CN103166561A - 基于非光滑控制技术的永磁直线同步电机复合控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非光滑控制和扰动观测器的永磁直线同步电机复合控制系统。该控制系统根据永磁直线同步电机的数学模型，通过采集永磁直线同步电机的位置信号、转速信号，以位置误差信号和速度信号作为控制器的输入进行非光滑控制器设计；同时结合扰动观测器技术提出一种复合控制方案，实现对永磁直线同步电机在扰动状态下的高性能控制。该方法将扰动观测器技术和非光滑控制技术有机结合，利用非光滑控制技术为永磁同步电机的标称模型提供高精度的控制，并结合扰动观测器技术，对外部干扰力矩及模型参数变化造成的模型误差进行有效的估计及补偿，提高系统的抗扰动能力。

Description

基于非光滑控制技术的永磁直线同步电机复合控制系统

技术领域

本发明创造涉及永磁直线同步电机的控制，具体地说，涉及一种有利于永磁直线同步电机更高跟踪精度和更快跟踪速度的非光滑控制系统。

背景技术

永磁直线同步电机直接驱动系统省掉了中间传动机构，将负载直接与直线电机动子相连，实现了所谓“零传动”，消除了速度变换结构所带来的不良影响。因此，具有结构简单，推力大，惯性低，响应快，精度高等优点，已广泛应用于工业机器人、数控机床、半导体装配线等高性能驱动设备。在高档数控机床加工中，采用直接驱动方式代替传统间接驱动方式成为新一代数控机床的主要标志之一。但是，由于直线电机直接驱动负载，负载的变化和外部扰动将毫无衰减地直接反映到电机的动子上。而且，电机的端部效应、齿槽效应和永磁体磁链谐波等将产生推力纹波，系统参数（动子质量、粘滞摩擦系数等）的变化、负载阻力扰动以及摩擦阻力的非线性变化等都会给控制带来困难，降低系统的动态性能。由此可见，永磁直线同步电机在运行过程中存在着非常复杂的非线性动态扰动，这就对高精度、微进给永磁直线同步伺服电机的速度和位置伺服控制提出了更高的要求。

传统的比例-积分（PI）控制方法，在模型匹配的情况下，可以获得较好的控制性能，但当系统参数变化或出现负载扰动时，往往不能得到令人满意的控制效果。近年来,国内外学者对PMLSM控制策略作了大量研究工作，总体来说可以分为两类：一类是光滑的控制器设计，如内模控制，神经网络控制等；另一类是非连续的控制器设计，如滑模控制等。

为了保证系统的性能，需要设计优良的控制器使系统在保证快速跟踪性能的同时，对不确定扰动具有较强的鲁棒性。在永磁直线同步电机控制中，系统参数的变化或负载出现扰动，往往是造成系统控制性能下降的主要因素，不能得到理想的控制效果。目前，采用鲁棒控制方法来解决直线电机运行过程中的扰动影响是研究者们的一个普遍共识。但是永磁直线同步电机位置控制的绝大多数研究结果中，闭环系统最快的收敛速度为指数形式。因此，这些控制方法都属于无限时间稳定性和控制问题，无法得到更好的收敛性能。针对系统抗干扰能力差的缺点，设计扰动观测器，即通过补偿信号反馈到输入端来实现对干扰的克服，从而提高系统抗干扰能力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种永磁直线同步电机的非光滑控制方法，为永磁直线同步电机的高精度控制、鲁棒控制提供基础。该方法将扰动观测器技术和非光滑控制技术有机结合，利用非光滑控制技术为永磁同步电机的标称模型提供高精度的控制，并结合扰动观测器技术，对外部干扰力矩及模型参数变化造成的模型误差进行有效的估计及补偿，提高系统的抗扰动能力。

本发明的技术方案为：一种基于非光滑控制技术的永磁同步直线电机复合控制系统，首先对永磁直线同步电机根据其推力方程及推力动态方程建立数学模型，其次采集永磁直线同步电机的位置信号、转速信号；然后根据永磁直线同步电机的数学模型，以位置误差信号和速度信号作为控制器的输入进行非光滑控制器设计；最后结合扰动观测器技术提出一种复合控制方案，实现对永磁直线同步电机在扰动状态下的高性能控制。

