高精度稳定平台伺服系统的自抗扰控制_邝平

技术论文学校：南京理工大学队伍：7046指导老师：李军成员1：雷杨成员2：陈舒思成员3：邝平作品名称：高精度稳定平台控制系统摘要稳定平台能够隔离载体角运动，在载体机动状态下建立稳定基准面，使安装在平台上的光电设备不会因载体运动产生的抖动和滚动而丢失目标，保证光电设备准确瞄准和跟踪目标，因此广泛应用于民用和军事领域。

设计的高精度稳定平台控制系统是以动力调谐陀螺仪为速度敏感元件，旋转变压器为角度测量元件，DSP控制器TMS320F28335为主控芯片，直流力矩电机为被控对象的闭环控制系统。

根据所需关键器件的选型设计了系统的硬件电路，包括速度和角度信号采样电路、电机驱动电路、通信电路等。

采用电流环和位置环的双闭环控制方式实现系统载体静止时的伺服控制；采用电流环、速度环和位置环的三闭环控制方式实现系统在载体运动时的稳定控制。

以上两种控制模式下的角度控制精度都能够达到0.05mrad，载体运动时系统稳定控制模式下隔离扰动效果很好。

实测结果表明，该系统硬件结构简单，稳定性好，实时性强，具有良好的稳态和动态性能，能够满足稳定平台系统的性能要求。

关键词：稳定平台DSP 陀螺仪伺服控制目录1. 作品创意 (1)2. 方案设计与论证 (1)2.1 主控芯片的选择与论证 (2)2.2陀螺的选择与论证 (3)2.3 力矩电机的选择与论证 (3)2.4 位置检测元件的选择与论证 (3)3. 系统硬件与原理图设计 (4)3.1 最小系统外围电路 (4)3.2 旋转变压器-数字转换器电路 (5)3.3 滤波采样电路 (6)3.4 电机驱动电路 (7)3.5 通信电路 (8)3.6 闭锁电路 (9)3.7 电源隔离电路 (9)4. 软件设计与流程 (10)4.1 主程序框架 (10)4.2中断程序设计 (10)5. 系统测试与分析 (13)5.1 系统调试环境 (13)5.2 系统静止状态下伺服控制调试结果 (13)5.3 系统运动状态下稳定控制调试结果 (15)6．作品难点与创新 (18)6.1难点 (18)6.2创新点 (18)1. 作品创意陀螺稳定平台作为稳定视轴或瞄准线的主要手段，多年来一直是国内外科研机构的主要研究对象。

光电跟踪稳定平台控制系统关键技术浅析【摘要】当前无人机的研究工作和设计水平越来越高，光电跟踪稳定平台作为无人机的重要组成部分，应用也更加广泛。

光电稳定平台的跟踪和稳定程度将会直接影响到整个系统的成像质量。

本文就主要对当前光电跟踪稳定平台控制系统关键技术进行了分析，从视轴稳定控制和自抗扰控制等方面进行了研究，以期能够给日后的光电跟踪稳定平台控制系统中的关键技术有一定的帮助。

【关键词】光电跟踪稳定平台；控制系统；关键技术1 当前光电跟踪稳定平台的研究现状1.1 光电跟踪稳定平台的研究背景光电跟踪稳定平台对无人机、战车以及舰船等载体有着扰动的作用，并且能够更快的对跟踪机动目标进行快速的捕捉，当前已经在侦查、测量以及搜索和营救等多方面都有着广泛的应用。

在军事方面，随着当前科学技术的快速发展，现代化的战争形势也已经出现了。

光电跟踪稳定平台对军事武器的打击力的提升也有着很重要的作用，以往的海、陆、空三维方式的战场已经转变成当前的海、陆、空、信息、天为一体的五维战场。

对比近年来的战争来看，情报信息的实时性已经成为了决定战争胜利与否的重要因素。

而近些年来，侦查用的无人机在战争中的优势和作用也逐渐显现出来了，世界各国也都对无人机的性能进行了大力的研究和开发，我国的侦查用无人机的研发工作也成为了当前国家重点的研究项目。

1.2 光电跟踪稳定平台的研究现状光电跟踪稳定平台，在无人机中有着眼睛的作用，想要对机动目标进行跟踪和测量，与定基座的光电稳定平台伺服系统在性能上有很大的出入，主要是因为机载光电跟踪稳定平台利用了视轴稳定控制的方式。

视轴稳定技术主要是应用了陀螺仪等作为传感器，使其具有更好的稳定性，能够组成一个相对稳定的控制闭环，能够实时的测量出光电跟踪稳定平台在惯性中出现的角速率，并对其工作状态进行伺服系统的调整。

稳定视轴的主要作用就是能够保证摄像机以及红外热像仪等测量功能能够得到更高质量的图片或者视频，而更高质量的图像或者是视频能够提高对跟踪目标的准确度和精准度，进而保证光电稳定平台对目标的跟踪性能。

