一種基于小慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)的復(fù)合電流控制方法

熊 輝，林 宇，張雁偉，李銳華，舒駿逸，閻歆婕，馮建偉

一種基于小慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)的復(fù)合電流控制方法

熊 輝，林 宇，張雁偉，李銳華，舒駿逸，閻歆婕，馮建偉

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

小型化和高動(dòng)態(tài)是紅外成像穩(wěn)定平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，傳統(tǒng)的PI型電流環(huán)控制難以克服反電動(dòng)勢(shì)的斜坡干擾，將降低小慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。同時(shí)，高動(dòng)態(tài)的小慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)技術(shù)另一難點(diǎn)是平衡動(dòng)態(tài)性和抗擾性能。為解決上述問題，本文提出一種基于無差拍預(yù)測(cè)控制和擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)的復(fù)合電流控制方法，有效提高了小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和抗干擾能力。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該復(fù)合電流控制方法將小慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)電流環(huán)的調(diào)節(jié)時(shí)間縮短1/3，對(duì)速度響應(yīng)的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性能都有明顯改善作用，而且具有很好的魯棒性能。

紅外穩(wěn)定平臺(tái)；小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；電流環(huán)；復(fù)合控制

0 引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)局部化、高科技和信息化的發(fā)展，紅外探測(cè)技術(shù)運(yùn)用越來越廣泛。紅外成像穩(wěn)定平臺(tái)作為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)探測(cè)的核心部件，主要通過穩(wěn)定平臺(tái)搭載紅外熱像完成對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)搜索、自主識(shí)別和快速捕獲、穩(wěn)定跟蹤[1]。穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)的性能直接影響著隔離載體剛性擾動(dòng)、控制探測(cè)器視軸指向的能力。紅外制導(dǎo)與搜索跟蹤技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，更是對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)的小型化結(jié)構(gòu)和高動(dòng)態(tài)伺服性能提出了更高的要求[2]。相比有刷直流電機(jī)，永磁同步電機(jī)采用高性能永磁鐵勵(lì)磁和電子換相技術(shù)，具有空間體積更小、功率密度更高、可靠性更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此受到了研究人員的廣泛關(guān)注。

基于矢量控制策略的位置、速度、電流三閉環(huán)結(jié)構(gòu)是永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)經(jīng)典的控制形式。其中，電流環(huán)性能決定著永磁同步電機(jī)伺服控制的品質(zhì)[3-4]。目前，對(duì)于車載搜跟、機(jī)載光電吊艙等紅外成像穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)，因轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，在設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)一般使用PI（Proportion Integral）型控制器將電流環(huán)簡(jiǎn)化為一階慣性環(huán)節(jié)[5]。然而，對(duì)于紅外制導(dǎo)等轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小的小型穩(wěn)定平臺(tái)，如果按照此工程設(shè)計(jì)方法，電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能將顯著惡化，難以滿足伺服系統(tǒng)性能要求。

為優(yōu)化和提高小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量永磁同步電機(jī)電流環(huán)控制的性能，研究人員進(jìn)行了很多的研究工作。蔣學(xué)程等將內(nèi)膜控制用于小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的永磁同步電機(jī)電流環(huán)控制，并在此基礎(chǔ)上考慮逆變器非理想特性的影響，設(shè)計(jì)了二自由度內(nèi)膜控制器，改善了小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量永磁同步電機(jī)電流跟蹤性能[6]；楊明等基于微小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量永磁同步電機(jī)PI電流控制性能惡化的分析，提出了增加積分環(huán)節(jié)構(gòu)成二重積分和在電流調(diào)節(jié)器輸出補(bǔ)償反電動(dòng)勢(shì)兩種解決方案來改善電流環(huán)性能[7]；王宏佳等基于機(jī)器人微小型關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，研究了永磁同步電機(jī)電流環(huán)帶寬的影響因素，并采用電壓平均值預(yù)測(cè)的方法改進(jìn)了無差拍電流預(yù)測(cè)控制算法，提高了電流環(huán)的動(dòng)態(tài)性能[8]。但是，這些研究都是基于小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量永磁同步電機(jī)處于相對(duì)穩(wěn)定的應(yīng)用背景開展的，如機(jī)器人仿人關(guān)節(jié)控制等。對(duì)于干擾強(qiáng)而動(dòng)態(tài)性要求高的小慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)等復(fù)雜應(yīng)用的研究很少。

