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永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）具有功率密度大、功率因數(shù)高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過(guò)載能力強(qiáng)、響應(yīng)快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在伺服驅(qū)動(dòng)等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含大量如齒輪、皮帶等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這些機(jī)構(gòu)的存在，使得伺服系統(tǒng)效率降低，中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的彈性形變，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙會(huì)造成伺服系統(tǒng)控制精度下降。

為解決上述問(wèn)題，直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)將負(fù)載和電機(jī)軸直接相連，取消伺服系統(tǒng)中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，避免了減速機(jī)彈性形變、傳動(dòng)誤差和組件摩擦的影響，使伺服系統(tǒng)能夠擁有更高的定位精度、效率和響應(yīng)能力，降低了振動(dòng)噪聲和維護(hù)成本。

但由于直驅(qū)伺服電動(dòng)機(jī)軸和負(fù)載直接相連，外部擾動(dòng)直接傳遞到電機(jī)本身導(dǎo)致電機(jī)對(duì)擾動(dòng)更加敏感，使伺服系統(tǒng)精度和性能降低。電機(jī)本身的齒槽轉(zhuǎn)矩、高次電流諧波、磁阻效應(yīng)等造成的輸出擾動(dòng)會(huì)直接作用在負(fù)載上，影響系統(tǒng)性能。在低速工況下，齒槽轉(zhuǎn)矩、摩擦轉(zhuǎn)矩等擾動(dòng)會(huì)表現(xiàn)出更低的頻率，由于電機(jī)本身具有低通濾波器特性，對(duì)低頻擾動(dòng)抑制能力差，所以上述問(wèn)題帶來(lái)的影響更加明顯。

南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院、中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所的卜飛飛、郭子韜、顧毅君、軒富強(qiáng)、秦海鴻，在2022年第16期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，分析傳統(tǒng)比例積分速度控制方法無(wú)法兼顧跟蹤性能和抗擾性能的缺點(diǎn)。引入傳統(tǒng)降階狀態(tài)觀測(cè)器，對(duì)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)進(jìn)行估計(jì)和前饋補(bǔ)償；分析系統(tǒng)擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩到真實(shí)轉(zhuǎn)矩之間傳遞函數(shù)的伯德圖及鋸齒波響應(yīng)，根據(jù)零極點(diǎn)對(duì)消原則對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行期望設(shè)計(jì)，引入微分環(huán)節(jié)對(duì)傳統(tǒng)降階觀測(cè)器進(jìn)行改進(jìn)，給出改進(jìn)觀測(cè)器的鋸齒波響應(yīng)并證明其補(bǔ)償響應(yīng)速度的提升，提出基于引入微分模塊的降階觀測(cè)器前饋補(bǔ)償方法。

圖1 改進(jìn)型降階狀態(tài)觀測(cè)器框圖

他們搭建永磁直驅(qū)伺服電動(dòng)機(jī)擾動(dòng)抑制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)的降階觀測(cè)器對(duì)補(bǔ)償諧振的抑制具有良好性能，且抗擾動(dòng)能力更強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)較大擾動(dòng)低速下的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體硬件實(shí)物

研究人員指出，將微分環(huán)節(jié)引入降階觀測(cè)器中，能夠提高觀測(cè)器的補(bǔ)償響應(yīng)速度。改進(jìn)的觀測(cè)器對(duì)擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩的觀測(cè)無(wú)理論滯后，有效地解決了傳統(tǒng)觀測(cè)器中的補(bǔ)償諧振問(wèn)題。另外，基于降階觀測(cè)器的擾動(dòng)抑制方法較其他方法相比，無(wú)需提前預(yù)知擾動(dòng)信息，適合應(yīng)對(duì)在實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的各種無(wú)法預(yù)測(cè)的擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在低速下觀測(cè)性能較好，且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，無(wú)需改變傳統(tǒng)PI控制結(jié)構(gòu)，可調(diào)參數(shù)較少，易于工程實(shí)現(xiàn)。

他們表示，改進(jìn)的降階觀測(cè)器雖然加入了微分環(huán)節(jié)，但其微分系數(shù)可調(diào)，不會(huì)使電機(jī)在低速工況下的位置信號(hào)測(cè)量誤差被放大。據(jù)介紹，該擾動(dòng)抑制方法，可以與不同的控制算法相結(jié)合，從而形成復(fù)合控制算法，普適性較強(qiáng)。

研究人員進(jìn)一步指出，本次課題是在傳統(tǒng)PI控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行了補(bǔ)償，但PI控制存在其局限性，若將其他控制方法與觀測(cè)器進(jìn)行結(jié)合可能會(huì)帶來(lái)更好的擾動(dòng)抑制效果。此外，對(duì)于不同的擾動(dòng)類(lèi)型，改進(jìn)的觀測(cè)器效果及諧振點(diǎn)出現(xiàn)的規(guī)律，他們將開(kāi)展深入的研究工作。

本文編自2022年第16期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于改進(jìn)型降階觀測(cè)器的永磁直驅(qū)伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)抑制策略”。本課題得到河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目的支持。