半潜式海洋平台动力定位的动态面自抗扰控制半潜式海洋平台是一种用于海洋上油气开采的稳定平台，能够在大海的风浪中保持平衡。

动力定位是半潜式海洋平台的主要控制方式，能够实现平台的动态控制和定位。

为保证半潜式海洋平台能够在各种环境下保持稳定性和安全性，需要对其进行动态面自抗扰控制。

动态面自抗扰控制是一种使用自适应控制理论实现船舶动态稳定的控制方法。

其基本原理是通过对环境因素的变化进行感知，并对船舶姿态参数进行连续调整，从而保证船舶的稳定性和安全性。

在半潜式海洋平台的动力定位中，采用动态面自抗扰控制技术可以有效地应对海洋环境因素的变化，保证平台的稳定性和安全性。

在半潜式海洋平台动力定位的动态面自抗扰控制中，需要考虑以下两个方面：1. 建立动态面模型首先需要建立半潜式海洋平台的动态面模型。

该模型需要考虑以下因素：船舶的体态参数、海洋环境因素和动力系统参数。

其中，船舶的体态参数包括姿态角、速度和加速度等；海洋环境因素包括风浪、潮流和水温等；动力系统参数包括电机功率、推进器参数和控制系统参数等。

根据这些因素，建立动态面模型，提取出船舶的主要动态特性，为后续的自适应控制提供基础。

2. 设计自适应控制方案接下来需要设计动态面自抗扰控制方案。

该方案需要进行以下步骤：（1）系统建模和状态估计通过观测半潜式海洋平台的运动状态和环境参数，对系统进行建模和状态估计。

其中，状态估计可以利用卡尔曼滤波器进行实现，根据半潜式海洋平台的运动状态和环境参数对姿态角、速度和加速度等状态变量进行估计。

（2）自适应控制器设计根据半潜式海洋平台的动态面模型和状态估计结果，设计自适应船舶控制器。

该控制器需要具有一定的自适应能力，能够感知环境因素的变化，对船舶姿态参数进行连续调整，从而保证平台的稳定性和安全性。

（3）控制器的实现和调试将设计好的自适应控制器应用到半潜式海洋平台的动力定位控制中。

进行实际调试，优化控制器参数，提高控制效果。

同时，对控制器的稳定性和鲁棒性进行验证，确保其能够在各种复杂环境下实现半潜式海洋平台的动力定位。

基于自抗扰控制技术的高超声速飞行器控制研究基于自抗扰控制技术的高超声速飞行器控制研究近年来，高超声速飞行器在航空航天领域引起了广泛的关注。

高超声速飞行器的出现不仅极大地推动了航空技术的发展，也对飞行器控制技术提出了更高的要求。

由于高超声速飞行器的特殊工况，传统的控制方法已经无法满足需求，因此，研究基于自抗扰控制技术的高超声速飞行器控制成为了一个重要课题。

高超声速飞行器控制涉及到多个方面的问题，如姿态控制、飞行路径跟踪和飞行稳定性等。

其中，姿态控制是高超声速飞行器控制中最为关键的一环。

由于高超声速飞行器的高速飞行特性，其姿态变化剧烈，传统的姿态控制方法已经无法满足需求。

因此，基于自抗扰控制技术的姿态控制成为了高超声速飞行器控制的研究热点。

基于自抗扰控制技术的姿态控制，主要通过引入扰动观测器和控制器来实现。

扰动观测器可以对外部扰动进行估计和补偿，从而使系统具备更好的抗干扰能力。

控制器通过根据扰动观测器的估计结果进行修正，实现对飞行器姿态的精确控制。

通过引入自抗扰控制技术，可以提高姿态控制系统的鲁棒性和稳定性。

在高超声速飞行器的控制研究中，利用自抗扰控制技术能够解决多种问题。

首先，由于高超声速飞行器飞行速度较快，飞行器表面会受到强烈的气动力和热载荷的影响，这些扰动会对姿态控制系统产生较大的影响。

利用自抗扰控制技术，可以精确估计和补偿这些扰动，使飞行器姿态控制系统具备更好的鲁棒性。

其次，高超声速飞行器由于飞行速度较快，对操纵输入的敏感性较高。

传统的姿态控制方法很难应对高超声速飞行器在不同工况下对操纵输入的高要求。

利用自抗扰控制技术，可以通过引入控制器来修正操纵输入，以实现高超声速飞行器在不同工况下的精确控制。

最后，高超声速飞行器的飞行特性非常复杂，例如激波和边界层的相互作用以及失稳现象等。

传统的控制方法很难满足高超声速飞行器对飞行稳定性的要求。

利用自抗扰控制技术，可以实现对飞行器飞行稳定性的优化。

综上所述，基于自抗扰控制技术的高超声速飞行器控制研究具有重要的实际意义。

高精度稳定平台伺服系统的自抗扰控制邝平;李军;雷阳;雷鹏飞【摘要】A new design method applied in high-precision stabilized platform is introduced. In view of the requirements of isolating disturbances and stabilizing optical axis of a stabilized platform, it can im-prove the performance of the system control by optimizing control algorithms. Active disturbance rejection control( ADRC) controllers are used to design the speed loop of the high-precision stabilized system, to-gether with current loop based on conventional PID control consist ADRC-PID control. By Simulink sim-ulations it shows that the ADRC has more faster response, and the isolation degree of disturbance high than that of PID. In conclusion, the ADRC based on current loop satisfies the performance requirements of photoelectrical stabilized platforms and has such characters as fast response, good isolation, strong ro-bustness and high stability.