)證位置環(huán)采用ADRC的效果，在MATLAB/Simulink環(huán)境下對(duì)Z軸系統(tǒng)的全閉環(huán)位置伺服性能進(jìn)行仿真分析。

仿真參數(shù)：伺服電機(jī)以1 000 W臺(tái)達(dá)低慣量電機(jī)為參照，相關(guān)參數(shù)取定為定子電感L=5.7 mH，直阻R=0.897Ω；轉(zhuǎn)子慣量轉(zhuǎn)子磁鏈ψf≈0.015 Wb；Z軸系統(tǒng)總質(zhì)量(絲桿+安裝板+磁粉制動(dòng)器+傳感器)M≈40 kg；l=0.008 m，設(shè)定三環(huán)均為單位反饋，即反饋系數(shù)系統(tǒng)速度環(huán)、電流環(huán)均采用PI調(diào)節(jié)控制。

以等效轉(zhuǎn)角Φ作為Z軸位置給定，取Φ=0.5rad，位置環(huán)采用PID調(diào)節(jié)器時(shí)，控制器參數(shù)整定如下：位置環(huán)增益速度環(huán)增益

4.1 荷重?cái)_動(dòng)下的位置伺服性能仿真

給定Z軸目標(biāo)位置，電機(jī)在滿負(fù)載額定轉(zhuǎn)矩下上電起動(dòng)，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)安裝平臺(tái)上升、下降運(yùn)行到達(dá)給定位置，為了考察升降臺(tái)荷重作為一種恒值負(fù)載外擾對(duì)Z軸系統(tǒng)位置跟蹤動(dòng)態(tài)性能的影響，針對(duì)以上過程進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。電流環(huán)增益位置環(huán)采用ADRC時(shí)，控制器參數(shù)整定如下：ESO：速度環(huán)、電流環(huán)參數(shù)與PID調(diào)節(jié)時(shí)一致。仿真輸出如圖6所示。為便于將多條曲線在同一坐標(biāo)系下直觀比較，仿真輸出時(shí)，上升、下降位移值均取為正值。

圖6 荷重恒定擾動(dòng)下Z軸系統(tǒng)位置跟蹤特性

從位置跟蹤曲線可以看出，在相同荷重?cái)_動(dòng)下，位置環(huán)無(wú)論是采用PID調(diào)節(jié)器或還是ADRC調(diào)節(jié)器，上升過程均慢于相應(yīng)下降過程，這是正常的結(jié)果。但是采用ADRC時(shí)升降差異很小且均無(wú)明顯超調(diào)，而采用PID調(diào)節(jié)器時(shí)，上升、下降過程出現(xiàn)顯著差異，在下降時(shí)超調(diào)較大且伴隨沖擊振蕩。

4.2 突加阻抗擾動(dòng)時(shí)的位置伺服性能仿真

給定Z軸目標(biāo)位置，電機(jī)滿負(fù)載上電起動(dòng)正轉(zhuǎn)，升降臺(tái)上升到達(dá)目標(biāo)位置，為了考察系統(tǒng)對(duì)其內(nèi)部擾動(dòng)的抑制能力及位置伺服的魯棒特性，在對(duì)系統(tǒng)突加阻抗擾動(dòng)的情形下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

圖7 阻抗擾動(dòng)下Z軸系統(tǒng)的位置保持特性

圖8 阻抗擾動(dòng)下Z軸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性

仿真實(shí)驗(yàn)分兩種情形完成，情形1：平臺(tái)負(fù)重上升達(dá)到目標(biāo)位置系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，約2 s后將三相對(duì)稱阻抗串入伺服電機(jī)定子。情形2：在平臺(tái)上升過程中將阻抗串入伺服電機(jī)定子。每個(gè)擾動(dòng)線圈阻抗參數(shù)取為L(zhǎng)=1.82 mH ，R=0.46Ω，控制器參數(shù)整定同4.1節(jié)。兩種情形下平臺(tái)位置變動(dòng)與調(diào)整恢復(fù)的仿真輸出如圖7、圖8a所示。仿真結(jié)果顯示，對(duì)于相同的阻抗擾動(dòng)，第一種情況下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)位置保持能力ADRC略優(yōu)于PID，但差異不顯著，兩種調(diào)節(jié)方式都有比較好的抑抗擾能力，這與擾動(dòng)發(fā)生在內(nèi)環(huán)有一定關(guān)系。第二種情況下，ADRC調(diào)節(jié)的系統(tǒng)其上升過程幾乎不受影響，PID調(diào)節(jié)的系統(tǒng)則有較明顯波動(dòng)，表明升降臺(tái)運(yùn)動(dòng)慣性對(duì)擾動(dòng)有一定的消解作用，也顯示ADRC具有更強(qiáng)的動(dòng)態(tài)抑?jǐn)_能力。

