在扫描运动中，音圈电机按照已规划运动指令运动，属于高精度轨迹跟踪运动控制（Trajectory tracking control），其运动控制目标：音圈电机始终跟踪目标轨迹运动，并且在运动过程中尽量保证运动轨迹的跟踪误差最小，与此同时，为了减小运动过程中高加减速对机械系统的冲击，指令轨迹规划也是实现高精度轨迹跟踪技术的关键技术。对于高精度轨迹跟踪运动控制来说，负载扰动、电阻电感变化、电机非线性以及机械振动等因素都可能使伺服系统性能变坏，因此，对控制系统的鲁棒性提出了更高的要求，采用自抗扰控制和5阶S型曲线相结合的控制方式，实现高精度轨迹跟踪控制 。

高精度运动轨迹规划

在现代超精密数控加工系统、机器人系统和光刻机系统中，通常其控制系统都以实现高加速度和高速度运动为目标。然而，频繁高加速度突变会引起系统振荡，对机械系统产生冲击，无法使控制对象快速和精确定位。

指令轨迹规划能够使轨迹加速度曲线变的平滑连续，可以减小高加速对机械系统的冲击，其中S型轨迹规划是一种常用的指令轨迹规划方法，广泛应用在实际工程中，其设计准则：

（1）根据电机运动工况需求和一些约束条件，其约束条件包括最优调节时间、最小功耗和最小加速度等；

（2）在满足以上约束条件的前提下，计算出各自的限制值和时间切换点；

（3）最后，依次积分求得加速度、速度和位移随时间变化的曲线。

自抗扰控制策略研究

传统PID控制算法的原理：根据控制目标与被控输出之间的误差、误差微分及误差积分的加权和来生成控制量，该控制算法至今仍在控制实践工程中被大量采用，然而，在高精度运动控制领域，传统PID控制器难于满足超精密定位系统的控制目标要求。韩京清教授提出了一种自抗扰控制（Active Disturbance Rejection Control，ADRC）算法，在保持PID不依赖于数学模型基础上，对传统PID控制方法进行改进，包括如下几点：

（1）根据设定值预先安排合适的过渡过程。

（2）误差微分信号通过跟踪微分器和状态观测器来提取。

（3）在非线性领域寻找更合适的P、I和D组合来改进误差反馈规律。

（4）采用扩张状态观测器估计扰动总和并进行实时补偿。

通过上述4方面对传统PID控制算法的改进，ADRC控制算法具有算法简单、鲁棒性强、易于数字化和参数调节方便等优点。ADRC算法已被成功应用在机器人高速高精度控制、永磁同步电机调速控制和DC-DC功率变换器控制等诸多领域。

ADRC控制器主要由三部分组成：跟踪微分器（Tracking-Differentiator，TD）、扩张状态观测器（Extended State Observer，ESO）和非线性状态误差反馈（Nonlinear State Error Feedback，NLSEF），其控制框图如图1所示。

1）跟踪微分器（TD）

跟踪微分器的作用对目标值安排过渡过程，当指令信号为阶跃信号时，由于被控对象惯性环节的存在，在跟踪起始阶段存在大误差，为了加快跟踪效果，势必加大控制增益，从而产生较大的超调量。为了降低初始误差，设计一个合理过渡过程，同时给出过渡过程的微分信号，使系统跟踪事先安排好的过渡过程曲线，能够有效地减少超调量，从而提高控制系统性能。

2）扩张状态观测器（ESO）

自抗扰控制器核心部分为扩张状态观测器，其不依赖具体数学模型，也不需要直接去测量，把控制系统中的“内扰”和“外扰”看成总扰动，利用“扩张状态观测器”估计出实时扰动量并加以补偿。

3）非线性状态误差反馈（NLSEF）

传统PID控制形式为P、I和D的线性组合，这种线性组合并不是最佳组合，韩京清教授提出了一种非线性PID控制器，充分利用非线性函数特性，实现“小误差大增益，大误差小增益” 。