%提出了一种应用于高精度稳定平台伺服系统的设计方法. 为满足稳定平台快速隔离扰动、稳定视轴的要求,将自抗扰控制应用于平台系统的速度环,和常规PID控制的电流环一起构成ADRC-PID控制. Simulink仿真结果表明,与传统PID控制相比,采用自抗扰控制后系统响应速度快,隔离度有较大的提高. ADRC-PID 控制可满足高精度光电稳定平台的性能要求,系统具有响应速度快,隔离度好,鲁棒性强,稳定性高等特点.【期刊名称】《工业仪表与自动化装置》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】5页(P14-18)【关键词】稳定平台;自抗扰控制;伺服控制;电流环【作者】邝平;李军;雷阳;雷鹏飞【作者单位】南京理工大学自动化学院,南京210094;南京理工大学自动化学院,南京210094;南京理工大学自动化学院,南京210094;南京理工大学自动化学院,南京210094【正文语种】中文【中图分类】TP302陀螺稳定平台能够隔离载体角运动，在载体机动状态下建立稳定基准面，使安装在平台上的光电设备不会因载体运动产生的抖动和滚动而丢失目标，保证光电设备准确瞄准和跟踪目标［1］，因此广泛应用于民用和军事领域。

永磁同步电机自抗扰控制技术探究摘要：永磁同步电机(PMSM)拥有高效、高精度、高动态响应等优势，在现代工业中得到越来越多的应用。

然而，PMSM的动态响应受到外部干扰和模型误差等因素的影响，导致控制效果降低。

自抗扰控制技术(ADRC)是一种有效的控制方法，其具有较强的鲁棒性和适应性，能够有效地降低外部干扰和模型误差对系统的影响，提高PMSM的控制性能。

本文基于ADRC理论，探究了PMSM的自抗扰控制技术，建立了PMSM的数学模型，并进行了控制器的设计和仿真试验。

结果表明，ADRC技术对于PMSM的控制效果具有良好的鲁棒性和适应性，在外部干扰和模型误差的状况下，可以有效地提高PMSM的控制精度和动态性能。

关键词：永磁同步电机；自抗扰控制；鲁棒性；适应性；动态性能。

正文：一、绪论随着现代工业的不息进步，永磁同步电机(PMSM)已经成为了各种机电设备中的重要部件，在机器人、电动车、风力发电机、电子电器等领域得到广泛的应用。

PMSM拥有高效、高精度、高动态响应等优势，是替代传统感应电机的重要选择。

然而，PMSM的动态响应受到外部干扰和模型误差等因素的影响，导致控制效果降低。

因此，如何提高PMSM的控制精度和动态性能，是当前探究的热点之一。

自抗扰控制技术(ADRC)是一种有效的控制方法，它不依靠于精确的系统模型和干扰预估，能够有效地降低外部干扰和模型误差对系统的影响，提高系统的稳定性和控制性能。

因此，ADRC 技术在PMSM的控制中也得到了广泛的应用。

本文基于ADRC理论，探究了PMSM的自抗扰控制技术，建立了PMSM的数学模型，并进行了控制器的设计和仿真试验。

二、 PMSM的数学模型PMSM是一种典型的无刷直流电机，其数学模型可以表示为：$$u=\frac{d}{dt}\psi+Ri+e$$$$T=\frac{3}{2}p(\psi i_m-L_d i_d i_m)-J\frac{d\omega}{dt}$$其中，$u$为输入电压，$\psi$为磁链，$R$为电阻，$i$为电流，$e$为反电势，$T$为转矩，$p$为极对数，$i_m$为磁场电流，$L_d$为轴向电感，$L_q$为切向电感，$J$为转动惯量，$\omega$为转速。

基于干扰观测器的机电伺服系统PI控制策略
吕晨;欧阳权;许文波;王志胜
【期刊名称】《机床与液压》
【年(卷),期】2024(52)1
【摘要】空气舵机电伺服系统的主要任务是接收控制指令,并驱动负载按指令角度摆动,在各类航空航天飞行器中具有越来越广泛的应用价值。

然而在运行过程中存在的未知干扰给机电伺服系统高精度控制带来了巨大挑战。

针对这一问题,提出基于干扰补偿的空气舵机伺服系统控制策略。

首先进行空气舵机电伺服系统模型分析,其次运用径向基函数设计神经网络的状态观测器,将不可测量的舵面角度用估计值替代进行反馈控制,最后应用Lyapunov方法分析了有限时间收敛条件。

仿真结果表明:与传统电机角度反馈相比,所提出的控制策略使空气舵机电伺服系统的稳态误差减少97%以上。

【总页数】6页(P17-22)
【作者】吕晨;欧阳权;许文波;王志胜
【作者单位】南京航空航天大学自动化学院;北京精密机电控制设备研究所天伺服驱动与传动技术实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TH137
【相关文献】
1.基于反步控制的非线性干扰观测器的外部不确定干扰的电液位置伺服系统
2.一种基于软件观测器的低速直驱伺服系统控制策略
3.基于偏差解耦扰动观测器的Fuzzy-PI逆变器电流环控制策略
4.基于负载观测器与新型趋近律的光电稳定平台伺服系统RBF+SMC控制策略设计
5.模糊PI控制器与干扰观测器相结合的空间柔性机械臂的转动控制策略
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永磁同步电机调速系统自抗扰控制策略的研究#崔东明！2,任俊杰！2,黄济文2,田慕琴(1•太原理工大学矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室，山西太原030024；2.太原理工大学电气与动力工程学院，山西太原030024)摘要：永磁同步电机(PMSM)在工业领域的应用十分广泛。

