CN107769650A - 线性开关磁阻电机控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线性开关磁阻电机控制系统及其控制方法。所述线性开关磁阻电机控制系统包括位置控制器、驱动装置、磁阻电机装置及传感装置，所述位置控制器用于发出控制信号至所述驱动装置，以使得所述驱动装置发出驱动信号驱动所述磁阻电机装置从而控制所述磁阻电机装置的电机位置与速度，所述磁阻电机装置还经由所述传感装置连接所述位置控制器以使得所述传感装置将电机位置与速度的侦测信号反馈至所述位置控制器，从而所述位置控制器依据所述电机的位置与速度调整其发出的控制信号，其中通过稳定性分析理论、矢量化方法与H代表技术计算所述系统的稳定性条件与增益K使得所述位置控制器依据所述计算获得的稳定性条件与增益K输出所述控制信号。

Description

线性开关磁阻电机控制系统及其控制方法

【技术领域】

本发明涉及电机控制技术领域，特别地，涉及一种线性开关磁阻电机控制系统及其控制方法。

【背景技术】

随着高速与高精度运动的需求增加，各种类型的直线电机驱动运动系统因密运动控制而受到了的重视。近年来，对于线性开关磁阻电机(LSRM)控制系统，已经提出了一些结果，例如，已经基于级联模拟感测线圈和数字霍尔探头反馈控制来描述磁通反馈磁阻执行器直线化方案。

基于最小磁阻原理的直线运动控制系统被广泛应用于零件组装，印刷电路和板材钻孔等各种工业应用，具有高速度，高精度，响应快，无路径错误，大输出，直线执行等。然而，因为难以获得敏感度和变化摩擦系数牵引脉冲引起的精确数学模型参数，所以实现高精度定位控制是很困难的。

【发明内容】

针对现有方法的不足，本发明提出了一种高精度定位控制的线性开关磁阻电机控制系统及其控制方法。

一种线性开关磁阻电机控制系统，其包括位置控制器、驱动装置、磁阻电机装置及传感装置，所述位置控制器用于发出控制信号至所述驱动装置，以使得所述驱动装置发出驱动信号驱动所述磁阻电机装置从而控制所述磁阻电机装置的电机位置与速度，所述磁阻电机装置还经由所述传感装置连接所述位置控制器以使得所述传感装置将电机位置与速度的侦测信号反馈至所述位置控制器，从而所述位置控制器依据所述电机的位置与速度调整其发出的控制信号，其中通过稳定性分析理论、矢量化方法与H代表技术计算所述系统的稳定性条件与增益K使得所述位置控制器依据所述计算获得的稳定性条件与增益K输出所述控制信号。

在一种实施方式中，所述磁阻电机装置包括力电转换模块、电流控制回路及电机模块，所述力电转换模块接收所述驱动信号并输出电流控制指令，所述电流控制模块依据所述电流控制指令输出电流信号至所述电机模块来控制所述电机模块的位置与速度。

在一种实施方式中，所述力电转换模块包括力分布单元、多个力电转换单元，所述力分布单元依据所述驱动信号产生各相力控制指令，所述各相力控制指令被分别提供到所述多个力电转换单元，所述各力电转换单元依据各相力控制指令产生各相电流控制指令，所述电流控制模块依据各相电流控制指令产生各相电流信号控制所述电机模块的各相电流。

在一种实施方式中，所述电流控制模块包括多个驱动单元与多个电流控制器，所述各驱动单元分别接收所述各相电流控制指令并输出各相驱动指令至各电流控制器，所述各电流控制器分别输出所述各相电流信号至所述电机模块。

在一种实施方式中，所述电机模块包括移动平台、位于所述移动平台两侧的定子铁芯、套设于所述定子铁芯两侧的各相绕组，所述各相电流信号分别被提供至所述各相绕组。

在一种实施方式中，所述力电转换单元、驱动单元、电流控制器及绕组的数量均为三个，所述各相力控制指令、电流控制指令、电流信号均为三相。

在一种实施方式中，所述各相电流信号还被提供至对应的驱动单元以使得每个驱动单元分别依据对应的电流控制指令及对应的电流信号产生对应的驱动指令。

在一种实施方式中，所述增益K的范围利用矩阵特征值数据分析法进行了缩小。

在一种实施方式中，所述传感装置为直线磁编码器。

一种线性开关磁阻电机控制方法，其包括如下步骤：

位置控制器用于发出控制信号至驱动装置，以使得所述驱动装置发出驱动信号驱动磁阻电机装置从而控制所述磁阻电机装置的电机位置与速度；及

所述磁阻电机装置还经由传感装置连接所述位置控制器以使得所述传感装置将电机位置与速度的侦测信号反馈至所述位置控制器，从而所述位置控制器依据所述电机的位置与速度调整其发出的控制信号，其中通过稳定性分析理论、矢量化方法与H代表技术计算所述系统的稳定性条件与增益K使得所述位置控制器依据所述计算获得的稳定性条件与增益K输出所述控制信号。