本文首先針對(duì)紅外穩(wěn)定平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的特點(diǎn)，分析傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)PI型電流控制的缺點(diǎn)；然后，針對(duì)小慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)高動(dòng)態(tài)性能的需求，研究無差拍預(yù)測(cè)的電流控制技術(shù)，并分析其不足之處。接著，為使小慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)獲得高平穩(wěn)和高動(dòng)態(tài)的探測(cè)器視軸指向控制性能，提出了基于無差拍預(yù)測(cè)和擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)的復(fù)合電流控制方法。最后，通過仿真和半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證復(fù)合電流控制方法對(duì)小慣量穩(wěn)定平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和抗擾性能的優(yōu)化作用，得到了較好的控制效果。

1 電流環(huán)控制器的設(shè)計(jì)與分析

永磁同步電機(jī)的矢量控制通過三相靜止坐標(biāo)系到轉(zhuǎn)子d、q軸同步坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換，將正弦波電流矢量分解為獨(dú)立的勵(lì)磁分量d和轉(zhuǎn)矩分量q，模擬了他勵(lì)直流電機(jī)的控制[9]。為方便分析，將摩擦力矩集中到負(fù)載力矩中，并忽略反饋環(huán)節(jié)的濾波作用?；赿＝0的速度、電流雙閉環(huán)矢量控制框圖如圖1所示。圖中，ASR、ACR表示速度控制器和電流控制器；空間矢量調(diào)制及逆變器部分等效為時(shí)間常數(shù)為pwm的一階慣性環(huán)節(jié)；、p、f、分別表示電機(jī)定子電阻、極對(duì)數(shù)、永磁體磁鏈和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；*、m和q*、q分別表示速度、q軸電流的給定值和反饋值；q為q軸電壓輸出量；d表示擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)圖1，q軸電流環(huán)的控制對(duì)象為：

按照工程設(shè)計(jì)方法理論，大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的系統(tǒng)，機(jī)電時(shí)間常數(shù)很大，可忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流的影響。q軸電流環(huán)的控制對(duì)象簡(jiǎn)化為雙慣性環(huán)節(jié)，利用PI控制器消去控制對(duì)象中大時(shí)間常數(shù)的極點(diǎn)，最終將電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化為典型Ⅰ型系統(tǒng)[10]。

此時(shí)，電流環(huán)截止頻率滿足簡(jiǎn)化條件[10]：

但對(duì)于小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的系統(tǒng)，此條件很難成立。因?yàn)闄C(jī)電時(shí)間常數(shù)m很小，而且PWM（pulse width modulation）占空比更新等固有延遲都會(huì)限制著電流環(huán)帶寬的提高。所以小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系統(tǒng)的電流環(huán)設(shè)計(jì)不能忽略反電動(dòng)勢(shì)的影響，不能簡(jiǎn)化控制對(duì)象。

小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系統(tǒng)的電流環(huán)，即使在干擾力矩d＝0時(shí)，還存在由反電動(dòng)勢(shì)帶來的斜坡輸入干擾。根據(jù)式(1)，PI電流控制的電流環(huán)階躍響應(yīng)存在穩(wěn)態(tài)誤差：

式中：i表示PI型電流控制器的積分系數(shù)。

圖1 基于id＝0的永磁同步電機(jī)速度、電流雙閉環(huán)矢量控制框圖

由圖2可知，電流環(huán)階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（機(jī)電時(shí)間常數(shù)）成反比。甚至可以預(yù)見，存在擾動(dòng)力矩干擾時(shí)速度波動(dòng)引起的反電動(dòng)勢(shì)波動(dòng)將使得PI控制的電流環(huán)性能嚴(yán)重惡化。