针对PI控制器无法解决快速性和稳定性之间的矛盾且抗扰动能力弱的问题，在PMSM矢量控制系统的转速环中用自抗扰控制(ADRC)控制器代替PI 控制器。

利用Simulink分别对基于ADRC和基于PI控制的PMSM控制进,对2的控制进行对比。

利用dSPACE-对进步的。

明，ADRC：制，转速快速且无，的控制性能。

关键词：永磁同步电机；矢量控制；自抗扰；dSPACE试验平台中图分类号：TM351文献标志码：A文章编号：1673-6540(2021)05-0014-07doi：10.12177/emca.2021.014Research on Active Disturbance Rejection Control Strategy of Permanent Magnet Synchronoue Motor Speed Regulation System*CUI Dongming1,2,REN Junjie1，2,Huang Jiwen2,TIAN Muqin1,2(1.National&Provincial Joint Engineering Laboratory of Mining Intelligent Electrical Apparatus Technology,Taiyuan Rniveoity of Technology,Taiyuan030024,China；2.Colleee of Electrical and Poweo Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan030024,China)Abstract:Permanent magnct synchronous motos(PMSM)ts widely used in thc industrial Jield.PI controllcs of PMSM cannot deal with the contadiction between fastness and stability,and the anti-disturbanca ability is weak.In OTder1w solve thess problems,the active disturbance rejection controlles(ADRC)is used instead of PI controlles in the speed loop of PMSM vector control system.Sirnulink is used1w simulatt the vector control system of PMSM based on ADRC and PI control respectively,and the control performances of the two stratecies aro compared.Then,the dSPACE experimental platform is used i the sirnulation results.The resultr show that the ADRC effectivelysuppresses the disturbanco,the speed is adjusted quickly without overshoot,and the control performanco of the system is irnpoved.Key worbt:permaneet magnet synchronoue motor(PMSM)；vector control；active disturbance rejection；dSPACE experimental platform0-.高的行业⑴，这些行业的快速发展则又对PMSM的调速的控制，例永磁同步电机(PMSM)应用于许多性的调速。

