做座交流伺服进给系统滑模变结构扰动观测补偿控

交流伺服进给系统滑模变结构扰动观测补偿控制

数控设备的机械传动链对整个系统的伺服刚度有较大影响，当存在负载扰动作用时，机械传动链一般都将导致系统的动态响应特性下降。如果仅从提高传动链刚度的方面努力，由于受到结构尺寸、材料、重量等方面的条件限制，其效果是有限的，必须从机电传动系统的整体上进行改进。其中，通过扰动观测器进行抗干扰补偿控制受到了多方面的重视。

目前负载扰动观测器的研究对象基本上以直流伺服进给系统为主，方法可分为前馈补偿控制和Bang-Bang控制。前馈补偿控制可减小负载扰动的影响，但对于高阶扰动则无法补偿；Bang-Bang控制可消除高阶扰动的影响，但必须克服颤振问题。随着交流伺服系统的应用普及，研究改进扰动观测器同时抑制负载扰动和高阶扰动的性能，对于提高交流伺服进给系统的抗干扰能力具有重要的实际意义。1 控制对象系统分析 交流同步伺服电机驱动的进给传动系统见图1，系统主要由控制器及驱动电路、电机和机械执行部件组成。采用基于旋转磁场的控制［4］实现对交流同步电机力矩分量和励磁分量的近似解耦后，其力矩控制回路的传递函数框图见图2。图1 交流同步伺服电机驱动的进给传动系统框图图2 交流进给系统力矩控制回路的传递函数框图 图1中，ω*为速度参考命令；ωm为电机轴的输出角速度；I*d为励磁回路控制指令。图2中，ΔUd(t)为因解耦误差引起的扰动；Kt为电机力矩常数；eω为速度环偏差；S为拉氏算子；Uq为转矩控制指令；Iq为q轴电流；Kp、KI为速度环PI控制器增益；Td为外部干扰力矩；Ke为电机反电势常数；Kpc、Kic为电流环PI控制器增益；T为电机的输出转矩；J为电机转动惯量；Lm、Rm分别为电机力矩控制回路等效电感和电阻；θm为电机轴的输出转角；R为电机轴到工作台的广义传动比；K2为传动链等效刚度；Mt为所有运动部件的等效惯量；Ct为粘滞阻尼系数；Xt为工作台的位移。

力矩控制回路受到由负载扰动和解耦误差两个方面的干扰，其中，库仑力类型的负载扰动可归结为有限阶跃形式的干扰，通过扰动观测器补偿可得到较好的控制。由于在交流伺服系统中，磁场控制和力矩控制的解耦是动态实根据品种划分比拟复杂现的，实际控制过程中的d轴电流很难完全控制为零，而按照 Id=0（或常数）计算出来的q轴电流将受到因耦合引起的干扰，由于算法中坐标变换的原因，用ΔUd表示的解耦误差所包含的频率成分非常复杂，常规低阶（一阶或二阶）扰动观测器难以完全积极帮助客户解决问题有效补偿这部分干扰。笔者提出的方法是在常规扰动观测器的基础上，构造滑模变结构扰动观测补偿器。2 滑模变结构扰动观测补偿器 忽略因机械刚度K2耦合引起的内部反馈影响，以m为变量，可由图2建立交流同步伺服电机力矩回路的系统方程Lmq+RmIq=Uq+亚什兰与客户共同合作ΔUd(t)-Keωm (1)Jm=IqKt-Td (2)由式（1）、式（2）说明速度的扰动与电流Iq的变化、负载扰动Td有关，而Iq本身又由于存在解耦误差和反电势常数Ke引起的速度反馈扰动，而处于动态变化过程中。扰动观测补偿的基本思想是，以假设已经克服了外部干扰、并完全实现d-q坐标下线性解耦的转矩控制回路作为理想模型，设此时的等效转矩控制参考命令为Uqa、q轴电流分量Iqa在Uqa和Iqa的作用下实现了电但到底破碎程度怎样机转矩控制回路的平衡。因此转速ωm应满足Lmqa+RmIqa=Uqa-Keωm (3)Jm=IqaKt (4)实际系统与理想模型的偏差则用作