基于ESO-CPC的激光追踪测量系统电机仿真方法
来源：未知
发布日期：2019-09-19 14:36【大 中 小】
激光追踪测量系统具有测量范围大、测量效率 高、精度高、操作简单等优点，广泛应用于飞行器 制造、汽车制造、船舶制造等领域。激光追踪测量系统利用高分辨率的激光干涉测量方法实现高 精度跟踪测量，主要应用于机床校准、工件检测。 电机的高精度追踪控制技术是激光追踪测量系统 的关键技术，电机控制的性能直接影响激光追踪测 量系统对空间随动目标的跟踪速度和跟踪精度，要 求电机具有快速的转矩响应，处于最内环的电流控 制器性能就成为影响控制系统整体性能的关键。
对电流控制器的设计，最常见是 PI 控制方法， 其结构简单、调整方便。但是传统的 PI 控制属于线性控制，仅适用于负载变化小且没有较多干扰的 场合，其控制性能易受内外多种因素影响，不利于 应用到强耦合、多输入输出的非线性时变的永磁同 步电机控制系统中[5]。预测控制是一种从工业过程 控制中发展起来的计算机控制算法，与传统控制方 法相比最大的区别在于能够考虑到控制量对未来的 影响，通过在线滚动优化不断反馈校正，在一定程 度上克服了由模型误差和不确定性干扰所带来的影 响，具有更快的动态响应速度和更高的稳态精度， 增强了系统的鲁棒性。Malesani 等[6]提出了无差拍 电流预测控制算法，实现了对电机基于模型的运动 控制，该方法对电机模型参数的失配比较敏感。 Morel 等[7-8]提出根据逆变器输出的不同电压矢量来 预测下一控制周期的电流，该方法仅通过一个评价 函数唯一确定电压矢量的输出，电流频响较快，同 时存在电流纹波。王伟华等[9-10]提出了增量预测算 法，避免了传统 PI 控制所带来的超调和震荡，同时 仍然保留 PI 闭环控制改善传统预测控制对电机参 数的依赖性，但牺牲了响应速度。张永昌等[11]提出 基于快速矢量选择的永磁同步电机模型预测控制， 只需一次预测即可选出最优电压矢量，降低了算法 的复杂度和计算量，但权重系数的确定仍缺乏有效 的理论支持。Siami 等对传统预测电流控制进行 扩展研究，提高了系统对参数不确定性的鲁棒性， 在预测的不同阶段考虑预测误差的影响，增加了预 测精度。
在激光追踪测量系统中，为了提高驱动电机内 环电流控制器的动静态响应特性，本文基于扩张状 态观测器研究了电流预测控制算法，并利用 Matlab/Simulink 进行仿真分析，驱动电机可获得快 速的转矩响应，有利于有效改善激光追踪测量系统 对空间随动目标的追踪速度和追踪精度。
激光追踪测量系统的电机控制算法
1 永磁同步电机的数学模型建立
本文所研究的上海合愉电机Harmonic谐波减速电机为永磁同步电机（ permanent magnet synchronous motor, PMSM），由永磁体励磁产生同步旋转磁场来实现能 量的转换[13]。为简化分析，在不影响控制性能的前 提下忽略铁心的饱和效应、忽略涡流和磁滞损耗、 忽略温度、频率对电机参数的影响；假设转子上无 阻尼绕组且永磁体无阻尼作用、气隙磁场呈正弦分 布、三相绕组均匀对称且绕组中感应电感为正弦波。
激光追踪测量系统的电机内环选用电流控制电 流预测控制（Current Predictive Control, CPC）算法， 在一定程度上克服由模型误差和不确定性干扰所带 来的影响。并采用 =0 di 矢量控制方式，避免了直轴 电流，使电机所有电流均用于产生电磁转矩，电流 控制效率高，具有良好的控制性能和调速性能。
基于 ESO-CPC 的激光追踪测量系统 电机 SIMULINK 仿真模型建立
