CN110504880B - 一种磁通切换永磁直线电机干扰观测前馈补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁通切换永磁直线电机干扰观测前馈补偿控制方法，属于电机控制技术领域。本发明基于磁通切换永磁直线电机的离散数学模型，根据磁通切换永磁直线电机电流和位置信号，利用扩展卡尔曼设计干扰观测器观测出定位力和其他干扰力，进行前馈补偿。本发明利用扩展卡尔曼滤波设计出定位力和其他力扰动观测器对其进行观测并进行补偿，能够克服动子质量、推力系数、库伦摩擦力、粘滞摩擦系数以及其他不确定因素的影响，且采用观测器观测出的速度作为速度反馈，较传统M法测得的速度更为平滑，减小了动子直线速度响应误差。本控制方法可采用通用硬件实现，便于推广应用。

Description

一种磁通切换永磁直线电机干扰观测前馈补偿控制方法

技术领域

本发明涉及一种磁通切换永磁直线电机干扰观测前馈补偿控制方法，属于电机控制技术领域。

背景技术

磁通切换永磁直线电机伺服系统省掉了机械传动机构，将负载直接与永磁通切换永磁直线电机的动子相连，采用零传动方式，虽然消除了中间传动机构的弹性变形、间隙、惯量等因素对系统的影响，但与此同时，负载的变化和外部扰动也不经过任何中间环节的衰减而直接加到直线电机上，影响到电机系统的性能。对于磁通切换永磁直线电机，电机动子的速度是闭环控制系统中必不可少的反馈量。传统的编码器测速计算方法如M法、T法、MT结合法等测速方法，都是基于差分算法求解动子的平均值，造成转速计算值存在误差以及相位延迟，从而一定程度上影响了磁通切换永磁直线电机的动静态性能。为了减少传统测速方法存在的问题，通常采用数字低通滤波器抑制噪声，但是无法同时实现抑制噪声和减小延时的影响。

为了实现高精度的速度控制，抑制速度波动，现有技术中较为常用的是基于LuGre摩擦模型进行补偿和设计DOB观测器进行补偿；LuGre摩擦模型是动态摩擦模型，依赖于电机精确数学模型中粘滞摩擦系数、库伦摩擦力等参数；DOB观测器依赖于电机精确数学模型中动子质量和推力系数，且引入的二阶低通滤波器影响系统的动态和静态性能。基于以上两种补偿方法的系统性能容易受到参数变化及各种不确定因素的影响。此外，为了解决传统测速方法的缺点，学者们提出了多种观测转速的方法，如非线性观测器、滑模观测器等。而编码器的测量噪声可以看作高斯白噪声，卡尔曼滤波算法作为一种线性最小方差估计，采用递推算法，不需要大量的存储空间，并对模型有较小的依赖性，因此，在系统速度观测方面得到了较为广泛的应用。因此，本发明基于卡尔曼滤波算法设计了电机速度、干扰观测器，提高了电机速度控制系统的控制精度和抗干扰性能。

发明内容

本发明的目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种磁通切换永磁直线电机干扰观测前馈补偿控制方法，基于扩展卡尔曼滤波设计出定位力以及其他扰动观测器对其进行观测并进行补偿，能够克服动子质量、推力系数、库伦摩擦力、粘滞摩擦系数以及其他不确定因素的影响，且采用观测器观测出的速度作为速度反馈，避免了传统M法测速中的微分过程和滤波过程，较传统M法测得的速度更为平滑，减小了动子直线速度响应误差，提高了电机控制系统的控制精度和抗干扰性能。

本发明采用的技术方案为：一种磁通切换永磁直线电机干扰观测前馈补偿控制方法，包括如下步骤：

第一步：建立磁通切换永磁直线电机的简化动力学方程，并给出定位力以及其它干扰包括参数不确定性的方程；

垂直运行磁通切换永磁直线电机的简化动力学方程，具体如下：

所述的磁通切换永磁直线电机的简化标称动力学方程为：

式中：v为动子直线速度，M_o为电机动子标称质量，k_fo为电机标称推力系数，F_co为电机标称库伦摩擦力，D_o为电机标称粘滞摩擦系数，i_q为电机的q轴电流，F_cog为电机的定位力，F_ext为电机的其它干扰力；

将式(1)写为固定参数模型形式为：

式中：M为电机实测动子质量，ΔM＝M_o-M，k_f为电机推力系数，Δk_f＝k_fo-k_f，F_c为电机实测库伦摩擦力，D为电机实测摩擦系数，ε为不确定因素包含电机动子质量、推力波动系数、库伦摩擦力、粘滞摩擦系数以及其他模型不确定因素。

第二步：根据磁通切换永磁直线电机的动力学方程利用扩展卡尔曼设计定位力以及干扰观测器，并观测出定位力和干扰，计算出补偿电流；

所述利用扩展卡尔曼设计推力波动以及干扰观测器包括如下步骤：

步骤201：选取电机的速度、位移和定位力作为观测状态矢量；在一个控制周期T_s内，可以把定位力的变化量看为0，

令

则有：

其中，

u＝[k_fi_q-Mg-F_c]，Y＝[x]。

步骤202：将式(4)离散化得到：

其中，V(k)是系统噪声，W(k)是测量噪声，且V(k)和W(k)都是白零噪声，也即是：E{V(k)}＝0，E{W(k)}＝0，E{V(k)V(k)^T}＝Q，E{W(k)W(k)^T}＝R。