第３７卷第６期２０２３年１１月兰州文理学院学报(自然科学版)J o u r n a l o fL a n z h o uU n i v e r s i t y ofA r t s a n dS c i e n c e (N a t u r a l S c i e n c e s )V o l ．３７N o ．６N o v ．２０２３收稿日期:２０２３Ｇ０３Ｇ２６作者简介:高俊岭(１９６６Ｇ),女,安徽凤台人,副教授,硕士,研究方向为电力电子与电力传动．E Ｇm a i l :６０３６１８１５６＠q q．c o m．㊀∗通信作者:黄豪磊(１９９８Ｇ),男,河南淮阳人,在读硕士,研究方向为永磁电机控制．E Ｇm a i l :２４３６００１９０６＠q q．c o m．㊀㊀文章编号:２０９５Ｇ６９９１(２０２３)０６Ｇ００４１Ｇ０５自抗扰和新型滑模观测器的P M S M 无传感器控制高俊岭,黄豪磊∗,张㊀磊,田㊀琳(安徽理工大学电气与信息工程学院,安徽淮南２３２００１)摘要:针对中高速情况下,带有滑模控制器的传统控制方法存在动态响应慢㊁抖振较大㊁转子转速及位置信息估计精度差等问题,设计一种自抗扰控制结合新型滑模观测器的控制策略．速度环采用自抗扰速度控制器改善系统的动态响应速度和抗扰性能;新型滑模观测器采用边界层厚度随转子速度动态可调的正弦输入函数作为切换函数,有效抑制了观测器抖振;基于反电动势模型设计反电动势观测器,省去了低通滤波器,提高了转速和转子位置的估计精度．通过仿真实验验证了本文方法的有效性和可行性．关键词:P M S M ;无传感器控制;自抗扰控制器;新型滑模观测器中图分类号:TM ３５１㊀㊀㊀文献标志码:AS e n s o r l e s sC o n t r o l o fP M S M B a s e do nA c t i v eD i s t u r b a n c eR e j e c t i o na n dN e wS l i d i n g Mo d eO b s e r v e r G A OJ u n Ｇl i n g ,HU A N G H a o Ｇl e i ∗,Z HA N GL e i ,T I A N L i n (S c h o o l o fE l e c t r i c a l a n d I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g,A n h u iU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,H u a i n a n２３２００１,A n h u i ,C h i n a )A b s t r a c t :A i m i n g a t t h e p r o b l e m s o f t r a d i t i o n a l c o n t r o lm e t h o d sw i t h s l i d i n g mo d e c o n t r o l l e r s s u c ha s s l o wd y n a m i c r e s p o n s e ,l a r g e c h a t t e r i n g ,a n d p o o r e s t i m a t i o n a c c u r a c y o f r o t o r s p e e d a n d p o s i t i o n i n f o r m a t i o n a tm e d i u ma n d h i g h s p e e d s ,a c o n t r o l s t r a t e g y b a s e d o n a u t o d i s t u r b Ｇa n c e r e j e c t i o n c o n t r o l a n d an e ws l i d i n g m o d e o b s e r v e r i s d e s i g n e d ．T h e s p e e d l o o p a d o pt s a n a u t od i s t u r b a n c er e j e c t i o ns p e e dc o n t r o l l e rt o i m p r o v et h ed y n a m i cr e s p o n s es p e e da n dd i s Ｇt u r b a n c e r e j e c t i o n p e r f o r m a n c e o f t h e s y s t e m．T h e n e ws l i d i n g m o d e o b s e r v e r u s e s a s i n u s o i d Ｇa l i n p u t f u n c t i o nw h o s e b o u n d a r y l a y e r t h i c k n e s s i s d y n a m i c a l l y a d j u s t a b l ew i t h r o t o r s pe e d a s a s w i t c h i n gf u n c t i o n ,e f f e c t i v e l y s u p p r e s s i ng th e o b s e r v e r c h a t t e ri n g ．T h e b a c k e l e c t r o m o t i v e f o r c e o b s e r v e r i s d e s i gn e db a s e do n t h eb a c ke l e c t r o m o t i v e f o r c em o d e l ,w h i c he l i m i n a t e s t h e l o w Ｇp a s s f i l t e r a n d i m p r o v e s t h ee s t i m a t i o na c c u r a c y o f r o t a t i o n a l s pe e da n dr o t o r p o s i t i o n ．T h e ef f e c t i v e n e s s a n d f e a s i b i l i t y a r e v e r i f i e d t h r o ug hs i m u l a t i o ne x pe r i m e n t s ．K e y w o r d s :P M S M ;s e n s o r l e s sc o n t r o l ;a c t i v ed i s t u r b a n c er e j e c t i o nc o n t r o l l e r ;n e w s l i d i n g m o d e o b s e r v e r㊀㊀永磁同步电机(P e r m a n e n tM a g n e tS y n c h r o Ｇn o u sM o t o r ,P M S M )凭借高效率㊁结构简易等优势,在电动汽车㊁风机等领域获得了广泛应用[１]．传统P M S M 普遍采用机械式传感器对转子信息进行检测,这种检测方法存在电机体积大㊁可靠性低等缺点,无传感器控制很好地解决了这些问题,诸多学者也一直致力于该领域的研究[２]．目前,中高速无传感器控制主要有扩展卡尔曼滤波(E K F )[３]㊁滑模观测器(S MO )[４]和模型参考自适应(M R A S)[５]等方法．滑模观测器(S l i d i n g Mo d eO b s e r v e r ,S MO )法是一种使用非常广泛的控制策略,由于滑模控制器自身机制会引起严重的系统抖振,文献[６]采用分段指数型函数作为滑模切换函数,有效削弱了滑模抖振,提高了系统的电流响应,但低通滤波器的使用使相位存在一定的滞后性．