所述的基于非光滑控制技术的永磁直线同步电机的复合控制系统，其特征在于：所述永磁直线同步电机数学模型基于以下公式建立：

mpv+Dv+w=K_Fi_q

其中：m为电机可动部分质量；D为粘滞摩擦系数；w为外来干扰；v为动子的运动速度；p为微分算子；

为推动力系数；P为极对数；τ为极距；为永磁体的磁链幅值；i_q为q轴电流。

所述的基于非光滑控制技术的永磁直线同步电机的复合控制系统，其特征在于：为实现直线电机的线性解耦控制,并获得最大的推力电流比,采取i_d=0的控制策略。所述通过非光滑控制方法设计的控制器基于以下公式建立：

$u=\frac{1}{20}[{\mathrm{mu}}^{\′}+D(x_{2e}+{\stackrel{\·}{d}}_d)+m{\stackrel{\·\·}{d}}_d]$

其中d_d为位移的给定值，u=i_q， $u^{\&prime;}={-k}_1{\mathrm{sig}}^{{\mathrm{\&alpha;}}_1}{x}_{1e}-k_2{\mathrm{sig}}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}{x}_{2e},$ x_1e=d-d_d, $x_{2e}=v-{\stackrel{\&CenterDot;}{d}}_d,$ k₁,k₂>0,0<α₁,α₂<1。

所述的基于非光滑控制技术的永磁直线同步电机的复合控制系统，其特征在于：所述扰动观测器中的低通滤波器基于以下公式建立：

$Q\left(s\right)=\frac{K_Q}{{\mathrm{\&tau;}}_{q}s+1}$

其中：Q(s)为低通滤波器；τ_q决定Q(s)的截止频率。

本发明的有益效果为：本发明将非光滑控制和扰动观测器同时引入永磁直线同步电机的控制之中，既发挥了非光滑控制精度高的特性，又利用扰动观测器提高了系统的抗扰动能力。所采用的非光滑控制可以实现系统在有限时间内收敛到平衡点，提高了系统的控制精度，并且在系统具有干扰和不确定的情况下，由于非光滑控制带有分数幂项，有限时间收敛的系统往往具有更好的性能。扰动观测器通过将外部力矩干扰及模型参数变化造成的实际对象与标称模型输出的误差等效到控制输入端，在控制中引入相应的补偿，从而提高系统抗干扰能力，达到对扰动的完全抑制的目的。

本发明基于扰动观测补偿和非光滑控制的复合控制方法设计控制器，对永磁直线同步电机位置伺服控制系统进行了仿真。结果表明，非光滑控制器可以用较小的控制作用获得较好的控制效果，扰动观测器可以很好地补偿外部扰动对系统产生的影响。通过该方法，可以实现永磁直线同步电机的高精度控制，使得系统具有较快的收敛速度和较强的鲁棒性，为永磁直线同步电机的位置伺服控制系统提供了理论基础及仿真结果。

附图说明

图1为本发明非光滑控制系统结构图

图2为本发明扰动观测器的基本原理图

图3为本发明加入扰动观测器后的复合控制系统结构图

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：

如图1所示，公开了所涉及的永磁直线同步电机非光滑控制控制的系统方框图。其采用光栅采集永磁直线同步电机的速度信号和动子位置信号，该光栅安装于电机内部，同时采用霍尔电流传感器采集电机的电流信号。将采集到的电机电流信号进行Clarke变换和Park变换运算，以得到dq坐标系下的电流值i_d、i_q。为实现直线电机的线性解耦控制,并获得最大的推力电流比,采取i_d=0的控制策略。接着将i_q作为i_q电流环调节器的反馈信号，根据推力方程及推力动态方程进行建模，再利用非光滑控制方法进行控制器设计。而后对i_d和i_q电流环调节器的输出u_d和u_q进行Park逆变换，得到αβ坐标系下定子相电压的参考值u_α和u_β，根据u_α和u_β以及当前的动子位置信号，利用空间矢量脉宽调制技术产生PWM信号，再由此PWM控制信号控制可控开关器件IGBT，逆变出所需的三相交流电驱动电机运转。如图2所示，将采集到的动子位置信号作为所述扰动观测器的输入信号，低通滤波器的形式选择为一阶惯性环节。如图3所示，将非光滑控制与扰动观测器结合，设计基于非光滑控制的复合控制系统。

因此，本发明包括永磁直线同步电机的非光滑控制，基于扰动观测器的扰动补偿以及基于非光滑控制技术的复合控制。给定系统的位置信号，将永磁直线同步电机的位置测量信号与给定信号进行比较，得到位置的误差信号。以位置的误差信号和速度信号作为控制器的输入，设计非光滑控制器，同时动子位置信号作为所述扰动观测器的输入信号，然后将非光滑控制器的输出信号与扰动观测器的输出信号叠加，得到整个系统的q轴电流给定值，实现永磁直线同步电机伺服系统在扰动状态下的高精度控制。

