交流伺服系統全數字控制器
余 雋 鄧忠華（華中理工大學）
l引言
近年來，隨著大功率電力電子器件和微處理器的進步，全數字交流伺服系統發展迅速，本文在快響應電流控制的力矩控制器的基礎上，提出了一種適于全數字交流伺服系統的數字控制器方案。該方案簡單實用，具有起動快、超調小的跟蹤性能，同時又有較強的抗負載擾動能力，其基本思路是首先調節pi參數，以確保系統跟蹤性能，然后根據電機的參數和電流瞬時值重構出電機的轉速，通過和實測轉速相比較后傳送至力矩控制器與力矩指令值疊加，平衡擾動對系統的影響，從而又確保系統的抗擾性。文中給出了實驗和數字仿真結果。
2永磁同步伺服電機的力矩控制原理
由文獻[1]，設伺服電機磁路不飽和，磁滯及渦流的影響忽略不計，定子電流產生的空間磁勢及永磁轉子的磁通分布呈正弦形狀，并選取直軸電流id、交軸電流iq.機械角速度ω、機械角位移η、θ為狀態變量，直軸電壓ud、交軸電壓u、負載轉矩ti為輸入變量，可得永磁同步伺服電機的狀態方程：
由文獻[2]，給永磁同步伺服電機供電的電壓源逆變器由三組六個開關組成，將逆變器和伺服電機看作一個整體時，六個開關共有64種可能的工作狀態，對應于13個空間電壓向量。當逆變器處于某一個工作狀態時，交軸電流分量和直軸電流分量會發生相應的變化，從而使得對電壓矢量的控制轉換成了對兩軸電流的控制。只要控制id=0[3]，就能實現交軸電流iq和直軸電流id的解耦�？刂平惠S電流分量iq就能控制電機的電磁力矩。
3數字控制器原理
交流電機全數字化控制的關鍵是電流控制的數字化，一旦交直軸電流實現了解耦，交流電機就和直流電機一樣易于控制，其特殊之處在于全數字控制中電流控制、速度控制、位置控制均由cpu完成，并要求其算法簡單且易于實現，例如采用常用的pi調節器，但單純的pj調節中，如果要獲得強的抗擾性，特別是較短的恢復時間，通常要加強pi中的積分作用，以盡快消除轉速降落，但是積分作用的增強又會導致起動時超調變大，也就是僅用pi調節難以兼顧跟隨性能和抗擾性能[4]。
為了在獲得上升快、超調小的系統跟蹤性能的同時還具有好的抗負載擾動性能，構造了如下的抗擾觀測器。其思路是，首先在原pi參數基礎上，增大比例作用，削弱積分作用，確保系統上升快、超調小，再利用抗擾觀測器抵消擾動的作用，使pi調節器和抗擾觀測器各負其責，彼此獨立工作。系統的結構圖如圖1所示。
虛框內為所加的觀測器，它實質上是電機的仿真模型。其工作原理是，先計算電機的力矩電流反饋值，然后在一個速度采樣周期內取平均并乘以力矩常數即得電機力矩，積分后為觀測轉速，并與實測轉速比較構成閉環觀測器，同時傳送至力矩控制器的輸入。當無外加擾動時，觀測轉速(ωo)應等于實測轉速，觀測器不起作用。一旦擾動出現下降，ω0和ω產生偏差，經pi調節后傳送至力矩給定以平衡擾動的作用，就可以迅速抑制擾動。另外，pi調節的輸出也使得c跟隨叫，直到兩者再次一致。
觀測器中的pi調節器的輸出是跟隨外加擾動ti，其結構如圖2所示。
傳遞函數為：
它是一個二階傳遞函數，實際仿真中“斷開”主回路，先調試這個環節，保證pi調節的輸出迅速地跟隨tl的變化。
觀測器對擾動十分敏感，但對速度給定變化卻不敏感。這是因為當給定轉速改變時，電流調節器輸出的電流增量同時使實際電機和模型電機加減速。由于兩者慣量相等，實測轉速和觀測轉速大小相等，偏差為零，觀測器不起作用。正是因為這一點，pi和擾動觀測器才能彼此獨立，各負其責。
在實際系統中，即使是在空載情況下，外加擾動tl也不為零。與之相對應，觀測器中的pj調節器輸出也不為零，而是 |