文献[７]采用高阶滑模观测器观测转子信息,应用新型滑模控制器作为速度控制器,有效降低了系统抖振,获得了良好的控制效果,由于系统转速存在较大的超调量,导致转速估计精度不高．文献[８]设计了一种双滑模控制策略,对滑模速度控制器和观测器都进行了优化,有效缩短了系统的响应时间,降低了系统抖振,但该方法在一定程度上增加了系统的运算量．本文以i d ＝０的P M S M 矢量控制系统为研究对象,速度环采用自抗扰控制器(A c t i v eD i s Ｇt u r b a n c eD e je c t i o nC o n t r o l l e r ,A D R C )提高了系统的动态响应速度,增强了系统的抗扰能力．在满足L y a p u n o v 稳定性的条件下设计新型滑模观测器(N e w S l i d i n g M o d eO b s e r v e r ,N S MO ),从切换函数的角度降低了系统抖振,同时设计了一种可变边界层正弦输入函数;利用反电动势观测器对等效反电动势进行处理,有效避免了低通滤波器的使用及相位补偿问题．1㊀自抗扰速度控制器设计1.1㊀永磁同步电机的数学模型表贴式P M S M 在d ㊁q 坐标系下的数学模型为:d i d d t ＝１L s u d －R L s i d ＋ωr L sφq ,d i q d t ＝１L s u q －R L s i q ＋ωr L sφd ,d ωr d t ＝P n J T e －P n J T L －B ω,T e ＝３P n φfi q ２,ìîíïïïïïïïïïï(１)式中:u d ㊁u q 为定子电压d ㊁q 轴分量;i d ㊁i q 为定子电流d ㊁q 轴分量;L s 为定子电感;φf 为转子永磁体磁链;J 为转动惯量;T e 为电磁转矩;φd ㊁φq 分别为磁链的d ㊁q 轴分量;T L 为负载转矩;P n 为极对数;B ω为摩擦系数;ωr 为转子角速度;i q 为交轴电流;R 为定子电阻．1.2㊀速度环ADRC 设计自抗扰控制主要包括跟踪微分器(T D )㊁扩张状态观测器(E S O )和非线性误差反馈控制率(N L S E F )．为了减少计算量,速度环采用一阶A D R C ．T D :e １＝z １１－w ∗,z１１＝－r ０f al e １,α１,δ１()．{(２)E S O :e ２＝z ２１－w ,z ２１＝z ２２－β１f a l e ２,α２１,δ２１()＋b u ,z ２２＝β２f a l e ２,α２２,δ２２()．ìîíïïïï(３)N L S E F :e ３＝z １１－z ２１,u ０＝kf a l e ３,α３,δ３(),u ＝u ０－z ２２/b ．ìîíïïïï(４)以上公式中:e １㊁e ２㊁e ３为误差信号;α１㊁α２１㊁α２２㊁α３为跟踪因子;δ１㊁δ２１㊁δ２２㊁δ３为滤波因子;w ∗为T D 的输入信号;z １１为w ∗的跟踪信号;r ０为T D 的速度因子;β１㊁β２为E S O 输出误差校正增益;ω为输出信号;z ２１为E S O 观测输出速度;z ２２为扰动观测量;u ０为N L S E F 输出控制信号;k 为调节器增益;b 为补偿因子;u 是补偿后的输入信号;f al 代表非线性函数,其表达式为:f al e ,α,δ()＝|e |αs gn e (),|e |＞δ,e δα－１,|e |ɤδ．{(５)式中:s gn 为符号函数．2㊀新型滑模观测器设计式(１)中d ㊁q 坐标下的电流方程经反Pa r k 变换得到α㊁β静止坐标下的电流方程为:d i αd t ＝－R L s i α＋１L s u α－e α(),d i βd t ＝－R L s i β＋１L s u β－e β(),e α＝－φf ωr s i n θ,e β＝φfωr c o s θ,ìîíïïïïïïïï(６)式中:i α㊁i β为定子电流;u α㊁u β为定子电压;θ为转子位置角;e α㊁e β表示扩展反电势．由定子电流误差构建新型滑模观测器的结构模型如图１所示．2.1㊀新型滑模观测器利用电流误差构造滑模面为:s (x )＝s αs βæèçöø÷＝i ɡα－i αi ɡβ－i βæèççöø÷÷,(７)２４㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀兰州文理学院学报(自然科学版)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３７卷图１㊀新型滑模观测器结构式中:s α㊁s β为定子电流误差,i ɡα㊁i ɡβ表示定子电流估计数值．不同滑模函数设计的滑模观测器具有不同的观测效果,传统滑模观测器通常采用开关函数作为滑模切换函数,而开关函数存在严重的滑模抖振．为了减弱系统抖振,文献[９]采用边界层固定不变的饱和函数作为滑模函数,但固定边界层厚度会影响系统的收敛速度．因此,采用边界层随转速可调的正弦输入函数F (s )作为切换函数,用来削弱滑模抖振和满足高性能控制的需要,其表达式为:F s ()＝s i n πs ２m æèçöø÷,s ＜m ,s i gn s (),s ȡm ,ìîíïïï(８)式中:m 为边界层厚度(正常数);s 为滑模面函数．F (s )的函数曲线如图２所示．图２中,F (s )在整个实数域内连续且在零点处的函数值为零,常数m 可以调节F s ()的陡度．边界层厚度m １㊁m ２㊁m ３分别对应转速ω１㊁ω２㊁ω３．速度较高时,通常采用较小的边界层m ,此时对系统抖振的抑制较强,同理低速系统通常采用较大的边界层．因此,不同转速下的m 值可通过查表法获得．图２㊀F (s )函数曲线㊀㊀边界层厚度m 通过经验获得,在满足系统收敛性的同时要尽可能小[１０]．以３００r /m i n ~１０００r /m i n 转速范围为例,将这一范围划分为４个区间,不同区间的边界层m 如表１所列．本文取m ＝０．２,重新定义了边界层厚度．表１㊀不同转速下边界层厚度转速/(r m i n －１)３００５００８００１０００边界层厚度/mm０．８５０．６５０．５００．４５㊀㊀新型滑模观测器的模型设计为:d i ɡαd t ＝－R L s i ɡα＋１L s[u α－K F s α()],d i ɡβd t ＝－R L s i ɡβ＋１L s[u β－K F s β()],ìîíïïïïïï(９)式中:K 为常数,表示滑模增益．式(９)减去式(６)即可得到电流误差方程为:d s αd t ＝－R L s s α＋１L s e α－１L sK F s α(),d s βdt ＝－R L s s β＋１L s e β－１L s K F s β()．ìîíïïïï(１０)将式(１０)简化为:sαβ＝A s αβ＋B e αβ－K F s αβ()(),(１１)式中:A ＝－R/L s ００－R /L s æèçöø÷;电感矩阵B ＝１/L s ００１/L s æèçöø÷;反电动势e s ＝e αe βæèçöø÷;s αβ＝s αs βæèçöø÷．为了保证系统稳定,构造L y a pu n o v 函数为:V ＝１２s T s ＝１２s ２α＋s ２β()＝１２s ２αβ．(１２)根据L y a p u n o v 第二方法可知,只有V＝s Tαβsαβ＜０,才能保证系统稳定,即V＝A s T αβs αβ＋B s Tαβe s －K F s αβ()()＜０,(１３)式中,A s T αβs αβɤ０恒成立．为保证观测器稳定,滑模增益K 的设定范围为:K ＞m a x (|e α|,|e β|),即滑模增益K 应大于反电动势的最大幅值．2.2㊀反电动势观测器传统滑模观测器由于低通滤波器的使用会给系统带来相位延迟,且延迟角度的大小与电机实际转速及低通滤波器截止频率有关,估计精度较差．设计反电动势观测器不仅能够避免低通滤波器的使用和由此产生的相位补偿问题,简化系统,而且有效提高了转子位置和速度的估计精度．