圖2 不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J下反電動(dòng)勢(shì)對(duì)PI控制電流環(huán)性能的影響

因此，針對(duì)小慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和干擾強(qiáng)的運(yùn)行環(huán)境特點(diǎn)分析，可得出以下結(jié)論：

1）PI電流控制存在電流跟蹤誤差，探測(cè)器視軸速度調(diào)整的動(dòng)態(tài)性能將受到影響。

2）穩(wěn)定平臺(tái)需要頻繁的啟停和加減速以隔離彈體強(qiáng)擾動(dòng)干擾，PI電流控制固有的超調(diào)和延遲等缺點(diǎn)會(huì)造成較大的視軸速度波動(dòng)。特別是在小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量條件下，PI電流調(diào)節(jié)誤差更會(huì)加劇速度的波動(dòng)。

所以，傳統(tǒng)的PI型電流控制難以滿足小慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)的性能需求。要改善小慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)視軸速度快速調(diào)整和平穩(wěn)跟蹤的性能，必須優(yōu)化電流環(huán)的控制。

2 高動(dòng)態(tài)復(fù)合電流控制方法的研究

2.1 無差拍電流預(yù)測(cè)控制的基本理論

無差拍預(yù)測(cè)控制作為一種利用系統(tǒng)輸入輸出預(yù)測(cè)被控量未來變化的自動(dòng)控制方法，能夠在一個(gè)控制周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)指令零誤差控制，常用于需要高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的場(chǎng)合[11-13]。

將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的永磁同步電機(jī)電壓平衡方程差分離散化，即可得到電流預(yù)測(cè)的基本方程：

根據(jù)數(shù)字控制器PWM占空比延后一個(gè)控制周期更新的規(guī)則，此電壓矢量將在下一周期開始處，即＋1時(shí)刻輸出。因此，第周期[＋1]內(nèi)，無差拍電流預(yù)測(cè)控制的控制方程為：

可見，無差拍電流預(yù)測(cè)控制方法消除了數(shù)字控制器PWM占空比更新的延遲，實(shí)現(xiàn)了第周期內(nèi)時(shí)刻控制電壓矢量的加載（控制時(shí)序如圖3所示），能夠在一個(gè)控制周期后實(shí)現(xiàn)電流的無誤差跟蹤。

圖3 基于無差拍電流預(yù)測(cè)控制的數(shù)字控制系統(tǒng)時(shí)序圖

然而，無差拍電流預(yù)測(cè)控制本質(zhì)上是基于模型的控制方法，模型參數(shù)的不準(zhǔn)確和功率開關(guān)等硬件的非理想特性都會(huì)使得電流控制存在偏差，導(dǎo)致性能的下降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐上到y(tǒng)的不穩(wěn)定。根據(jù)表1所列的小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量永磁同步電機(jī)參數(shù)，無差拍預(yù)測(cè)電流控制的電流環(huán)響應(yīng)曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，無差拍預(yù)測(cè)的電流控制方法雖然能夠獲得快速的電流環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能（上升時(shí)間約1ms，無超調(diào)），但是其存在控制穩(wěn)態(tài)誤差，且誤差逐漸增大。因此，無差拍預(yù)測(cè)電流控制方法不能直接用于小慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)的電流環(huán)控制，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。

表1 小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的永磁同步電機(jī)參數(shù)

2.2 高動(dòng)態(tài)復(fù)合電流控制器設(shè)計(jì)

為了解決PI型電流控制和無差拍電流預(yù)測(cè)控制方法在小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量電流環(huán)控制中存在控制誤差的問題，本文提出了基于無差拍預(yù)測(cè)的復(fù)合電流控制算法，期望在繼承無差拍電流預(yù)測(cè)控制快速響應(yīng)的基礎(chǔ)上，既能消除穩(wěn)態(tài)誤差，又能改善電流環(huán)的動(dòng)、靜態(tài)性能。同時(shí)，為及時(shí)抵消小慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)受到的強(qiáng)擾動(dòng)、保證探測(cè)器視軸速度的平穩(wěn)，在復(fù)合電流控制的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（Extended State Observer，ESO）的擾動(dòng)觀測(cè)前饋補(bǔ)償，以改善系統(tǒng)的抗擾性能。

