永磁同步電機(jī)PMSM(Permanent Magner Synchronous Machine)具有功率密度高、體積小、效率高、慣量小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域[1]。然而PMSM是一個非線性、強耦合、參數(shù)攝動的多變量系統(tǒng)，對于外界擾動以及系統(tǒng)參數(shù)變化比較敏感，因此對于控制系統(tǒng)要求較高，既要具有高性能的軟硬件結(jié)構(gòu)，又要具有高性能的控制策略和控制算法[2]。
　為了提高PMSM控制性能, 國內(nèi)外學(xué)者展開了廣泛研究。參考文獻(xiàn)[3]提出一種基于狀態(tài)觀測和反饋的控制策略, 參考文獻(xiàn)[4]提出一種基于自抗擾控制器的控制策略，這些方法具有良好的動靜態(tài)性能，卻未考慮電流環(huán)中耦合非線性因素的影響，無法從根本上解決非線性問題；參考文獻(xiàn)[5]提出一種基于模糊自適應(yīng)PID及干擾觀測器的三環(huán)控制策略，但是這種方法算法較復(fù)雜，實時性較差。
　本文提出并實現(xiàn)了一種基于自抗擾控制器[6-7](ADRC)的PMSM矢量控制系統(tǒng)。首先設(shè)計基于ADRC的控制器，實時觀測出由系統(tǒng)內(nèi)部非線性因素以及外部擾動引起的“內(nèi)外擾動”并進(jìn)行補償，從而實現(xiàn)精確控制。其次自行研制了基于DSP的多軸運動控制卡，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了基于ADRC的矢量控制系統(tǒng)。仿真及實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能及魯棒性，能夠快速加工出符合要求的模型。
1 ADRC數(shù)學(xué)模型
　自抗擾控制器是一種基于誤差反饋的新型控制器，主要由非線性跟蹤微分器(NTD)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(ESO)、非線性誤差反饋(NLSEF)三部分組成，對于形如式(1)的非線性不確定對象具有良好的控制效果。

    式(9)~式(12)中V1是電流給定的跟蹤值，Z1是電流觀測的跟蹤值。使用ESO實時觀測出系統(tǒng)“內(nèi)外擾動”并加以精確補償，即可消除耦合非線性因素的影響，從而實現(xiàn)電流環(huán)的準(zhǔn)確解耦控制。由于電流環(huán)已經(jīng)抑制了各種擾動，因此為了簡化控制器結(jié)構(gòu)，設(shè)計速度環(huán)以及位置環(huán)控制器時可將非線性跟蹤微分器省略。PMSM矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

3 控制系統(tǒng)實現(xiàn)
　本文自行研制了基于DSP的多軸運動控制卡，運動控制卡充分利用計算機(jī)資源，具有高度的集成性、可靠性以及實時性。
   圖3是控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩大部分。上位機(jī)ARM主要進(jìn)行加工指令輸入以及譯碼等操作；下位機(jī)DSP通過D/A模塊控制多個電機(jī)，并通過FPGA模塊解碼編碼器反饋信號，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制。基于DSP的多軸運動控制卡的主要功能模塊包括：

   (1) 采用美國TI公司TMS320C2000系列高端運動控制芯片作為系統(tǒng)核心DSP芯片以實現(xiàn)系統(tǒng)的實時處理以及復(fù)雜運算；
   (2) 采用雙口RAM實現(xiàn)運動控制卡與上位機(jī)之間的高速通信；
   (3) 采用CPLD以及FPGA實現(xiàn)I/O、片選、編碼器反饋解碼等控制功能的擴(kuò)充；
   (4) 采用D/A模塊實現(xiàn)對電機(jī)的伺服控制。
　為了驗證基于ADRC的運動控制系統(tǒng)對于永磁同步電機(jī)的矢量控制效果，本文進(jìn)行了以下工作：
　(1) 通過仿真軟件包Matlab R2008a Simulink平臺進(jìn)行仿真以驗證控制策略的可行性。圖4是分別采用經(jīng)典PID以及ADRC進(jìn)行對比控制時的轉(zhuǎn)子位置響應(yīng)曲線，由圖中可以看出采用ADRC時超調(diào)較小，響應(yīng)速度較快，系統(tǒng)性能良好。
    (2)進(jìn)行基于DSP的多軸運動控制卡與電機(jī)的聯(lián)調(diào)以測試運動控制系統(tǒng)性能。圖5、圖6分別是系統(tǒng)輸出電壓電流波形以及電流頻譜，由圖中可以看出系統(tǒng)輸出光滑而且穩(wěn)定，能夠在相當(dāng)大程度上抑制諧波。
    (3) 應(yīng)用運動控制系統(tǒng)進(jìn)行模型加工。基于ADRC的控制系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地加工出符合設(shè)計的要求的模型。

    本文提出并實現(xiàn)了一種基于自抗擾控制器（ADRC）的PMSM矢量控制系統(tǒng)。首先設(shè)計了基于ADRC的控制器，將系統(tǒng)內(nèi)部非線性項作為“系統(tǒng)內(nèi)擾”，實時觀測出系統(tǒng)內(nèi)外擾動的綜合并進(jìn)行補償;其次自行研制了基于DSP的多軸運動控制卡，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了基于ADRC的矢量控制系統(tǒng)。仿真及實驗結(jié)果表明系統(tǒng)性能良好，能夠快速加工出符合要求的模型。
參考文獻(xiàn)
[1] Yasser Abdel-Rady Ibrahim Mohamed. Design and implementation of a robust current-control scheme for a PMSM vector drive with a simple adaptive disturbance observer[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2007,54(4):1981-1988.
[2] Yasser Abdel-Rady Ibrahim Mohamed，Ehab F. El-Saadany. A current control scheme with an adaptive internal model for torque ripple minimization and robust current regulation in PMSM Drive Systems[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2008,23(1):92-100.
[3] 鄭澤東，李永東，F(xiàn)ADEL M，等.基于狀態(tài)觀測和反饋的伺服系統(tǒng)位置控制器[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，48(1)：24-27.
[4] 孫 凱，許鎮(zhèn)琳，蓋廓.等, 基于自抗擾控制器的永磁同步電機(jī)位置伺服系統(tǒng)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報,2007,27(15):43-46.
[5] 劉子建,吳敏,陳鑫,等.永磁同步電機(jī)混合非線性控制策略[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報, 2010,44(7):1303-1307.
[6] 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.
[7] 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.