基于变增益自抗扰控制的永磁同步直线电机位置伺服系统

为提高永磁同步直线电机(PMLSM)位置控制系统的跟踪性能和抗干扰能力，本文提出了基于变增益自抗扰控制的PMLSM位置伺服系统。首先，采用正切sigmoid函数设计改进微分跟踪器(ITD)，提高系统的跟踪性能，并使用终端吸引子函数降低由高频信号引起的颤振现象，使得ITD抑制噪声能力更强；在扩展状态观测器(ESO)的增益项中设计变增益误差校正函数，并将其引入到非线性误差控制律(NLSEF)中，和ITD一起构成了变增益自抗扰控制器，以减小初始峰值误差，进一步提高系统的跟踪精度和抗干扰性能。仿真和实验结果可以看出，与传统ADRC相比，新方法的响应时间加快了0.65 s，突加负载时调节时间减小了0.16 s，位置跌落值减小了96.3%，可有效提高PMLSM位置伺服系统的动态性能、鲁棒性以及运行可靠性。

永磁同步直线电机(PMLSM)因其结构简单、效率高而在工业上得到了广泛的应用。由于永磁同步电机直接驱动系统消除了中间传动机构，外部负载扰动将直接作用于电机而没有缓冲[1]，对系统的抗干扰能力和鲁棒性要求较高。为此，各种控制策略被提出并应用于PMLSM 伺服控制系统，如自适应神经网络控制(ANNC)、模型预测控制(MPC)、鲁棒控制(RC)和自抗扰控制(ADRC)。ANNC 具有鲁棒性强、不需要精确的数学模型等优点，但其复杂的结构难以在实际工业生产中应用[2]。MPC 具有动力学速度快、设计概念直观等优点，但其计算过程较为复杂[3]。RC 以不需要精确的过程模型而闻名，但由于它通常不在最佳状态下工作，因此稳态精度很低[4]。ADRC 因其不依赖于目标模型的精度，通过实时分析和估计系统的状态变量， 对系统的干扰和噪声进行有效抑制， 从而能够有效提高系统的跟踪精度和鲁棒性[5]。

为进一步提高系统的鲁棒性， 文献[6]提出一种新型非线性ADRC (NLADRC)， NLADRC 采用传统线性函数与非线性函数级联构造。级联后的NLESO 有效地减小了稳态误差和动态误差。文献[7]采用了一种基于降阶扩展状态观测器的ADRC，抑制系统受到的干扰。通过对ESO 进行线性化，采用极点配置方法构建降低调节参数数量和相位滞后影响的降阶ESO，实验证明，该方法在多种工况下均能提高控制精度和抗干扰能力，但是线性ADRC 的控制效果受到带宽的限制。文献[8]设计了一种滑模自抗扰控制(ADR-SMC)策略。基于内部扰动的上界设计了一种快速响应的SMC，然后设计一种线性LESO，在不需要精确数学模型的情况下实时估计系统内部扰动。实验结果表明ADR-SMC 具有更好的跟踪精度和抗扰动性。文献[9]提出一种改进变结构自抗扰控制器，通过在变结构ESO 中引入位置与速度的观测误差，采用基于指数趋近律设计NLSEF，进而实现观测器的无差估计使系统快速到达滑模面后平滑过渡，进一步提高系统的跟踪性能。实验结果验证改进变结构自抗扰控制器具有更强的鲁棒性和更好的控制精度。文献[10]提出一种基于高增益非线性的自抗扰控制方法(HNLADRC)。

通过分析ADRC 技术的线性和非线性