相较于现有技术，本发明线性开关磁阻电机控制系统及其控制方法中，所述位置控制器依据所述电机的位置与速度调整其发出的控制信号，其中通过稳定性分析理论、矢量化方法与H代表技术计算所述系统的稳定性条件与增益K使得所述位置控制器依据所述计算获得的稳定性条件与增益K输出所述控制信号，可以实现较高精度的电机定位控制。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明一较佳实施方式的线性开关磁阻电机控制系统的方框结构示意图。

图2是图1所示线性开关磁阻电机控制系统的电机结构示意图。

图3是图1所示线性开关磁阻电机控制系统的控制方法的流程图。

图4是图1所示线性开关磁阻电机控制系统一种实施例的实验平台结构图。

图5至图11是图4所示实验平台的线性开关磁阻电机控制系统的测试结果示意图。

【主要元件符号说明】

线性开关磁阻电机控制系统100；位置控制器110；驱动装置120；磁阻电机装置130；传感装置140；力电功能转换模块131；电机控制电路132；电机133；力分布单元134；力电功能转换单元135；驱动单元136；电流控制器137；步骤S1、S2

【具体实施方式】

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术问题，本发明的技术方案主要包括以下四个方面的改进：

1.基于矢量化技术的直接驱动线性开关磁阻电机控制系统解决了定位跟踪控问题；

2.扩展H代表技术以减少闭环系统矩阵维数，从而实现所提方法的实际用；

3.根据李亚普诺夫稳定性理论建立线性开关磁阻电机控制系统的低计算复杂度稳定性条件，采用矩阵特征值数值分析法对定位跟踪控制器的增益范围进行了缩小；及

4.给出了几套定位跟踪控制实验和比较研究结果，以验证本文提出的方法。

进一步地，在一种实施方式中，基于Lyapunov理论的离散时间直接驱动直线运动控制系统研究了H1控制问题，本发明可以提出了一种直接驱动线性开关磁阻电机的控制系统及控制方法。在一种实施方式中，本发明可以通过使用快速非奇异端子滑模提供高速，高精度的性能。在一种实施方式中，本发明可以通过使用磁通量传感器来确定水平面磁导引的机器人位置。在一种实施方式中，本发明可以分别提出了自适应鲁棒控制和优化的自适应运动控制方法。在一种实施方式中，为了克服电机未知参数的影响，最小化扰动效应并减少干扰响应时间，本发明可以提出了一种改进的扰动观测器和补偿器。为了减少力的波动，在一种实施方式中，提出了一种新的用于LSRM控制电机瞬时位置，速度，相电流和力的控制策略。在一种实施方式中，本发明可以进一步对双侧移动器和节段定子LSRM的设计方法和性能对比研究。在一种实施方式中，为了评估绕组配置效应，本发明对包括气隙磁通密度，线圈，相磁通，电感，转矩，电压和径向磁力的半齿缠绕和全绕式开关磁阻电机的电磁性能进行了全面比较与研究。

以下结合附图对本发明的线性开关磁阻电机控制系统及控制方法的具体实现方案进行描述。

请参阅1，图1是本发明一较佳实施方式的线性开关磁阻电机控制系统的方框结构示意图。所述线性开关磁阻电机133控制系统100包括位置控制器110、驱动装置120、磁阻电机133装置130及传感装置140，所述位置控制器110用于发出控制信号至所述驱动装置120，以使得所述驱动装置120发出驱动信号驱动所述磁阻电机133装置130从而控制所述磁阻电机133装置130的电机133位置(如S)与速度(如S’)，所述磁阻电机133装置130还经由所述传感装置140连接所述位置控制器110以使得所述传感装置140将电机133位置与速度的侦测信号(如x(k)，包括位置函数S(k)与速度函数S’(k))反馈至所述位置控制器110，从而所述位置控制器110依据所述电机133的位置与速度调整其发出的控制信号(如u(k))，其中通过稳定性分析理论、矢量化方法与H代表技术计算所述控制系统100的稳定性条件与增益k使得所述位置控制器110依据所述计算获得的稳定性条件与增益k输出所述控制信号。

所述磁阻电机133装置130包括力电转换模块131、电流控制回路132132及电机133，所述力电转换模块131接收所述驱动信号并输出电流控制指令，所述电流控制回路132依据所述电流控制指令输出电流信号至所述电机133来控制所述电机133的位置与速度。