5 測(cè)試實(shí)驗(yàn)及分析

5.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

測(cè)試實(shí)驗(yàn)基于一套工業(yè)級(jí)的電機(jī)試驗(yàn)設(shè)備，實(shí)物如圖9所示。系統(tǒng)采用研華工控機(jī)(IPC-7132)及雷泰DMC5480四軸運(yùn)動(dòng)控制卡作上位控制器，試驗(yàn)臺(tái)架的X、Y、Z各軸均以臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)單元，其中Z軸伺服電機(jī)為1 000 W，型號(hào)為ECMA-C-0910ES，配套驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為ASD-B2-1021，各軸工作臺(tái)裝光柵尺(KA-300-5041A-370-9-3)檢測(cè)反饋位置信號(hào)到上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制板卡完成數(shù)據(jù)采集與顯示。另外，用于對(duì)被測(cè)試電機(jī)加載的磁粉制動(dòng)器(FZ50.J/Y)以及用于檢測(cè)速度、轉(zhuǎn)矩的傳感器(ZJ-20A)均安裝在Z軸升降平臺(tái)上。

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置

當(dāng)運(yùn)動(dòng)控制板卡以速度接線模式與伺服驅(qū)動(dòng)器連接，伺服驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)設(shè)置在速度控制模式，系統(tǒng)則搭建成三環(huán)串級(jí)全閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其中電流、速度閉環(huán)控制調(diào)節(jié)由驅(qū)動(dòng)器完成，位置外環(huán)控制調(diào)節(jié)由上位控制器完成。另外，在win7環(huán)境下用C#語(yǔ)言基于板卡庫(kù)函數(shù)編制一套應(yīng)用軟件，籍此可對(duì)三軸設(shè)定運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)，能實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、單軸控制，實(shí)時(shí)采集各軸位置信號(hào)并實(shí)現(xiàn)時(shí)間、位移數(shù)據(jù)列表和相應(yīng)的圖形曲線顯示。測(cè)試表明全閉環(huán)位置PID與ADRC控制算法在中、低速下作單軸點(diǎn)位控制時(shí)能較理想地實(shí)現(xiàn)。

5.2 實(shí)驗(yàn)方法

以Z軸系統(tǒng)為對(duì)象在試驗(yàn)設(shè)備上完成了恒定負(fù)載(荷重)擾動(dòng)下的位置跟蹤動(dòng)態(tài)性能測(cè)試及電氣阻抗擾動(dòng)下的穩(wěn)態(tài)位置保持性能測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)1：分別在位置環(huán)采用ADRC、PID兩種控制模式，伺服電機(jī)上電起動(dòng)作正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)運(yùn)行，平臺(tái)在荷重狀況下上升和下降運(yùn)動(dòng)到達(dá)指令位置，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中啟動(dòng)位移檢測(cè)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集功能，實(shí)時(shí)檢測(cè)其上升、下降位移數(shù)據(jù)及位置偏差。測(cè)控過程基于專門研發(fā)的應(yīng)用軟件，通過上位機(jī)控制界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置并通過界面相關(guān)功能按鈕操作完成。

實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)如下：Z軸荷重(磁粉制動(dòng)器+傳感器+安裝板)35 kgf；上升、下降位移0.085 mm(等效轉(zhuǎn)角Φ≈0.5 rad)；驅(qū)動(dòng)參數(shù)設(shè)置為：最大速度10 000脈沖/s，加速度3 000 脈沖/s2，減速度3 000脈沖/s2，脈沖當(dāng)量0.000 5 mm，位置檢測(cè)的數(shù)據(jù)采樣頻率20 次/s。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所得位移曲線如圖10。

圖10 Z軸系統(tǒng)恒定負(fù)載擾動(dòng)下位置跟蹤實(shí)驗(yàn)曲線

圖11 Z軸系統(tǒng)阻抗擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)曲線

實(shí)驗(yàn)2：分別在ADRC、PID兩種控制模式下，伺服電機(jī)上電起動(dòng)正轉(zhuǎn)運(yùn)行，啟動(dòng)位移檢測(cè)數(shù)據(jù)采集功能，平臺(tái)荷重上升到達(dá)指令位置后約2 s將三相對(duì)稱阻抗通過手動(dòng)控制串入伺服電機(jī)定子，測(cè)試平臺(tái)位置變動(dòng)與恢復(fù)狀況。