P M S M 的反电动势模型可表示为:d e αd t＝－ωr e β,d e βd t＝ωr e α．ìîíïïïï(１４)由反电动势模型可以得到反电动势观测器设３４第６期高俊岭等:自抗扰和新型滑模观测器的P M S M 无传感器控制计方程为:d d te ɡα＝－ωɡr e ɡβ－h e ɡα－e α(),d d t e ɡβ＝ωɡr e ɡα－h e ɡβ－e β(),d d tωɡr ＝e ɡα－e α()e ɡβ－e ɡβ－e β()e ɡα．ìîíïïïïïïïï(１５)式中:h 为观测器增益;e ɡα㊁e ɡβ为反电势观测值;ωɡr为角速度估计值．式(１５)减式(１４)得反电动势观测器误差方程为:d d te ~α＝－ω~r e ɡβ－ωr e ~β－h e ~α,d d t e ~β＝ω~r e ɡα＋ωr e ~α－h e ~β,d d tω~r ＝e ~αe ɡβ－e ɡαe ~β．ìîíïïïïïïïï(１６)式中:e ~α＝e ɡα－e α;e ~β＝e ɡβ－e β;ω~r ＝ωɡα－ωα．通过分析观测器的稳定性,定义L y a p u n o v 函数为:V ＝１２e ~２α＋e ~２β＋ω~２r ()．(１７)对式(１７)求微分可得:V＝e ~αe ~ α＋e ~βe ~β＋ω~r ω~ r．(１８)将式(１６)代入式(１８),得:V＝－h e ~２α＋e ~２β()．(１９)因为h ＞０,则V＜０,满足L y a pu n o v 稳定性条件,说明观测器满足稳定性和可达性．3㊀仿真实验与结果分析在M a t l a b /S i m u l i n k 中搭建自抗扰和新型滑模观测器的P M S M 控制系统仿真模型．系统整体框架如图３所示．图３㊀自抗扰和新型滑模观测器的P M S M 系统框架㊀㊀通过与传统滑模控制器(S l i d i n g Mo d eC o n Ｇt r o l l e r ,S M C )和观测器相结合的控制方法进行对比,验证自抗扰和新型滑模观测器的优越性．仿真所用的P M S M 主要电气参数如表２所列．表２㊀永磁同步电机主要参数参数数值直流侧电源电压u d c/V ３１１开关频率f s /k H z １０永磁体磁链φf /W b ０．１７５定子电感L s/mH ８．５定子电阻R /Ω２．８７５电机磁极对数P n４3.1㊀加速和抗扰性能分析A D R C 和S M C 控制方法下的实际转速波形如图４所示．图４㊀A D R C 和S M C 实际转速波形㊀㊀由图４可知,与传统滑模控制器相比,自抗扰控制器在电机启动和突加转速时能够快速稳定于给定转速,响应速度更快,转速抖振几乎为零．在０．０８s 突加５N m 负载时,传统滑模控制器的转速降落达到了９５r /m i n ,恢复给定转速所需时间较长;而自抗扰控制器的转速降落仅为８r/m i n,转速波动较小．结果表明自抗扰控制器具有较好的动态性能和抗干扰能力．两种控制方法下的转速误差如图５所示．由图５可知,传统滑模观测器初始启动阶段的转速误差达到了１０r /m i n ,当转速增加至１０００r /m i n时,误差在－２~４r /m i n 之间波动,且突加转速或突加负载时误差都发生了较大波动;而新型滑模观测器在启动阶段的转速误差最大仅为０．１２r /m i n ,当转速增加至１０００r /m i n 时,误差在０ ０２~０．１r /m i n 之间波动,有效减小了转子转速的估计误差．４４㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀兰州文理学院学报(自然科学版)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３７卷图５㊀实际转速与估计转速误差3.2㊀观测器性能分析两种控制方法下的转子实际角度与观测角度曲线如图６所示．由图６可知,新型滑模观测器的转子位置跟踪效果明显优于传统滑模观测器．图６㊀滑模观测器实际角度与观测角度㊀㊀当转速为５００r /m i n 时,传统滑模和新型滑模观测器的转子位置估计误差比较曲线如图７所示．由图７可知,传统滑模观测器得到的位置估计误差达到了０．０２６r a d ,并伴有高频抖振;而改进滑模观测器的位置估计误差仅为０．０１０５r a d ,有效削弱了抖振幅值并减小了转子位置估计误差．4㊀结语本文以表贴式P M S M 为研究对象,速度环采用A D R C 控制器,使系统在初始启动和加速过程中都能快速稳定,当负载突变时,抗干扰能力较强．新型滑模观测器利用边界层可调的正弦输入图７㊀传统S M O 和N S M O 转子位置估计误差函数,有效削弱了观测器抖振;通过反电动势观测器对反电动势进行提取,避免了低通滤波器的使用及由此带来的相位补偿问题,提高了系统的跟踪精度．参考文献:[１]申永鹏,刘安康,崔光照,等．扩展滑模观测器永磁同步电机无传感器矢量控制[J ]．电机与控制学报,２０２０,２４(８):５１Ｇ５７,６６．[２]王丽,高远,袁海英．基于改进型S MO 的P M S M 无传感器鲁棒控制方法[J ]．广西科技大学学报,２０２２,３３(２):４８Ｇ５３,６８．[３]Q U A N G N K ,H I E U N T ,HA Q P ．F P G A Ｇb a s e d s e n s o r l e s sP M S M s p e e dc o n t r o lu s i n g re d u c e d Ｇo r d e r e x t e n d e dK a l m a nf i l t e r s [J ]．I E E E T r a n s a c t i Ｇo n so n I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c s ,２０１４,６１(１２):６５７４Ｇ６５８２．[４]L I A N GD ,L I J ,Q UR．S e n s o r l e s s c o n t r o l o f pe r m a Ｇn e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m a c h i n eb a s e do ns e c o n d Ｇo r d e r s l i d i n gＧm o d e o b s e r v e rw i t ho n l i n e r e s i s t a n c e e s Ｇt i m a t i o n [J ]．I E E E T r a n s a c t i o n so n I n d u s t r y A p p l i c a Ｇt i o n s ,２０１７,５３(４):３６７２Ｇ３６８２．[５]李京,王仲根,沈志俊,等．永磁同步电机双滑模无传感器矢量控制研究[J ]．兰州文理学院学报(自然科学版),２０２２,３６(４):４７Ｇ５２．[６]张立伟,李行,宋佩佩,等．基于新型滑模观测器的永磁同步电机无传感器矢量控制系统[J ]．电工技术学报,２０１９,３４(S １):７０Ｇ７８．[７]杨浩,赵强,杨钊,等．基于新型双滑模的永磁同步电机无传感器矢量控制[J ]．科学技术与工程,２０２２,２２(６):２２５２Ｇ２２５８．[８]李凡,彭思齐,蒋雨函,等．基于改进的滑模控制器和观测器的S P M S M 控制[J ]．控制工程,２０２２,２９(９):１６２５Ｇ１６３０,１６５１．[９]仝兆景,郑权,韩耀飞,等．基于新滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制[J ]．电子科技,２０２１,３４(１２):１Ｇ６,４１．[１０]郑征,赵来阔．基于自适应滑模观测器的P M S M 无位置传感器研究[J ]．武汉大学学报(工学版),２０２２,５５(４):３８７Ｇ３９３,４００．[责任编辑:李㊀岚]５４第６期高俊岭等:自抗扰和新型滑模观测器的P M S M 无传感器控制。

