第三章 精密運動伺服控制
3.4 擾動觀測器 (disturbance observer, DOB)
擾動觀測器(disturbance observer, DOB)[21]被廣泛地用於降低外界擾動 對控制系統的影響，利用其觀測值進一步補償則成為擾動補償器，它不僅可 以將外界對系統擾動量觀測出來，同時也對系統本身的 modeling error 行為 偏差進行糾正動作，讓系統行為合乎觀測器的預期。圖 3-15 為 DOB 的控制 架構，從補償器的角度來說，將擾動訊號在輸入訊號的對等量估測出來，反 而有助於補償器的實現，因為它只要將估測到的擾動量直接從輸入訊號扣除，
就達到對抗擾動的目的，而不需去探究到底真正擾動源發生的位置。
0.79 0.795 0.8 0.805 0.81 0.815 0.82 0.825 0.83 0.835 0.84 -100
-50 0 50 100 150 200 250 300
Time(sec)
speed(rpm)
speed command
speed feedback without NFC speed feedback with NFC
33
圖 3-14 顯示了 DOB 的控制系統架構，其中
ref ：速度命令
fdb ：馬達轉速
ref
iq, ：電流命令
d ：低頻的外界擾動 n ：高頻的量測雜訊 d~
：估測到的擾動量 PI ：速度迴路的 PI 控制器
J ：馬達與負載等效至馬達端之總轉動慣量 B ：馬達與負載等效至馬達端之總黏滯係數 K ：轉矩常數 t
PI
ref fdb
d
d~
ref
iq,
n
B
Js Kt
DOB
圖 3-15 DOB 的控制架構
以下進行擾動觀測器設計，馬達機械方程式為
) (
t e L
L e m m
i i K
T T dt B
J d
(3-26)
34
再利用前向矩形法(forward-rectangular rule / Euler’s rule)對(3-27)式離散化
(k 1) (k)
B (k) i (k) i (k)35
其中 J
T a111 B s 、
J
a12 Ts 、1與2為我們預期觀測器的極點位置，比較係 數可得
12 1 11 2 1 2
11 2 1
1 1
a l l a
a l
(3-32)
以下為 DOB 的實驗結果，我們為了模擬外界擾動對控制系統的影響，所以 直接從電流命令加入干擾訊號d1000sin2t9000。圖 3-16 分別為速度命令 與電流干擾訊號 d。如圖 3-17 所示，為馬達空載及無干擾訊號時的速度響應，
平均誤差為 2.34 rpm。將干擾訊號加入後，如圖 3-18 所示，在尚未使用 DOB 以前，速度響應受干擾訊號影響，性能降低，平均誤差變成 2.70 rpm。使用 DOB 之後，擾動量被估測出來，如圖 3-19 所示，並加以補償發揮抑制干擾 到效果，平均誤差降成 1.55 rpm，如圖 3-20 所示。此外，觀察圖 3-19 可以 發現估測出的擾動量會有週期性的震盪，原因是馬達三相電流是透過霍爾電 流感測器偵測，但霍爾電流感測器對於電源品質有一定的要求，在加上感測 信號回授至 DSP 前，又要經過振幅縮放與凖位拉升，這些電路的電阻一定存 在著誤差值。而馬達三相電流回授發生了平均值非零或振幅不同時，便會產 生 torque ripple，詳細的驗證可以參考文獻[22]。
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(a) 速度命令
(b) 電流干擾訊號
圖 3-16 DOB 實驗的速度命令與干擾訊號
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
150 200 250 300 350 400
Time(sec)
speed(rpm)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
7500 8000 8500 9000 9500 10000 10500
Time(sec)
37
圖 3-17 馬達空載及無干擾訊號時的速度響應
圖 3-18 加入干擾訊號後的速度響應
0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
150 200 250 300 350 400
Time(sec)
speed(rpm)
speed command
speed feedback without noise
0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
150 200 250 300 350 400
Time(sec)
speed(rpm)
speed command
speed feedback with noise but no DOB
38
圖 3-19 估測干擾訊號
圖 3-20 加入 DOB 補償後的速度響應
0.5 1 1.5 2
7000 7500 8000 8500 9000 9500 10000 10500 11000
Time(sec)
input noise
estimated noise by DOB
0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
150 200 250 300 350 400
Time(sec)
speed(rpm)
speed command
speed feedback with noise and DOB
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在此節介紹了各種精密運動伺服控制的方法，零相位誤差追蹤控制器 (ZPETC)可以使整體頻率響應無任何相位落後。交叉耦合控制器(CCC)可以協調 各軸使同動誤差變小，其中補償器可以經由設計達到更好的補償效果，但缺點是 需知道系統模型。非線性摩擦力補償器(NFC)可以減少因為最大靜摩擦力而導致 在零速度時會有延遲的現象。而擾動觀測器(DOB)可以不必考慮干擾的來源，將 相對應的擾動量估測出來並補償抑制擾動。
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