無差拍預(yù)測(cè)復(fù)合電流控制如圖5所示，兩者并行復(fù)合控制。在電流變化的瞬間過程，無差拍預(yù)測(cè)控制起主要作用，預(yù)測(cè)電流并根據(jù)電流預(yù)測(cè)偏差輸出電壓控制量，實(shí)現(xiàn)快速的動(dòng)態(tài)電流調(diào)節(jié)；在電流跟隨的穩(wěn)態(tài)過程，能夠消除指令電流與反饋電流之間的靜差，實(shí)現(xiàn)高精度的穩(wěn)態(tài)電流跟隨。

此時(shí)，式(6)表示的電壓控制方程擴(kuò)展為：

擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)源于自適應(yīng)控制理論，基本思想是：將擾動(dòng)量當(dāng)作系統(tǒng)的一個(gè)狀態(tài)量，利用可測(cè)狀態(tài)變量估計(jì)不可測(cè)的擾動(dòng)并產(chǎn)生電流前饋的補(bǔ)償量，及時(shí)調(diào)整電流給定值以抵抗擾動(dòng)影響。

圖4 無差拍預(yù)測(cè)控制的電流環(huán)響應(yīng)曲線

根據(jù)文獻(xiàn)[14-16]，將參數(shù)變化引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、外界負(fù)載擾動(dòng)l、摩擦都集中為一個(gè)總擾動(dòng)d。將其當(dāng)作系統(tǒng)的擴(kuò)展變量并做歸一化處理d/。由此，可將永磁同步電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程變形為：

觀測(cè)誤差為：

根據(jù)矩陣?yán)碚撝R(shí)，觀測(cè)誤差矩陣的特征方程為：s＝2＋1＋2。取1＝2，2＝2，即可通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的閉環(huán)極點(diǎn)－(＞0)控制零觀測(cè)誤差的變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)量的觀測(cè)。圖6表示搭建的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)擾動(dòng)前饋補(bǔ)償模型。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 仿真分析

基于MATLAB仿真平臺(tái)分別比較了PI型電流控制和本文設(shè)計(jì)的復(fù)合電流控制的電流環(huán)性能及對(duì)速度外環(huán)跟隨性和抗擾性的影響，并且對(duì)比了系統(tǒng)的魯棒性能。仿真控制頻率設(shè)置為10kHz，小慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)電機(jī)參數(shù)如表1所列。

3.1.1 電流環(huán)性能對(duì)比

本部分在小慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)擾動(dòng)力矩d＝0的基礎(chǔ)上，對(duì)比PI型電流控制和本文設(shè)計(jì)的復(fù)合型電流控制的電流環(huán)動(dòng)態(tài)性能。仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定q軸電流的給定值為2A，并用i_set、i_PI、i_new分別表示電流給定和PI電流控制、復(fù)合電流控制作用下的電流階躍響應(yīng)。所得的電流階躍響應(yīng)曲線如圖7所示。

從圖7(a) q軸電流的階躍響應(yīng)可以看出，相比PI型控制，復(fù)合電流控制的調(diào)節(jié)時(shí)間從2ms減小到0.76ms，縮短為1/3，而且無超調(diào)，穩(wěn)態(tài)精度更高。從圖7(b) d軸電流的零響應(yīng)曲線看出，復(fù)合電流控制穩(wěn)態(tài)精度差的數(shù)量級(jí)為10－3，而PI控制的穩(wěn)態(tài)精度差數(shù)量級(jí)為10－2，且相對(duì)波動(dòng)較大。