所述的复合控制系统设计包括以下步骤：

第一步：给出永磁直线同步电机非光滑控制系统框图如图1所示；

图1中将永磁直线同步电机的位置测量信号与给定信号进行比较，得到位置的误差信号，以位置的误差信号和速度信号作为非光滑控制器的输入，经控制器运算得到的输出作为永磁直线同步电机的输入信号，实现对永磁直线同步电机的控制。

第二步：设位移的给定值为d_d，令

根据永磁直线同步电机的数学模型，得到其跟踪控制系统的误差方程；

${\stackrel{\&CenterDot;}{x}}_{1e}=x_{2e}$

${\stackrel{\&CenterDot;}{x}}_{2e}=\frac{1}{m}[20u-D(x_{2e}+{\stackrel{\&CenterDot;}{d}}_d)]-{\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{d}}_d$

第三步：针对该误差模型基于非光滑控制方法设计控制器；

$u=\frac{1}{20}[{\mathrm{mu}}^{\&prime;}+D(x_{2e}+{\stackrel{\&CenterDot;}{d}}_d)+m{\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{d}}_d]$

其中

$u^{\&prime;}=-k_1{\mathrm{sig}}^{{\mathrm{\&alpha;}}_1}{x}_{1e}-k_2{\mathrm{sig}}^{{\mathrm{\&alpha;}}_2}{x}_{2e},$ k₁,k₂>0,0<α₁,α₂<1。

第四步：给出扰动观测器的基本原理图如图2所示；

图2中P(s)为实际系统；P_n(s)为名义模型；Q(s)为低通滤波器；u为系统外部输入；d为干扰项；

为d的估计值。图2中把实际系统输出与名义模型

估计出等效的干扰，在其后面串入一个低通滤波器后反馈到输入端对控制作用进行补偿。

第五步：永磁直线同步电机的动子传递函数P_n(s)常常当作一个惯性环节来处理，即

因此，可选择低通滤波器形式为

$Q\left(s\right)=\frac{K_Q}{{\mathrm{\&tau;}}_{q}s+1}$

其中，τ_q决定Q(s)的截止频率。

第六步：结合所设计的非光滑控制器，构成一种新的复合控制方案如图3所示；

图3中将永磁直线同步电机的位置测量信号与给定信号进行比较，得到位置的误差信号，以位置的误差信号和速度信号作为非光滑控制器的输入，经控制器运算得到的输出与扰动观测器得到的信号相减，得到的信号作为永磁直线同步电机的输入信号，实现对永磁直线同步电机的控制。

最后，对所设计的控制方案进行有外部扰动情况的仿真研究，并将仿真结果与常见的PI控制结果进行比较分析。通过跟踪阶跃信号和方波信号的仿真结果可以看出，所提出的复合控制方案与传统的PI控制相比，具有控制速度快，抗扰动能力强的优点。

Claims (5)

1.一种基于非光滑控制技术的永磁直线同步电机复合控制系统，其特征在于：首先对永磁直线同步电机根据其推力方程及推力动态方程建立数学模型，然后采集永磁直线同步电机的位置信号、转速信号和电机电流信号，同时在无扰动情况下通过非光滑控制方法设计控制器；结合扰动观测器技术提供了一种复合控制方案，实现对永磁直线同步电机在存在扰动情况下的控制。

2.如权利要求1所述的基于非光滑控制技术的永磁直线同步电机的复合控制系统，其特征在于：所述永磁直线同步电机数学模型基于以下公式建立：

其中：

为电机可动部分质量；

为粘滞摩擦系数；

为外来干扰；

为动子的运动速度；

为微分算子；

为推动力系数；为极对数；为极距；

为永磁体的磁链幅值；

为

轴电流。

3.如权利要求1所述的基于非光滑控制技术的永磁直线同步电机的复合控制系统，其特征在于：所述通过非光滑控制方法设计的控制器基于以下公式建立：

其中

为位移的给定值，

，

，

,

。

4.如权利要求1所述的基于非光滑控制技术的永磁直线同步电机的复合控制系统，其特征在于：所述扰动观测器中的低通滤波器基于以下公式建立：

其中：为低通滤波器；

决定

的截止频率。

5.如权利要求1所述的基于非光滑控制技术的永磁直线同步电机的复合控制系统，其特征在于：将非光滑控制技术结合扰动观测器技术，提供了一种新的复合控制方案。

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