振镜电机离散自抗扰控制器设计与仿真

近年来，激光扫描技术广泛应用于制造业领域，呈现出良好的发展前景。针对激光振镜扫描系统易于受到内外部扰动等不确定因素影响，提出一种基于离散自抗扰控制器的振镜电机控制结构。自抗扰控制算法作为一种无模型控制算法，在不准确建模情况下，仍然可以实现很好的响应特性和抗干扰能力。首先，建立了振镜电机的动力学模型，构建了状态空间方程；接着，将建模误差和外部干扰作为状态变量，建立了扩张状态观测器和改进的PD控制器，之后对控制器进行了离散化设计。最后在Simulink搭建控制系统的仿真模型，仿真实验结果表明，该控制策略实现了良好的动态性能，能够满足实际应用条件。

激光加工技术是利用激光束作为热源完成焊接、切割、表面处理等加工过程的新兴加工方法。从21世纪以来，激光加工技术在工业加工领域得到广泛应用[1]。振镜扫描由于其扫描精度高、响应速度快和扫描范围大等优势，已成为激光扫描中应用最为广泛的扫描方式。目前，国内振镜高端市场几乎被国外振镜厂商所垄断，其主要代表有美国CTI 和GSI、德国SCANLAB 和RAYLASE。国内的主要振镜生产商有大族激光和加沃泰克等，经过近年来国内供应商的快速发展，在中低端控制系统领域已经基本实现国产化。

运动控制算法是决定振镜工作性能的核心部分。针对振镜系统存在非线性、强耦合、高频干扰等问题，大量学者进行了深入的研究。井峰[2]对模糊PID、滑模变结构和模糊滑模变结构控制算法进行了仿真分析， 得出基于模糊滑模变结构的振镜控制器有良好控制效果的结论。

针对动态轨迹跟踪问题， Pieczona S J 等人[3]提出了一种对系统进行在线识别， 在模拟PID 控制基础上加入前馈的自适应逆控制算法(AIC)。

李聪[4]为解决外部扰动和噪声对振镜控制的影响，提出了一种结合卡尔曼滤波和离散滑模控制的振镜控制器。Tomas [5]对几种针对周期信号的数学控制器(迭代学习控制器、RST 极点配置控制器、自适应前馈抵消控制器和PID 控制器)进行了研究和设计， 分别建立了离散控制模型。

由于改进型PID 和现代控制算法控制结构过于复杂，在实际应用中存在一定难度，将高性能的控制算法应用到振镜控制系统中变得迫在眉睫。

本文基于经典控制理论和现代控制理论， 结合数字仿真技术， 研究了一种基于自抗扰控制算法(ADRC)的振镜控制系统的设计与应用方法。自抗扰控制最主要的思想就是设计一个能够预测干扰和建模不确定性的扩张观测器，使得控制系统的设计变得简单化。利用自抗扰控制算法强鲁棒性和响应快速的特点， 提高振镜控制系统的动态特性。

2. 振镜电机数学模型的建立 振镜电机是一种特殊的摆动电机，一般采用动磁式结构，即电机转轴为永磁体，电流通过定子线圈形成电磁作用驱动转轴实现摆动[6]。

振镜电机的电枢平衡方程