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永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）具有功率密度大、功率因數(shù)高、起動轉矩大、過載能力強、響應快、效率高等優(yōu)點，在伺服驅動等眾多領域得到了廣泛應用。傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行機構包含大量如齒輪、皮帶等傳動機構，這些機構的存在，使得伺服系統(tǒng)效率降低，中間傳動環(huán)節(jié)的彈性形變，傳動機構間隙會造成伺服系統(tǒng)控制精度下降。

為解決上述問題，直接驅動技術應運而生，通過將負載和電機軸直接相連，取消伺服系統(tǒng)中的傳動機構，避免了減速機彈性形變、傳動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、效率和響應能力，降低了振動噪聲和維護成本。

但由于直驅伺服電動機軸和負載直接相連，外部擾動直接傳遞到電機本身導致電機對擾動更加敏感，使伺服系統(tǒng)精度和性能降低。電機本身的齒槽轉矩、高次電流諧波、磁阻效應等造成的輸出擾動會直接作用在負載上，影響系統(tǒng)性能。在低速工況下，齒槽轉矩、摩擦轉矩等擾動會表現(xiàn)出更低的頻率，由于電機本身具有低通濾波器特性，對低頻擾動抑制能力差，所以上述問題帶來的影響更加明顯。

南京航空航天大學自動化學院、中國船舶重工集團公司第七二四研究所的卜飛飛、郭子韜、顧毅君、軒富強、秦海鴻，在2022年第16期《電工技術學報》上撰文，分析傳統(tǒng)比例積分速度控制方法無法兼顧跟蹤性能和抗擾性能的缺點。引入傳統(tǒng)降階狀態(tài)觀測器，對轉矩擾動進行估計和前饋補償；分析系統(tǒng)擾動轉矩到真實轉矩之間傳遞函數(shù)的伯德圖及鋸齒波響應，根據(jù)零極點對消原則對傳遞函數(shù)進行期望設計，引入微分環(huán)節(jié)對傳統(tǒng)降階觀測器進行改進，給出改進觀測器的鋸齒波響應并證明其補償響應速度的提升，提出基于引入微分模塊的降階觀測器前饋補償方法。

圖1 改進型降階狀態(tài)觀測器框圖

他們搭建永磁直驅伺服電動機擾動抑制實驗平臺，通過仿真和實驗驗證改進的降階觀測器對補償諧振的抑制具有良好性能，且抗擾動能力更強，能實現(xiàn)較大擾動低速下的穩(wěn)定運行。

圖2 實驗平臺整體硬件實物

研究人員指出，將微分環(huán)節(jié)引入降階觀測器中，能夠提高觀測器的補償響應速度。改進的觀測器對擾動轉矩的觀測無理論滯后，有效地解決了傳統(tǒng)觀測器中的補償諧振問題。另外，基于降階觀測器的擾動抑制方法較其他方法相比，無需提前預知擾動信息，適合應對在實際應用中可能出現(xiàn)的各種無法預測的擾動轉矩，在低速下觀測性能較好，且實現(xiàn)簡單，無需改變傳統(tǒng)PI控制結構，可調參數(shù)較少，易于工程實現(xiàn)。

他們表示，改進的降階觀測器雖然加入了微分環(huán)節(jié)，但其微分系數(shù)可調，不會使電機在低速工況下的位置信號測量誤差被放大。據(jù)介紹，該擾動抑制方法，可以與不同的控制算法相結合，從而形成復合控制算法，普適性較強。

研究人員進一步指出，本次課題是在傳統(tǒng)PI控制的基礎上進行了補償，但PI控制存在其局限性，若將其他控制方法與觀測器進行結合可能會帶來更好的擾動抑制效果。此外，對于不同的擾動類型，改進的觀測器效果及諧振點出現(xiàn)的規(guī)律，他們將開展深入的研究工作。

本文編自2022年第16期《電工技術學報》，論文標題為“基于改進型降階觀測器的永磁直驅伺服電動機轉矩擾動抑制策略”。本課題得到河北省自然科學基金資助項目的支持。