圖5 基于無差拍預(yù)測(cè)的復(fù)合電流控制原理框圖

圖6 基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)的擾動(dòng)前饋補(bǔ)償模型

因此，本文所提出的復(fù)合電流控制方法不僅繼承了無差拍電流預(yù)測(cè)控制快速響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，而且兼?zhèn)銹I控制消除靜差的優(yōu)點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)了q軸電流無超調(diào)、0.76ms快速調(diào)節(jié)和高穩(wěn)態(tài)精度的電流控制。

3.1.2 對(duì)速度環(huán)性能的作用

本部分首先對(duì)比PI型電流控制和復(fù)合電流控制對(duì)小慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)速度外環(huán)跟隨性能的影響效果，其次對(duì)比基于兩種電流控制器內(nèi)環(huán)作用的速度外環(huán)在有無ESO擾動(dòng)觀測(cè)前饋補(bǔ)償時(shí)的抗擾動(dòng)性能。實(shí)驗(yàn)中，速度控制器選用經(jīng)典的PID控制器，并且為了區(qū)別速度控制器對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，分別在不同的速度環(huán)增益參數(shù)K下進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

1）對(duì)速度環(huán)跟隨性能的作用

在外界擾動(dòng)和擾動(dòng)觀測(cè)補(bǔ)償未激活的情況下，通過模擬小慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)突然正向加速和突然反向調(diào)轉(zhuǎn)的極限工作模式，驗(yàn)證兩種電流控制器控制的電流閉環(huán)對(duì)速度外環(huán)跟隨性能的影響效果。實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定轉(zhuǎn)速給定值在15ms時(shí)從1r/min階躍到10r/min，在40ms時(shí)從10r/min反向階躍到－10r/min。使用n_set、n_PI、n_new分別表示速度的給定和基于PI型電流控制器、復(fù)合電流控制器作用的速度響應(yīng)，結(jié)果如圖8所示。

從圖8中可以看出，在調(diào)整速度環(huán)增益參數(shù)K的過程中，增大K的值，都能減少基于兩種電流控制器內(nèi)環(huán)作用的速度外環(huán)正向加速和反向調(diào)轉(zhuǎn)的速度超調(diào)量。但是，對(duì)于相同的K設(shè)定，相較于PI電流控制，基于無差拍預(yù)測(cè)復(fù)合電流控制內(nèi)環(huán)作用的速度外環(huán)在給定速度突變時(shí)，速度響應(yīng)曲線振蕩次數(shù)和振蕩峰值都比較小。

2）對(duì)速度環(huán)抗擾動(dòng)性能的作用

加入幅值為0.25Nm、頻率為5Hz的正弦擾動(dòng)力矩，模擬小慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)受載體振動(dòng)、基座摩擦、風(fēng)阻等力矩?cái)_動(dòng)的運(yùn)行工況，驗(yàn)證引入ESO的擾動(dòng)前饋補(bǔ)償前后，基于兩種電流控制器內(nèi)環(huán)作用下的速度外環(huán)抗擾動(dòng)性能。使用n_PIE、n_newE分別表示引入ESO前饋補(bǔ)償后的基于PI型電流控制器、復(fù)合電流控制器作用的速度響應(yīng)，結(jié)果如圖9所示。

圖7 兩種電流控制器的電流環(huán)性能對(duì)比

圖8 兩種電流控制器對(duì)跟蹤性能的影響

從圖9可以看出，引入ESO前饋補(bǔ)償后，基于兩種電流控制器內(nèi)環(huán)作用的速度外環(huán)受擾后的系統(tǒng)穩(wěn)定性有明顯改善，且增大pn的值都能減少速度外環(huán)受擾動(dòng)時(shí)的速度動(dòng)態(tài)降落。但是，隨著pn的增大，基于PI電流控制器內(nèi)環(huán)作用的速度響應(yīng)曲線出現(xiàn)振蕩，且pn越大，振蕩越劇烈；而基于無差拍預(yù)測(cè)復(fù)合電流內(nèi)環(huán)作用的速度響應(yīng)曲線只在pn很大時(shí)出現(xiàn)小幅振蕩。