所述力电转换模块131包括力分布单元134、多个力电转换单元135，所述力分布单元134依据所述驱动信号产生各相力控制指令如(fa、fb、fc)，所述各相力控制指令被分别提供到所述多个力电转换单元135，所述各力电转换单元135依据各相力控制指令产生各相电流控制指令，所述电流控制回路132依据各相电流控制指令产生各相电流信号控制所述电机133的各相电流。

所述电流控制回路132包括多个驱动单元136与多个电流控制器137，所述各驱动单元136分别接收所述各相电流控制指令并输出各相驱动指令至各电流控制器137，所述各电流控制器137分别输出所述各相电流信号(如ia，ib和ic)至所述电机133，用于控制所述电机133的位置及速度。

请参阅图2，图2是图1所示线性开关磁阻电机控制系统100的电机结构示意图。所述电机133包括移动平台、位于所述移动平台两侧的定子铁芯、套设于所述定子铁芯两侧的各相绕组，所述各相电流信号分别被提供至所述各相绕组。

本实施方式中，所述力电转换单元135、驱动单元136、电流控制器137及绕组的数量均为三个，所述各相力控制指令、电流控制指令、电流信号均为三相。所述各相电流信号还被提供至对应的驱动单元136以使得每个驱动单元136分别依据对应的电流控制指令及对应的电流信号产生对应的驱动指令。

可以理解，在一种实施方式中，所述位置控制器的设计方法是基于矩阵特征值数值分析法，针对LSRM的状态反馈位置控制器提出如下：u(k)＝Kx(k)，K[K1K2]，K是状态反馈位置控制器增益，非零控制参数K满足-1＜λi＜1,i＝1,2,3，λ是三阶方阵的特征值。所述K1，K2的几组参数如图10所示。进一步地，所述增益K的范围可以利用矩阵特征值数据分析法进行缩小。所述传感装置140为直线磁编码器。

请参阅图3，图3是图1所示线性开关磁阻电机控制系统100的控制方法的流程图。所述线性开关磁阻电机控制系统100的控制方法可以包括如下步骤S1、S2。

步骤S1，位置控制器110用于发出控制信号至驱动装置120，以使得所述驱动装置120发出驱动信号驱动磁阻电机装置130从而控制所述磁阻电机装置130的电机位置与速度。

步骤S2，所述磁阻电机装置130还经由传感装置140连接所述位置控制器110以使得所述传感装置140将电机位置与速度的侦测信号反馈至所述位置控制器110，从而所述位置控制器110依据所述电机的位置与速度调整其发出的控制信号，其中通过稳定性分析理论、矢量化方法与H代表技术计算所述系统的稳定性条件与增益K使得所述位置控制器依据所述计算获得的稳定性条件与增益K输出所述控制信号。

可以理解，关于所述控制方法中涉及的各模块的具体结构及功能已在前述对线性开关磁阻电机控制系统100的描述中说明，此处就不再赘述。

相较于现有技术，本发明线性开关磁阻电机控制系统100及其控制方法中，所述位置控制器110依据所述电机的位置与速度调整其发出的控制信号，其中通过稳定性分析理论、矢量化方法与H代表技术计算所述系统的稳定性条件与增益K使得所述位置控制器110依据所述计算获得的稳定性条件与增益K输出所述控制信号，可以实现较高精度的电机定位控制。

进一步地，针对上述控制系统与控制方法搭建实验平台进行实验测试，请参阅图4，图4是图1所示线性开关磁阻电机控制系统100一种实施例的实验平台结构图。在该实验平台中，1是定子变压器，2是绕组连接器，3是绕组，4是移动平台，5是电力供应，6是dSPACE接口，7是电流放大器，8是个人计算机。

请参阅图5至图11，图5至图11是图4所示实验平台的线性开关磁阻电机控制系统的测试结果示意图。本发明提出的矢量化方法与传统PID参数调谐方法进行比较实验研究。通过跟踪20mm和0.2Hz的正弦参考信号来验证所提出的方法的有效性，并提出了二阶直接驱动所述线性开关磁阻电机控制系统的定位控制的实验测试。本发明所提出的控制系统与控制方法与PID参数调谐方法的比较研究结果如图10所示。从附图5-9和图11所示的表III，我们可以看出，在定位控制方式下，动态和相对位置误差值都比PID参数调谐方法都要小。很明显，本发明提出的线性开关磁阻电机控制系统的定位跟踪控制方法对于实现高精度直线运动是有效的。