實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)如下：上升位移0.16 mm(等效轉(zhuǎn)角Φ≈1 rad)；3個(gè)阻抗線圈平均電感L≈1.85 mH，平均直阻R≈0.53Ω；其余參數(shù)同實(shí)驗(yàn)1。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所得位移曲線如圖11。

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

位置跟蹤實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，位置環(huán)采用ADRC調(diào)節(jié)時(shí)，上升時(shí)間為0.452 s，下降時(shí)間為0.373 s，升、降時(shí)差僅0.079 s，升、降過程同時(shí)刻最大位置差異0.011 mm，下降超調(diào)量為3.53%。采用PID調(diào)節(jié)時(shí)，上升時(shí)間為1.065 s，下降時(shí)間為0.18 s，升、降時(shí)差高達(dá)0.885 s，是ADRC調(diào)節(jié)時(shí)的11.2倍，升、降過程同時(shí)刻最大位置差異0.068 mm，是ADRC調(diào)節(jié)時(shí)的6.18倍，下降超調(diào)量達(dá)到5.65%。由此顯見，在有效消弭荷重?cái)_動(dòng)引起的升、降運(yùn)動(dòng)差異的功能方面，ADRC調(diào)節(jié)控制強(qiáng)于PID調(diào)節(jié)控制，這和仿真所得定性結(jié)論是相吻合的。

穩(wěn)態(tài)時(shí)突加阻抗內(nèi)擾的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，ADRC調(diào)節(jié)時(shí)位置最大波動(dòng)幅度為?12.5%，調(diào)整恢復(fù)時(shí)間為0.264 s，PID調(diào)節(jié)時(shí)位置最大波動(dòng)幅度為?16.8%，調(diào)整恢復(fù)時(shí)間為0.379 s，兩種控制方式差異不顯著。以上結(jié)果說明，對(duì)于突加阻抗內(nèi)擾，位置環(huán)采用ADRC控制與PID控制時(shí)的穩(wěn)態(tài)抑?jǐn)_能力相當(dāng)，這也與仿真結(jié)果一致。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于對(duì)一種特殊的電機(jī)試驗(yàn)設(shè)備的分析研究以及相應(yīng)的理論仿真和測(cè)試實(shí)驗(yàn)，可以得到如下結(jié)論：

1)一個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)的位置伺服系統(tǒng)如存在恒定外負(fù)載擾動(dòng)，位置環(huán)采用ADRC控制時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較為穩(wěn)定，抗擾效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制，并且有很好的抑制超調(diào)的能力，這對(duì)大慣量、長(zhǎng)傳動(dòng)鏈系統(tǒng)十分有利。對(duì)于非重力荷載情形下的單向恒值外負(fù)載擾動(dòng)此結(jié)論同樣適用。

2)對(duì)于系統(tǒng)的內(nèi)部擾動(dòng)，如發(fā)生在內(nèi)環(huán)的電氣阻抗波動(dòng)導(dǎo)致的位置偏離，在三環(huán)串級(jí)控制模式下，ADRC和PID調(diào)節(jié)控制時(shí)的穩(wěn)態(tài)抑?jǐn)_能力差別較小，這表明在多環(huán)串級(jí)控制系統(tǒng)中內(nèi)環(huán)輔控調(diào)節(jié)對(duì)內(nèi)擾的抑制作用是積極有效的，是這類控制結(jié)構(gòu)的某種優(yōu)勢(shì)，不過動(dòng)態(tài)情形下抑制內(nèi)擾的能力PID遜色于ADRC。

[1]韓京清.自抗擾控制器及其應(yīng)用[J].控制與決策, 1998,13(1): 19-23.HAN Jing-qing.Active-disturbances rejection controller and its applications[J].Control and Decision, 1998, 13(1):19-23.

[2]孫凱, 許鎮(zhèn)琳, 蓋廓, 等.基于自抗擾控制器的永磁同步電動(dòng)機(jī)位置伺服系統(tǒng)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2007,27(15): 43-46.SUN Kai, XU Zhen-lin, GAI Kuo, et al.A novel position controller of PMSM servo system based on active-disturbance rejection controller[J].Proceedings of the CSEE, 2007, 27(15): 43-46.

