基于自抗扰控制器的永磁同步电主轴速度扰动控制研究
第11期2016年11月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
No.11
Nov.2016
文章编号：l〇〇l-2265(2016)11-0108-04D01：10. 13462/https://www.wendangku.net/doc/fb12280546.html,ki.mmtamt. 2016. 11.029
基于自抗扰控制器的永磁同步电主轴
速度扰动控制研究+
孙荣俊1，孙中圣1，鲁明2
(1.南京理工大学机械工程学院，南京210094; 2.北京控制工程研究所机电中心，北京100086)
摘要:针对传统永磁同步电主轴（PMSS)调速系统在外部扰动或不确定参数变化等状况下的速度控制性能不佳的问题，提出了速度环ADRC调节器的控制策略，该方法利用扩张状态观测器（ESO)对 系统中的内外部“总扰动”进行估计及补偿，并利用非线性状态误差反馈控制器（NLSEF)对跟踪微分 器（TD)的过渡过程与ESO产生的状态估计的误差进行非线性组合，实现优于经典P I调节器的线性 组合的控制效果。仿真结果表明：在该控制策略下，PMSS具有良好的动态响应性能以及较强鲁棒性。
关键词：永磁同步电主轴；速度环；自抗扰控制器
中图分类号:TH164 ;TG506 文献标识码:A
Study of PMSS Speed Disturbance Control Based on ADRC
SUN Rong-jun1,SUN Zhong-sheng1,LU Ming2
(1. School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing210094, Chi-
na； 2. Mechanical and Electrical Center,Beijing Institute of Control Engineering,Beijing 100086, China) Abstract ：The control performance of traditional drive system of the permanent magnet synchronous spindle (PMSS)is poor when there is an external disturbance or an uncertain parameters changing,so the control strategy of speed-loop ADRC regulator is proposed.In this method,the total disturbance of the system is es-timated and compensated by using ESO；and nonlinear combination of the errors is done by NLSEF.The simulation results show that the PMSS has good dynamic performance and strong robustness by this control strategy.
Key words：PMSS；speed-loop；ADRC
〇引言
电主轴将电机内装于主轴本体内，具有结构紧凑、动态特性好的优点。它的应用实现了机床的“零传 动”，同时也改善了机床动平衡、减小了振动和噪声[1]。随着钕铁硼等永磁材料成本的下降，加上永磁同步电主轴(permanent magnet synchronous spindle，PMSS)在性能和结构方面的优势，PM SS势必成为高端 机床中的应用趋势。
PM SS与永磁同步电机的驱动控制策略基本相同。PM SS调速系统可以近似为一阶积分型线性系统[2]，在其通常使用的矢量控制器中，速度环调节器大都采 用P I调节器，而经典P I调节器存在以下劣势[3]:对增 益的变化很敏感，存在“快速性”和“超调”的矛盾，积 分反馈易造成振荡和积分饱和。
PM SS是一个非线性、强耦合、参数时变的系统，当系统模型参数存在摄动或存在外部扰动，经典P I调节 器的控制性能就显得不尽人意了。为此不少学者就具有高动、静态性能和鲁棒性的速度环调节器做了不少 研究。刘颖等人在滑模变结构控制的基础上引人积分 补偿和扰动观测器环节[4]，鲁文其等人提出了抗扰动 自适应控制[5]，这两种控制策略都具有较好的动静态 性能和鲁棒性，但都依赖于精确的系统模型。毋华丽 提出了一种基于哈密顿系统理论的双环路鲁棒控制方 法，提高系统对负载扰动的鲁棒性[6]，但系统设计过于 繁琐。Nga Thi-Tliuy V u等人提出了一种基于确定性等价原理的鲁棒自适应速度控制器，该控制器不需精 确知道系统模型参数且能快速适应系统参数和负载转 矩变化[7]。Z ?Hashemi等人提出了一种抗积分饱和的P I调制器，并利用遗传算法对该控制器的参数进行 训练及优化[8]，但该方法计算量大，实时性较差。
本文针对PMSS运行过程中由于负载转矩、摩擦 系数以及转动惯量等参数摄动和外部不确定扰动造成 的系统性能下降的问题，设计了速度环自抗扰控制器 (Active-Disturbance Rejection Controller,ADRC)，其能 够有效地对系统内外扰动进行估计并加以补偿，且不
收稿日期:2016-01-15
*基金项目：国防科工局军用技术推广科研项目（科工技[2014]750)
作者简介:孙荣俊（1990—），男，江苏兴化人，南京理工大学硕士研究生，研究方向为永磁同步电机驱动技术，（E -mail)rongjun.sun@https://www.wendangku.net/doc/fb12280546.html, 。