綜合圖8和圖9可知，相比較于PI型電流控制器，本文設(shè)計(jì)的復(fù)合電流控制器能夠明顯改善速度外環(huán)的跟蹤性能和抗擾動(dòng)能力。只要pn設(shè)定合適（如圖8(b)、圖9(b)中pn設(shè)定為3.7）時(shí)，將獲得很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和抗擾性能，滿足小慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)高動(dòng)態(tài)和高平穩(wěn)的視軸速度調(diào)整需求。

3.1.3 對(duì)控制系統(tǒng)魯棒性的作用

考慮到實(shí)際小慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)使用的嚴(yán)峻環(huán)境，還對(duì)比了PI型電流控制和本文所設(shè)計(jì)的復(fù)合電流控制作用的系統(tǒng)魯棒性。整個(gè)魯棒性研究實(shí)驗(yàn)，以表1所列參考值作為控制器參數(shù)，將電機(jī)模型中的電阻、電感參數(shù)值設(shè)置為參考值的1.2倍，永磁鐵磁鏈值為0.8倍[12]。使用i_PI_1、i_newE_1和n_PI_1 、n_newE_1分別表示PI型電流控制器和復(fù)合電流控制器作用的控制系統(tǒng)在電機(jī)模型參數(shù)變化后的電流和速度響應(yīng)。圖10為電機(jī)模型參數(shù)變化前后的電流環(huán)響應(yīng)曲線。圖11為電機(jī)模型參數(shù)變化前后的速度環(huán)擾動(dòng)響應(yīng)曲線，其中實(shí)驗(yàn)擾動(dòng)力矩和速度外環(huán)PID參數(shù)與速度環(huán)抗擾實(shí)驗(yàn)（圖9(b)）相同。

從圖10可以看出，所設(shè)計(jì)的復(fù)合電流控制器在參數(shù)變化后，q軸電流階躍響應(yīng)無超調(diào)；調(diào)節(jié)時(shí)間約為0.85ms，對(duì)比參數(shù)變化前，相對(duì)變化1.3%，但仍近似等于參數(shù)未變化的PI型電流控制的上升時(shí)間。d、q兩部分電流響應(yīng)均表明，所設(shè)計(jì)的復(fù)合電流控制器，在電機(jī)模型參數(shù)變化前后，電流閉環(huán)響應(yīng)都能保證數(shù)量級(jí)約為10－3的高穩(wěn)態(tài)電流控制精度；而PI型控制的電流響應(yīng)穩(wěn)態(tài)精度約為10－2且波動(dòng)較大。

從圖11(a)低速響應(yīng)曲線可以得到，電機(jī)模型參數(shù)變化后，基于本文復(fù)合電流控制器作用的速度響應(yīng)在受擾動(dòng)后速度動(dòng)態(tài)降落約1.8%，對(duì)比參數(shù)變化前的受擾降落，相對(duì)變化1.2%；而基于PI型電流控制器作用的速度動(dòng)態(tài)降落約為4.6%，相對(duì)變化3%，且出現(xiàn)低速振蕩。從圖11(b)高速響應(yīng)曲線可看出，電機(jī)參數(shù)變化后，基于復(fù)合電流控制器作用的速度響應(yīng)在受擾后的速度動(dòng)態(tài)降落約1.6%，小于電機(jī)模型參數(shù)變化前基于PI型電流控制器帶來的速度動(dòng)態(tài)降落（約為1.7%）。除此之外，相對(duì)于PI型電流控制，在參數(shù)變化前后，基于復(fù)合電流控制器作用的速度環(huán)響應(yīng)曲線較為平滑，受擾后恢復(fù)時(shí)間較少。

綜合比較，無論是電流環(huán)響應(yīng)，還是對(duì)受擾動(dòng)后速度環(huán)響應(yīng)的影響，本文設(shè)計(jì)的復(fù)合電流控制器都具有良好的魯棒性能。

