直接驱动系统中力矩扰动的抑制。直接驱动系统中力矩扰动的抑制 李锦英 1，2，3，付承毓 1，2，于伟 1，2，3，4 【摘 要】摘要:针对直接驱动系统中转速容易受各种力矩扰动的影响，建立了电 流、速度双闭环仿真系统，设计了速度环的

　　直接驱动系统中力矩扰动的抑制 李锦英 1，2，3，付承毓 1，2，于伟 1，2，3，4 【摘 要】摘要:针对直接驱动系统中转速容易受各种力矩扰动的影响，建立了电 流、速度双闭环仿真系统，设计了速度环的自抗扰控制器.并加入了 LuGre 摩擦 力矩、负载扰动力矩和电机波动力矩.仿真结果显示，自抗扰控制器比传统的 PI 算法有更好的扰动抑制能力.在有突加扰动力矩的情况下，转速恢复到设定值的 时间仅为 PI 算法的 5%;在速度过零点时，也能很好的补偿摩擦力矩的作用.对 不同形式的速度信号，ADRC 都显示了更好的动静态特性. 【期刊名称】哈尔滨理工大学学报 【年(卷),期】2011(016)004 【总页数】4 【关键词】关键词:自抗扰控制;扩张状态观测器;力矩扰动;LuGre 摩擦模型 【 文 献 来 源 】 引言 直接驱动系统一般采用力矩电机直接驱动.具有力矩系数大、过载能力强、响应 时间快的特点.但由于取消了齿轮，电机本身的力矩波动会直接传递到负载上， 负载所受的干扰力矩也会直接反映到电机主轴上［1－2］.所以直接驱动系统中 对干扰力矩的抑制非常重要. 随着现代控制理论的发展，观测器在抑制力矩扰动方面得到应用了［2－5］.但 这些观测器对系统的先验知识要求较高，有的需要在对象模型已知的条件下设 计;有的需要对扰动的模型参数进行估计.而这些参数往往不能精确得到或者实时 变化的，使得这些控制方法在实际应用中受到了限制. 而自抗扰控制器完全独立于被控对象具体的数学模型和扰动模型.对被控对象进 行大致描述的近似模型再加一些极端形式的扰动模型来代表被控对象，进行计 算机数值仿真所得的结果，完全可以直接应用于实际对象上［6－7］.自抗扰控 制在电机调速系统、飞行器姿态控制、光电跟踪系统方面得到了应用［8－ 11］. 本文以力矩电机直接驱动的某转台为例，详细分析了影响其低速运转精确度的 原因，包括非线性摩擦力矩、负载扰动力矩、电机波动力矩，并讨论了低速转 矩脉动的补偿方法.设计了速度环自抗扰控制器，通过仿真分析了该方法在抑制 力矩扰动方面的有效性. 1 自抗扰控制器 自抗扰控制器(active disturbance rejection controller，ADRC)主要由 3 部分 组成:安排过渡过程、误差非线性组合、扩张状态观测器.其结构如图 1 所示. 安排过渡过程可以起到降低系统超调的目的;误差的非线性组合可以达到比线性 反馈更高的效率;而其中最重要的部分是扩张状态观测器:它能把系统的内扰、外 扰实时估计出来，并补偿扰动作用. 2 直接驱动系统的自抗扰控制器设计 直接驱动系统由力矩电机本体、功率放大电路、负载等组成.简化的直接驱动系 统的传递函数框图如图 2 所示.其中 R 为电枢电阻;L 为电枢电感;J 为转动惯量;ω 为电机机械角速度;φ 为电机转子位置;Cm 为电机的力矩系数;Ce 为反电势系数;i 为电枢电流;Te 为电机电磁转矩;Tr 为扰动力矩. 由于电磁时间常数比机械时间常数要小很多，一般采用多闭环控制方式.电流环 闭环，可以提高电流的带宽，加快驱动电流的响应速度.但是扰动力矩 Tr 在电流 环之外，会造成速度的波动.所以还要将速度闭环，以提高系统抗干扰的能力.电 流环采用简单的 PI 算法，闭环之后，可以提供理想的电流跟随特性;速度环采 用抗干扰能力更强的 ADRC 算法，抑制 Tr 的作用.控制结构图如图 3 所示［9］. 速度输出方程为［9］ 考虑摩擦力矩、负载力矩、电机波动力矩后，上式变为 式中:Tf 为摩擦力矩;TL 为负载力矩;ΔCm 为电机力矩系数的波动. 写成状态方程形式为 下面设计速度环的一阶自抗扰控制器.主要分为 3 个部分: 1)安排过渡过程: 利用最速综合函数 fhan［6］安排过渡过程.具体如下: 其中，函数 fhan 的具体形式参考文［6］. 2)扩张状态观测器 ESO: 式中:y 是对象的输出;u 是控制量;v 是控制目标量.可调参数为 β，β01，β02，r， h，a，δ. 安排过渡过程可以起到减小系统超调的作用.过渡过程的快慢主要受参数 r 的影 响.扩张状态观测器 ESO 是整个自抗扰控制器的核心，它起到观测扰动的作用. 误差反馈中将 ESO 观测到的扰动补偿掉，以起到抑制扰动的作用. 3 扰动抑制能力分析 下面着重分析 ADRC 与传统闭环算法对扰动抑制能力的差异.上面设计的自抗扰 控制器构成的系统，可以等效成一个传统的闭环系统加上一个扰动解耦路径结 构.如图 4 所示.虚线部分为扰动解耦路径. ω*(s)是速度期望值，ω(s)为实际速度，C(s)为速度环控制器，GI(s)是电压到电 流的传递函数，Cm 是电机转矩系数，Gp(s)为转矩到负载速度的传递函数， Tr(s)为扰动力矩，Gob(s)等效为扩张状态观测器，To(s)为扰动的估计值.下面 分析两种方法的扰动抑制比. 当没有扰动解耦路径时，扰动抑制比 有扰动解耦路径时，扰动抑制比 在没有扰动解耦环节时，扰动抑制要受闭环控制器 C(s)的影响.以 PI 为 例，增加比例和积分系数可以提高系统的扰动抑制比.但是由于受系统稳定性的 影响，二者不能太大. 加上扰动解耦之后，扰动抑制比与之前相比增加了(1－CmGob(s)GI(s))，如式 (8)所示.当扰动的估计量 To(s)与实际作用于系统的扰动充分接近时，扰动可以 得到更大程度的抑制.由于 Tr(s)可以通过扩张状态观测器进行估计很好的估计， 这样可以在原有的闭环系统的基础上，提高系统的扰动抑制能力. 4 仿真结果与分析 电 机 部 分 参 数 为 : 电 感 L=21.75 mH ， 输 入

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