[3]周臘吾, 嚴(yán)偉, 匡江傳.基于變結(jié)構(gòu)自抗擾控制器的永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)[J].微特電機(jī), 2012, 40(2): 55-58,64.ZOU La-wu, YAN Wei, KUANG Jiang-chuan.PMSM servo system based on variable structure active-disturbance rejection controller[J].Small & Special Electrical Machines,2012, 40(2): 55-58, 64.

[4]謝先銘, 蘭志勇, 廖克亮, 等.基于串級(jí)自抗擾控制器的永磁同步電動(dòng)機(jī)位置伺服系統(tǒng)[J].微電機(jī), 2015, 48(1):68-71.XIE Xian-ming, LAN Zhi-yong, LIAO Ke-liang, et al.Research of PMSM position servo system based on cascaded active-disturbance rejection controller[J].Micromotors, 2015, 48(1): 68-71.

[5]滕福林, 胡育文, 李宏勝, 等.基于自抗擾控制器的交流位置伺服系統(tǒng)[J].電氣傳動(dòng), 2011, 41(11): 46-50, 58.TENG Fu-lin, HU Yu-wen, LI Hong-sheng, et al.AC position servo system based on active-disturbance rejection controller[J].Electric Drive, 2011, 41(11): 46-50, 58.

[6]呂永健, 楊銘.永磁同步電動(dòng)機(jī)單閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī), 2015, 43(10): 60-63.Lü Yong-jian, YANG Ming.Design on single closed Loop position servo system of permanent magnet synchronous motor[J].Small & Special Electrical Machines, 2015, 43(10):60-63.

[7]劉清.基于自抗擾控制器的永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)控制策略的研究及實(shí)現(xiàn)[D].天津: 天津大學(xué), 2011.LIU Qing.Research and implementation on control strategy of PMSM servo system based on active disturbance rejection controller[D].Tianjin: Tianjin University, 2011.

[8]SU Y X, ZHENG C H, DUAN B Y.Automatic disturbances rejection controller for precise motion control of permanent-magnet synchronous motors[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2005, 52(3):814-823.

[9]JIN Ming-yang, CHEUNG N C, WU Jie.The auto-disturbance rejection controller for speed regulation in permanent-magnet linear motors[C]//The 30th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society.[S.l.]:IEEE, 2004.

[10]劉志剛, 李世華.基于永磁同步電機(jī)模型辨識(shí)與補(bǔ)償?shù)淖钥箶_控制器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2008, 28(24):118-123.LIU Zhi-gang, LI Shi-hua.Active disturbance rejection controller based on permanent magnetic synchronous motor model identification and compensation[J].Proceedings of the CSEE, 2008, 28(24): 118-123.

[11]蓋江濤, 黃慶, 黃守道, 等.基于模型補(bǔ)償?shù)挠来磐诫姍C(jī)自抗擾控制[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2014, 48(4):581-587.GAI Jiang-tao, HUANG Qing, HUANG Shou-dao, et al.Active-disturbance rejection controller for permanent magnet synchronous motor based on model compensation[J].Journal of Zhejiang University(Engineering Science), 2014, 48(4): 581-587.

[12]鄭偉, 董文妍, 張煥鑫, 等.自抗擾控制器在位置伺服系統(tǒng)中的參數(shù)整定及仿真[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2015,23(10): 3364-3369.ZHENG Wei, DONG Wen-yan, ZHANG Huan-xin, et al.Tuning and application of PMSM servo system based on active-disturbance rejection controller[J].Computer Measurement & Control, 2015, 23(10): 3364-3369.

[13]林炳善, 任正權(quán), 黃健.自抗擾控制器的實(shí)踐性研究[J].延邊大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2000, 26(3): 196-199, 228.LIN Bing-shan, REN Zheng-quan, HUANG Jian.Studies of the auto disturbances rejection controller in practice[J].Journal of Yanbian University(Natural Science), 2000,26(3): 196-199, 228.

[14]韓京清.從PID技術(shù)到自抗擾控制技術(shù)[J].控制工程,2002, 9(3): 13-18.HAN Jing-qing.From PID technique to active disturbances rejection control technique[J].Control Engineering of China, 2002, 9(3): 13-18.

[15]韓京清.自抗擾控制技術(shù)[M].北京: 國(guó)防工業(yè)出版社,2008.HAN Jing-qing, Active disturbances rejection control technique[M].Beijing: National Defence Industry Press,2008.