3.2 半實(shí)物實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

基于HiGale仿真系統(tǒng)，搭建快速控制原型（Rapid Control Prototype, RCP）的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)比PI型電流控制器和復(fù)合電流控制器的作用效果。半實(shí)物仿真驗(yàn)證平臺(tái)架構(gòu)如圖12所示：小慣量穩(wěn)定平臺(tái)的電機(jī)參數(shù)如前表1所示；角度通過1:32極對(duì)的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器獲得，并差分濾波后得到角速度；電流由華電自動(dòng)化生產(chǎn)的HD-B17霍爾式電流傳感器采集；通過聯(lián)軸器軸向連接磁粉制動(dòng)器，模擬擾動(dòng)負(fù)載。

圖9 ESO前饋補(bǔ)償下兩種電流控制器對(duì)抗擾性能的影響

圖10 電流響應(yīng)魯棒性能對(duì)比

圖11 速度環(huán)抗擾魯棒性能對(duì)比

圖12 快速控制原型半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)與實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

步驟一，基于電流環(huán)的階躍響應(yīng)，對(duì)比兩種控制器作用的電流響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)精度。電流階躍給定值設(shè)定為2A，以直觀的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化控制實(shí)驗(yàn)的啟停。

步驟二，搭建速度環(huán)（相同控制器類型和控制參數(shù)），形成速度＋電流雙閉環(huán)回路，對(duì)照觀察兩種電流控制方法對(duì)于小慣量穩(wěn)定平臺(tái)在速度跟隨性和速度抗擾性上的作用。譬如，速度環(huán)控制器參數(shù)統(tǒng)一設(shè)定為pn＝8，in＝0.4。

由于小慣量穩(wěn)定平臺(tái)在高速和低速下自身系統(tǒng)干擾力矩的主因會(huì)發(fā)生變化，因此，速度跟隨性實(shí)驗(yàn)和速度抗擾性實(shí)驗(yàn)需分別在高速和低速下進(jìn)行驗(yàn)證，例：低轉(zhuǎn)速1r/min和高轉(zhuǎn)速60r/min。

3.2.1 電流環(huán)響應(yīng)性能對(duì)比

圖13表示基于兩種電流控制方法的q軸電流階躍響應(yīng)曲線和穩(wěn)態(tài)誤差曲線。從圖13(a)可以看出，相對(duì)PI電流控制，復(fù)合電流控制能夠改善電流環(huán)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)性能，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短約1/3，與圖7仿真結(jié)果一致。對(duì)比圖13(b)、(c)可知，復(fù)合電流控制方法能夠優(yōu)化電流響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)精度。受電流傳感器精度和反饋噪聲等因素影響，電流穩(wěn)態(tài)精度優(yōu)化程度雖未達(dá)到仿真結(jié)果中一個(gè)數(shù)量級(jí)，但也明顯提升約3/5。

3.2.2 速度環(huán)跟隨性能對(duì)比

圖14、15分別表示低速和高速條件下基于兩種電流控制方法內(nèi)環(huán)作用的速度環(huán)階躍響應(yīng)曲線及速度穩(wěn)態(tài)誤差曲線。綜合比較圖14和圖15，無論處于低轉(zhuǎn)速或是高轉(zhuǎn)速，復(fù)合電流控制方法比PI控制器更能降低速度跟蹤誤差。由表2可知，比起PI控制器，復(fù)合電流控制方法的響應(yīng)滯后時(shí)間縮短約1/2，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短約1/3。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合電流控制方法能有效地改善速度環(huán)的速度跟隨性能。

3.2.3 速度環(huán)抗擾性能對(duì)比

通過磁粉制動(dòng)器施加與仿真實(shí)驗(yàn)相同的擾動(dòng)力矩（幅值0.25Nm，頻率5Hz），基于兩種電流控制方法內(nèi)環(huán)作用的速度環(huán)抗擾動(dòng)響應(yīng)曲線如圖16所示。為保證受擾后系統(tǒng)的穩(wěn)定性，PI型電流控制中也引入了ESO前饋補(bǔ)償，速度響應(yīng)使用n_PIE標(biāo)識(shí)。具體指標(biāo)對(duì)比見表3。