根据基于扩张状态观测器的电流预测控制算法 的激光追踪测量系统电机模型，在 Matlab/Simulink 中构建仿真模型。直流电压源、万用 电桥和永磁同步电机共同组成系统的主电路，其中 负载转矩由 Step 控件提供加载，电机的定子三相电 流、转子转速、转子转角和电磁转矩可由 Scope 空 间实时观测。在基于 ESO-CPC 的激光追踪测量系 统电机的仿真模型中，设定 d 轴的参考电流为零， 电机反馈速度与设定速度的差值经速度调节器作 q 轴的参考电流。
1 坐标变换模块
为简化控制电机模型，可将电机三相绕组电流 产生的磁动势按平面矢量的叠加原理进行合成和 分解, 使得实际电动机的三相绕组可由两相正交绕 组等效。图 4~6 分别为基于 ESO-CPC 的激光追踪 测量系统电机Simulink仿真模型中Clark变换、Park 变换和 Anti_Park 变换 3 个坐标系变换模块，实现 ABC 坐标系间的正变换和逆变换。
2.电流预测控制模块
电流预测控制 CPC control 模块由 SIMULINK 环境提供的 MATLAB function 模块实现，代替传统 的 PI 控制，避免了模型误差和不确定性干扰的影 响，Simulink 仿真模型。
仿真实验
为了检验基于 ESO-CPC 的激光追踪测量系统 电机 Simulink 模型的正确性，对本文所建立的激光 追踪测量系统电流控制模型进行了 Simulink 仿真 实验。仿真实验选用 Harmonic 的 FHA-C mini 系列 谐波减速电机，激光追踪测量系统电机三相定子绕组电流的 Simulink 仿真波形图，如图 11 所示。其中，图 11 （a）为电机电流采用 PI 算法控制时三相定子绕组 电流的波形变化；（b）为电机电流采用 ESO-CPC 预测算法控制时三相定子绕组电流的波 形变化。从图 11 中可以看出，控制电机上电后，电 机的三相定子绕组电流略有震荡后达到稳态；相比 于 PI 控制算法，采用 ESO-CPC 预测控制算法使电 机达到稳态的时间更短，提高了 20.56ms。在t 0.1 时刻给电机加一个力矩为10N m 的负载后，采用 ESO-CPC 预测控制算法控制电机，电机并未超调震 荡便可迅速到达稳态，稳定后最大峰峰值比 PI 算法 控制减小了 0.76A，且三相正弦波曲线更为平滑、 无杂波。
激光追踪测量系统电机电磁转矩的 SIMULINK 仿真波形图，如图 12 所示。其中，图 12（a）为电机电流采用 PI 算法控制时电磁转矩的 波形变化；图 12（b）为电机电流采用 ESO-CPC 预测算法控制时电磁转矩的波形变化。从图 12 中 可以看出，控制电机上电后，迅速达到最大转矩并 快速回到稳定值；其变化趋势与电机三相定子绕组 电流的变化趋势相同，采用 ESO-CPC 预测控制算 法比采用 PI 控制算法使电机达到稳态的时间更短。 在增加负载后，采用 ESO-CPC 预测控制算法的电 机迅速到达稳态，且变化平稳。
4 结论
1）本文结合永磁同步电机的数学模型和激光追 踪测量系统的电流预测控制方法，建立了基于扩张 状态观测器电流预测控制算法的激光追踪测量系统 电机模型，并运用 SIMULINK 实现了激光追踪测量 系统电机控制的建模与仿真。
2）通过仿真实验可以看出，基于扩张状态观测 器的电流预测控制，克服了由模型误差和不确定性 干扰的影响，并对内外扰动进行评估，有效解决了 失配问题导致的电机模型计算误差和电流抖动，使 激光追踪测量系统控制电机具有较好的动态响应特 性和速度控制特性，并且系统运行稳定。
3）本文提出的建模和仿真方法为精密伺服控制 系统的设计和调试提供了新的研究方案。
