交流伺服系统全数字控制器
余 隽 邓忠华（华中理工大学）
l引言
近年来，随着大功率电力电子器件和微处理器的进步，全数字交流伺服系统发展迅速，本文在快响应电流控制的力矩控制器的基础上，提出了一种适于全数字交流伺服系统的数字控制器方案。该方案简单实用，具有起动快、超调小的跟踪性能，同时又有较强的抗负载扰动能力，其基本思路是首先调节pi参数，以确保系统跟踪性能，然后根据电机的参数和电流瞬时值重构出电机的转速，通过和实测转速相比较后传送至力矩控制器与力矩指令值叠加，平衡扰动对系统的影响，从而又确保系统的抗扰性。文中给出了实验和数字仿真结果。
2永磁同步伺服电机的力矩控制原理
由文献[1]，设伺服电机磁路不饱和，磁滞及涡流的影响忽略不计，定子电流产生的空间磁势及永磁转子的磁通分布呈正弦形状，并选取直轴电流id、交轴电流iq.机械角速度ω、机械角位移η、θ为状态变量，直轴电压ud、交轴电压u、负载转矩ti为输入变量，可得永磁同步伺服电机的状态方程：
由文献[2]，给永磁同步伺服电机供电的电压源逆变器由三组六个开关组成，将逆变器和伺服电机看作一个整体时，六个开关共有64种可能的工作状态，对应于13个空间电压向量。当逆变器处于某一个工作状态时，交轴电流分量和直轴电流分量会发生相应的变化，从而使得对电压矢量的控制转换成了对两轴电流的控制。只要控制id=0[3]，就能实现交轴电流iq和直轴电流id的解耦。控制交轴电流分量iq就能控制电机的电磁力矩。
3数字控制器原理
交流电机全数字化控制的关键是电流控制的数字化，一旦交直轴电流实现了解耦，交流电机就和直流电机一样易于控制，其特殊之处在于全数字控制中电流控制、速度控制、位置控制均由cpu完成，并要求其算法简单且易于实现，例如采用常用的pi调节器，但单纯的pj调节中，如果要获得强的抗扰性，特别是较短的恢复时间，通常要加强pi中的积分作用，以尽快消除转速降落，但是积分作用的增强又会导致起动时超调变大，也就是仅用pi调节难以兼顾跟随性能和抗扰性能[4]。
为了在获得上升快、超调小的系统跟踪性能的同时还具有好的抗负载扰动性能，构造了如下的抗扰观测器。其思路是，首先在原pi参数基础上，增大比例作用，削弱积分作用，确保系统上升快、超调小，再利用抗扰观测器抵消扰动的作用，使pi调节器和抗扰观测器各负其责，彼此独立工作。系统的结构图如图1所示。
虚框内为所加的观测器，它实质上是电机的仿真模型。其工作原理是，先计算电机的力矩电流反馈值，然后在一个速度采样周期内取平均并乘以力矩常数即得电机力矩，积分后为观测转速，并与实测转速比较构成闭环观测器，同时传送至力矩控制器的输入。当无外加扰动时，观测转速(ωo)应等于实测转速，观测器不起作用。一旦扰动出现下降，ω0和ω产生偏差，经pi调节后传送至力矩给定以平衡扰动的作用，就可以迅速抑制扰动。另外，pi调节的输出也使得c跟随叫，直到两者再次一致。
观测器中的pi调节器的输出是跟随外加扰动ti，其结构如图2所示。
传递函数为：
它是一个二阶传递函数，实际仿真中“断开”主回路，先调试这个环节，保证pi调节的输出迅速地跟随tl的变化。
观测器对扰动十分敏感，但对速度给定变化却不敏感。这是因为当给定转速改变时，电流调节器输出的电流增量同时使实际电机和模型电机加减速。由于两者惯量相等，实测转速和观测转速大小相等，偏差为零，观测器不起作用。正是因为这一点，pi和扰动观测器才能彼此独立，各负其责。
在实际系统中，即使是在空载情况下，外加扰动tl也不为零。与之相对应，观测器中的pj调节器输出也不为零，而是 |
