模块 1 * n + e − 速度 调节 器 * iq + id
*
系统中，用干扰观测器结合数字低通滤波器来消除 负载变化、模型不确定性、摩擦、测量噪声等的干 扰。
2
三相异步电机矢量控制系统的模型分析
三相异步电动机的动态数学模型是一个高阶、
非线性、强耦合的多变量系统。理想状态下，经过 坐标变换和按转子磁链定向的矢量控制系统，可以 等效成直流电机模型[12]。 图 1 是本文讨论的三相异 步电动机直接矢量控制系统原理图。
图 1 三相异步电动机直接矢量控制系统框图 Control block diagram of direct-vector-controlled 3-phase asynchronous motor
可以得到如下关系式： n p Lm Te = iq ψr Lr Lm iq ω1 − ω = ωs = Tr ψr Lm ψr = id Tr p + 1
PWM 周 期信号 dq abc dq αβ
* ua
电流 调节 器 * ud − + − id iq 磁 链角 观测
* uq
ub uc
* *
P W M
ia ib ic
M3~
iα abc iβ αβ
速度传 感器 ia ib
n 注：为使后述图 5 绘制简便，标记图 1 虚框部分为“模块 1” 。
Fig. 1
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中 国 电 机 工 程 学 报
第 25 卷
相对阶次和低通滤波器带宽等参数，具有更大的灵 活性。 单纯的传统 PI 调节器动态校正可以有效抑制 阶跃干扰，但对于周期性的交变干扰抑制能力差， 而 DOB 对这两种干扰都能有效抑制。并且，DOB 实现简单， 易于实时控制， 不需要额外的力 （力矩） 传感器，具有良好的干扰抑制性能和对系统参数变 化的鲁棒性。为消除高频干扰，可以采用在实践中 已被广泛应用的数字低通滤波的方法。 在通常的硬件抗干扰措施、系统控制设计优化 等基础上，本文重点讲述在矢量控制交流速度伺服
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第 25 期
熊田忠等： 基于干扰观测器的交流速度伺服系统的干扰抑制
u + δˆ d ε + + − − Q(s ) + µ=ε+ d ˆ d DOB µ y + ξ +
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常数为 Tω的一阶惯性环节；简化后的电流环 （转速 1 环的内环）也为一阶惯性环节。 为这两个小 TΣ s + 1 惯性环节的合并后的传递函数。 对于低频干扰，采用 DOB 进行补偿时，可以 1 忽略实际系统中高频段小惯性环节 ， 若速度 TΣ s + 1 调节器仅采用比例调节，则图 2 可简化成图 3(a)。 TL 作为负载变化干扰，则又可简化成图 3(b)。
1
引言
在速度伺服系统中，干扰是造成系统伺服性能 下降的主要因素， 必须加以抑制。 在矢量控制交流速 度伺服系统中， 影响系统性能的干扰因素[1-2]主要有： 突变的强电磁干扰、 能源系统的波动等； 数字系统中， 存在舍入误差以及采样周期内失去控制作用等； 负载 变化；系统模型参数的变化；摩擦干扰等。 对于电磁、能源波动等的干扰，可采用屏蔽、 隔离、滤波、提高电力电子器件性能、采取良好的 接地方式等硬件或软件抗干扰措施。对于数字系统 中，存在舍入误差以及采样周期内失去控制作用等 引起的干扰，可以选择位数长的微处理器芯片，数 据处理时合理配置比例因子，适当定标，采用合适 的数据表示方法， 根据系统的闭环频带、 计算速度、 计算精度等选择合适的采样频率等来减小干扰。对 于负载变化、系统模型参数的变化、摩擦等干扰， 在传统系统中，通常采用 PID 控制方法，但这种方 法存在对负载变化的适应能力差、抗干扰能力弱和 易受系统参数变化影响等弱点。此外，可以采用模 型参考自适应控制[3]、滑模变结构法[4-5]、基于摩擦 力模型的补偿法[6-7]、自抗扰控制器[8]、模型预测控 制器[9]或这些方法结合智能控制等方法加以解决， 这些方法通常都比较复杂。 干扰观测器（ disturbance observer-DOB ） 由 Ohnishi 首先提出[10]， 由 Umeno 和 Hori[11]进一步完 善，具有以下优点：在没有大的模型误差情况下， DOB 具有干扰抑制的独立调整特性和响应快的特 点。与比例校正相结合，设计 DOB 时可选择阶次、
第 25 卷 第 25 期 2005 年 12 月 文章编号：0258-8013（2005）25-0229-06
中 国 电 机 工 程 学 报 Proceedings of the CSEE 中图分类号：TM301 文献标识码：A
Vol.25 No.25 Dec. 2005 ©2005 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号：470⋅40
n + n −
*
P(s) Pn−1 ( s )
图 4 DOB 的可实现形式 Fig. 4 Realizab (a)
np − Js
n
n
*
1 J ps + Bp (b)
n
Fig. 3
图 3 针对低频干扰的速度环简化图 The simplified speed-loop diagram corresponding to the low frequency disturbance
n − n +
*
* K p (τ s + 1) iq
τs 速度调节器
1 iq TΣ s + 1
KiT
Te + TL −
np ω n Kωn Js
图 2 三相异步电动机直接矢量控制速度环简化图 Fig. 2 The simplified speed-loop diagram of direct-vector-controlled 3-phase asynchronous motor
ABSTRACT: Disturbance is the main factor which influences the performance of the AC speed servo system. Considering the low and the high frequency disturbance comprehensively, this paper proposed a disturbance-rejection method in the vector-controlled AC speed servo system. This method uses the disturbance observer to suppress the low frequency disturbance and the digital low-pass filter to suppress the high frequency disturbance. It can effectively reject the disturbances such as load variations, the uncertainty of model, the friction and the measuring noise. It can also be easily applied to practical systems, and better than the traditional PID controller for the periodic alterative disturbance. The paper analyzed the math model and got a simplified form corresponding to the low frequency disturbance. The design methods and principles of the disturbance observer were discussed. The simulation and the experiment have proved that the AC speed servo system adopted by the disturbance observer together with the digital low-pass filter can reject disturbance effectively and achieve good dynamic performance and control effect. KEY WORDS: Disturbance rejection；Disturbance observer； Digital low-pass filter；AC speed servo system；Vector control 摘要： 干扰是影响交流速度伺服系统性能的主要因素。 综合 考虑实际系统中受到的低频和高频干扰， 提出了矢量控制交 流速度伺服系统中， 对于低频干扰采用干扰观测器、 高频干 扰采用数字低通滤波器的干扰抑制方法。该方法对负载变 化、模型不确定性、摩擦、测量噪声等干扰均能有效抑制， 且实现简单，在抑制周期交变干扰上，优于传统 PID 控制 器。 分析了系统的数学模型， 并针对低频干扰作了必要的简 化。 讨论了干扰观测器的设计方法、 原则。 仿真和实验表明， 采用干扰观测器结合数字低通滤波器的交流速度伺服系统 能够有效抑制干扰，并且具有良好的动态性能和控制效果。 关键词：干扰抑制；干扰观测器；数字低通滤波器；交流速 度伺服系统；矢量控制
基于干扰观测器的交流速度伺服系统的干扰抑制
熊田忠，梅志千，郑 洁
（河海大学机电工程学院，江苏省 常州市 213022）
DISTURBANCE OBSERVER BASED DISTURBANCE REJECTION IN AC SPEED SERVO SYSTEM