具体地，如图5所示，在定位跟踪控制条件(i)下(a)图中位置和(b)图中位置的误差的动态响应。如图6所示，在定位跟踪控制条件(ii)下(a)图中位置和(b)图中位置的误差的动态响应。如图7所示，在定位跟踪控制条件(iii)下(a)图中位置和(b)图中位置的误差的动态响应。如图8所示，在PID参数调整方法下(a)图中位置和(b)图中位置的误差的动态响应。如图9所示，不同控制方法的比较研究结果，(a)图LSRM的位置反应，(b)图位置误差，(c)图LSRM位置从3s到5s的放大视图，(d)图将LSRM位置误差从3s放大至5s。如图10所示，不同控制条件下的控制器增益图表。如图11所示，最大和最小LSRM位置错误。

综上所示，本发明提出了一种具有二阶直接驱动线性开关磁阻电机的直线运动控制系统及控制方法，通过使用光谱映射稳定性分析理论，矢量化方法和H代表技术，可以获得闭环LSRM系统的稳定性条件和定位控制器增益，采用矩阵特征值数值分析法获得控制器增益范围k，并且通过实验平台的实验结果验证了所述线性开关磁阻电机控制系统潜在工业应用所提出的定位控制方法的有效性。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种线性开关磁阻电机控制系统，其特征在于：所述线性开关磁阻电机控制系统包括位置控制器、驱动装置、磁阻电机装置及传感装置，所述位置控制器用于发出控制信号至所述驱动装置，以使得所述驱动装置发出驱动信号驱动所述磁阻电机装置从而控制所述磁阻电机装置的电机位置与速度，所述磁阻电机装置还经由所述传感装置连接所述位置控制器以使得所述传感装置将电机位置与速度的侦测信号反馈至所述位置控制器，从而所述位置控制器依据所述电机的位置与速度调整其发出的控制信号，其中通过稳定性分析理论、矢量化方法与H代表技术计算所述系统的稳定性条件与增益K使得所述位置控制器依据所述计算获得的稳定性条件与增益K输出所述控制信号。

2.如权利要求1所述的线性开关磁阻电机控制系统，其特征在于：所述磁阻电机装置包括力电转换模块、电流控制回路及电机模块，所述力电转换模块接收所述驱动信号并输出电流控制指令，所述电流控制模块依据所述电流控制指令输出电流信号至所述电机模块来控制所述电机模块的位置与速度。

3.如权利要求2所述的线性开关磁阻电机控制系统，其特征在于：所述力电转换模块包括力分布单元、多个力电转换单元，所述力分布单元依据所述驱动信号产生各相力控制指令，所述各相力控制指令被分别提供到所述多个力电转换单元，所述各力电转换单元依据各相力控制指令产生各相电流控制指令，所述电流控制模块依据各相电流控制指令产生各相电流信号控制所述电机模块的各相电流。

4.如权利要求3所述的线性开关磁阻电机控制系统，其特征在于：所述电流控制模块包括多个驱动单元与多个电流控制器，所述各驱动单元分别接收所述各相电流控制指令并输出各相驱动指令至各电流控制器，所述各电流控制器分别输出所述各相电流信号至所述电机模块。

5.如权利要求4所述的线性开关磁阻电机控制系统，其特征在于：所述电机模块包括移动平台、位于所述移动平台两侧的定子铁芯、套设于所述定子铁芯两侧的各相绕组，所述各相电流信号分别被提供至所述各相绕组。

6.如权利要求5所述的线性开关磁阻电机控制系统，其特征在于：所述力电转换单元、驱动单元、电流控制器及绕组的数量均为三个，所述各相力控制指令、电流控制指令、电流信号均为三相。

7.如权利要求5所述的线性开关磁阻电机控制系统，其特征在于：所述各相电流信号还被提供至对应的驱动单元以使得每个驱动单元分别依据对应的电流控制指令及对应的电流信号产生对应的驱动指令。

8.如权利要求1所述的线性开关磁阻电机控制系统，其特征在于：所述增益K的范围利用矩阵特征值数据分析法进行了缩小。

9.如权利要求1所述的线性开关磁阻电机控制系统，其特征在于：所述传感装置为直线磁编码器。

10.一种线性开关磁阻电机控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

位置控制器用于发出控制信号至驱动装置，以使得所述驱动装置发出驱动信号驱动磁阻电机装置从而控制所述磁阻电机装置的电机位置与速度；及

所述磁阻电机装置还经由传感装置连接所述位置控制器以使得所述传感装置将电机位置与速度的侦测信号反馈至所述位置控制器，从而所述位置控制器依据所述电机的位置与速度调整其发出的控制信号，其中通过稳定性分析理论、矢量化方法与H代表技术计算所述系统的稳定性条件与增益K使得所述位置控制器依据所述计算获得的稳定性条件与增益K输出所述控制信号。