基于自抗扰控制器的永磁同步电机位置伺服系统一、本文概述随着工业自动化的快速发展，永磁同步电机（PMSM）作为高性能伺服系统的核心部件，在精密制造、航空航天、机器人等领域得到了广泛应用。

然而，PMSM的位置伺服控制面临诸多挑战，如参数不确定性、外部干扰以及系统内部非线性等，这些问题往往导致控制精度和动态性能不足。

为此，本文提出了一种基于自抗扰控制器（ADRC）的永磁同步电机位置伺服系统，旨在通过先进的控制策略提高系统的鲁棒性和精度。

自抗扰控制器是一种源自中国的先进控制技术，它通过扩张状态观测器（ESO）估计并补偿系统总扰动，实现了对不确定性和干扰的有效抑制。

本文首先介绍了PMSM的数学模型和传统控制方法存在的问题，然后详细阐述了自抗扰控制器的设计原理及其在PMSM位置伺服系统中的应用。

通过仿真和实验验证，本文展示了自抗扰控制器在提高系统稳定性、动态响应和定位精度方面的优越性能。

本文的主要内容包括：PMSM的数学模型分析、自抗扰控制器的设计原理、PMSM位置伺服系统的实现方法、仿真和实验结果分析以及结论与展望。

通过本文的研究，旨在为PMSM位置伺服系统的控制策略设计提供新的思路和方法，推动高性能伺服系统在实际应用中的进一步发展。

二、永磁同步电机及位置伺服系统基础永磁同步电机（PMSM）是一种利用永磁体产生磁场的同步电机，具有高效率、高功率密度和良好调速性能等优点，因此在位置伺服系统中得到广泛应用。

PMSM的位置伺服系统是一种典型的闭环控制系统，其目的是通过精确控制电机的转速和转角，实现对目标位置的快速、准确跟踪。

在PMSM位置伺服系统中，电机转子的位置信息通过位置传感器（如编码器）进行实时检测，并与目标位置进行比较，形成位置误差信号。

该误差信号经过控制器处理后，生成相应的控制信号，驱动电机进行运动，以减小位置误差。

因此，控制器的性能对位置伺服系统的精度和动态性能具有重要影响。

自抗扰控制器（ADRC）是一种新型的非线性控制方法，具有强鲁棒性和良好的跟踪性能。