圖13 兩種電流控制方法的q軸電流響應(yīng)性能對(duì)比

圖14 基于兩種電流控制方法作用的低速階躍響應(yīng)曲線

圖15 基于兩種電流控制方法作用的高速階躍響應(yīng)曲線

表2 基于兩種電流控制方法作用的速度跟隨對(duì)比

圖16 基于不同電流控制方法作用的速度環(huán)抗擾動(dòng)響應(yīng)曲線

表3 不同電流控制方法作用的速度環(huán)抗擾性能對(duì)比

由圖16和表3可以看出：低轉(zhuǎn)速條件下，復(fù)合電流控制作用的速度環(huán)受擾動(dòng)態(tài)降落減少為PI控制方法的5/8，恢復(fù)時(shí)間縮短為2/3；高轉(zhuǎn)速條件下，復(fù)合電流控制作用的速度環(huán)受擾動(dòng)態(tài)降落減少為將近PI控制方法的5/9，恢復(fù)時(shí)間縮短為1/2。

由此可知，復(fù)合電流控制方法能明顯提升速度環(huán)的速度抗擾性能。

4 結(jié)論

為滿足小慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)高響應(yīng)動(dòng)態(tài)和強(qiáng)抗擾動(dòng)能力的性能需求，本文提出了基于無差拍預(yù)測(cè)和擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)的復(fù)合電流控制方法。相比PI控制，該電流控制方法使得電流環(huán)控制具備較快的響應(yīng)速度和較高的穩(wěn)定精度，q軸電流階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間縮短約1/3。另外，該電流控制方法能夠優(yōu)化速度外環(huán)的跟隨性和抗擾動(dòng)性能，不僅降低了速度外環(huán)的速度跟蹤誤差，而且減小了因外界擾動(dòng)引入的速度動(dòng)態(tài)降落，明顯提高了速度外環(huán)的控制效果。同時(shí)，通過仿真實(shí)驗(yàn)表明，該技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的魯棒性也有較好的改善作用，能夠避免因參數(shù)攝動(dòng)等導(dǎo)致的系統(tǒng)性能下降。由此，實(shí)現(xiàn)了小慣量紅外穩(wěn)定平臺(tái)高動(dòng)態(tài)和高平穩(wěn)的探測(cè)器視軸指向控制性能。

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Composite Current Control Method for Small Inertia Infrared Stable Platforms

XIONG Hui，LIN Yu，ZHANG Yanwei，LI Ruihua，SHU Junyi，YAN Xinjie，F(xiàn)ENG Jianwei

(Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)

Miniaturization and high dynamics are the development trends of infrared imaging stabilization platform technology. Owing to a small moment of inertia, traditional PI(Proportion Integral)-type current loop control cannot completely overcome the slope interference of the back electromotive force(back-EMF), which will reduce the dynamic response of small inertia infrared stable platforms. Concurrently, balancing dynamics and anti-disturbance performance is another difficulty with regard to high dynamic and small inertia infrared stable platform technology. To solve the a forenoted problems, a composite current control method based on dead-beat predictive control and extended state observation(ESO) is proposed in this paper, which effectively improves the dynamic response and anti-disturbance ability of small inertia infrared stable platforms. Simulation and experimental results show that the composite current control method reduces the settling time of the current loop of a small inertia infrared stable platform by 1/3. It also improves the dynamic performance and anti-disturbance performance of the speed response, and has good performance robustness.

infrared stable platform，small moment of inertia，current loop，composite control

TP271.4

A

1001-8891(2021)02-0116-11

2020-12-21；

2021-01-06.

熊輝（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o刷直流電機(jī)的伺服控制與驅(qū)動(dòng)。E-mail：xh1270223693@163.com。

林宇（1972-），男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楣怆娤到y(tǒng)。E-mail：lwlinyu@163.com。