永磁同步直驱伺服电动机的模型校正控制

    黄梁松^1，2，曲道奎^1，3，徐方^1，3

(1中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁沈阳110016；2中国科学院研究生院，北京100049

    3新松机器人自动化股份有限公司，辽宁沈阳110168)

摘要：针对直驱电动机的特点，提出了模型校正控制策略，利用基于卡尔曼滤波器的状态观测器和数字低遥滤波器的结构组合对控制系统模型进行校正，同时对观测的负载转矩进行补偿。理论和实验均表明该策略能够有效消除控制系统中的高阶成分、非线性因素、高频噪声及负载转矩变化的影响，提高直驱伺服系统的稳定性、鲁棒性和抗干扰能力。

    关键词：直驱伺服电动机；模型校正；卡尔曼滤波器；状态观测器；负载转矩

    中图分类号：TM341；TM383．4  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2010)05—0049—04

0引言

    随着数控技术和机器人技术的发展，传统的伺服电动机配减速器的驱动方式在许多场合下已经不能满足要求，而需要采用具有更优异运动性能的直驱伺服系统。直驱伺服系统中的伺服电动机与所驱动的负载直接耦合在一起，中间不存在减速机构，消除了传动机构引起的传动误差、非线性摩擦力和弹性形变的影响，可实现高定位精度及高动态响应，同时还具有低噪声和免维护等特点，因此直驱伺服系统在机器人、半导体制造装置、精密机床、精密测试仪器等领域有着广泛的应用前景^[1]。

    虽然直驱伺服系统有许多优势，但同时也产生了新的技术问题。一方面各类干扰会不经过任何中间环节的衰减而直接作用到电机上，使得直驱电动机对纹波转矩、转动惯量、电机参数和负载转矩的变化变得敏感，降低了系统的传动和定位精度；另一方面，系统在闭环控制过程中，系统模型中的高阶成份1模型校正控制原理二阶线性系统是进行控制理论分析和控制策略实施最典型的系统，其工程分析和应用方法已非常成熟。对于交流伺服电机控制系统这样的高阶非线性系统，工程上常将其简化为二阶线性系统进行近似分析，但如果系统模型中的高阶成分和非线性因素不能简单地通过模型简化排除时，势必会对整个控制系统的动态性能和稳定性造成较大的影响^[7-8]，为此本文提出了模型校正控制，即将高阶非线性系统的模型校正为二阶线性系统进行控制，以此消除高阶成分和非线性的影响，该算法的基本原

理如图1所示。

     图中：G(s)为被控对象(直驱伺服电动机)，c(s)为控制器，G。(s)为状态观测器，F(s)为低通滤波器。d是外部干扰，n是高频噪声。控制系统输出响应y(s)包括两部分，即：

式中：yd(s)为二阶线性系统的输出响应，yn(s)为高阶成份和高频噪声的输出响应。状态观测器的输出y。(s)也包括两部分，即：

式中：yod(s)为状态观测器中所观测的二阶线性系统的输出响应，ye(s)为状态观测器模型与实际系统模型的偏差。如果状态观测器观测结果逼近实际系统，则：

    由于yh(s)是高频量测噪声，因此理想状态下被完全滤除，而模型偏差ye(s)具有低频特性，完全通过滤波器，得到校正滤波器的输出为：

     由式(7)可知，反馈值为闭环系统中二阶线性系统的输出响应，消除了模型中的高阶成份、高频噪声和模型偏差的影响，同时排除了单纯使用低通或带通滤波器所产生的幅值衰减、失真和相位滞后等问题。

2状态观测器设计

  模型校正控制策略的关键是状态观测器的设计，状态观测器一方面为模型校正控制提供反馈观测值，另一方面也为电流环的补偿算法提供负载转矩观测值。卡尔曼滤波器运用****估计原理对系统状态变量进行最小方差估计，并在估计过程中消除模型误差和测量误差对状态变量估计值的影响，因而具有很高的精度，卡尔曼滤波器的特点还在于采用递推算法，大大减少