步骤203：状态预测与状态校正阶段：

对状态矢量进行预测：

求k+1时刻输出：

计算协方差矩阵：

其中：F(k)＝diag(1 1 1)+TA；

计算增益矩阵：

对k+1状态矢量进行校正：

计算下一步的协方差矩阵：

第三步：将计算出的补偿电流送入电流环，进行垂直运行磁通切换永磁直线电机矢量控制。所述垂直运行磁通切换永磁直线电机矢量控制的补偿电流是在步骤二观测出干扰的基础上确定的，消除了推力系数本身的影响，且速度反馈是卡尔曼观测器的观测速度，角度反馈是卡尔曼观测器的观测角度。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明设计的干扰观测器克服了推力系数、动子质量、粘滞摩擦系数、库伦摩擦力等模型参数的影响，弥补了LuGre模型摩擦补偿和DOB干扰观测器依赖电机精确数学模型的缺点，更好地抑制了非线性摩擦的影响；

(2)本发明采用观测器观测出的速度作为速度反馈，避免了传统M法测速中的微分过程和滤波过程，较传统M法测得的速度更为平滑，减小了动子直线速度响应误差，提高了电机控制系统的控制精度和抗干扰性能。

附图说明

图1是基于EKF的干扰观测器前馈补偿控制框图；

图2是电机垂直上行时无干扰观测器前馈补偿实验波形图；

图3是电机垂直上行时基于DOB干扰观测器前馈补偿实验波形图；

图4是电机垂直上行时基于EKF干扰观测器前馈补偿实验波形图；

图5是电机垂直下行时无干扰观测器前馈补偿实验波形图；

图6是电机垂直下行时基于DOB干扰观测器前馈补偿实验波形图；

图7是电机垂直下行时基于EKF干扰观测器前馈补偿实验波形图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明提出的一种磁通切换永磁直线电机干扰观测前馈补偿控制方法做出详细说明，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明中整个磁通切换永磁直线电机干扰观测前馈补偿控制框图如图1所示，该系统由直流电源、磁通切换永磁直线电机、三相逆变桥、控制器四个部分组成。图中v_ref为电机速度参考值，v_est为辨识的电机速度参考值，i_qref为速度环输出的q轴参考电流，相电流i_a、i_c通过传感器测得。

本发明方法包括如下步骤：

第一步：建立磁通切换永磁直线电机的简化动力学方程，并给出定位力以及其它干扰包括参数不确定性的方程；

垂直运行磁通切换永磁直线电机的简化动力学方程，具体如下：

所述的磁通切换永磁直线电机的简化标称动力学方程为：

式中：v为动子直线速度，M_o为电机动子标称质量，k_fo为电机标称推力系数，F_co为电机标称库伦摩擦力，D_o为电机标称粘滞摩擦系数，i_q为电机的q轴电流，F_cog为电机的定位力，F_ext为电机的其它干扰力；

将式(1)写为固定参数模型形式为：

式中：M为电机实测动子质量，ΔM＝M_o-M，k_f为电机推力系数，Δk_f＝k_fo-k_f，F_c为电机实测库伦摩擦力，D为电机实测摩擦系数，ε为不确定因素包含电机动子质量、推力波动系数、库伦摩擦力、粘滞摩擦系数以及其他模型不确定因素。

第二步：根据磁通切换永磁直线电机的动力学方程利用扩展卡尔曼设计定位力以及干扰观测器，并观测出定位力和其他干扰，计算出补偿电流；

所述利用扩展卡尔曼设计推力波动以及干扰观测器包括如下步骤：

步骤201：选取电机的速度、位移和定位力作为观测状态矢量；在一个控制周期T_s内，可以把定位力的变化量看为0，

令

则有：

其中，

u＝[k_fi_q-Mg-F_c]，Y＝[x]。

步骤202：将式(4)离散化得到：

其中，V(k)是系统噪声，W(k)是测量噪声，且V(k)和W(k)都是白零噪声，也即是：E{V(k)}＝0，E{W(k)}＝0，E{V(k)V(k)^T}＝Q，E{W(k)W(k)^T}＝R。

步骤203：状态预测与状态校正阶段：

对状态矢量进行预测：

求k+1时刻输出：

计算协方差矩阵：

其中：F(k)＝diag(1 1 1)+TA；

计算增益矩阵：

对k+1状态矢量进行校正：

计算下一步的协方差矩阵：

第三步：将计算出的补偿电流送入电流环，进行垂直运行磁通切换永磁直线电机矢量控制。所述垂直运行磁通切换永磁直线电机矢量控制的补偿电流是在步骤二观测出干扰的基础上确定的，且消除了推力系数本身的影响，且速度反馈是卡尔曼观测器的观测速度，角度反馈是卡尔曼观测器的观测角度。

实验结果分析

图2～图4分别是电机上行时，无干扰观测器前馈补偿、基于DOB干扰观测器前馈补偿、基于EKF干扰观测器前馈补偿的实验波形图；图2，无干扰观测器前馈补偿时，速度明显周期性波动，且速度误差最大值为0.02m/s；图3，基于DOB干扰观测器前馈补偿时，速度无明显周期性波动，但速度误差最大值仍为0.02m/s；图4，基于EKF干扰观测器前馈补偿时，速度无明显周期性波动，速度误差最大值减小为0.01m/s，速度误差更小了。图5～图7分别是电机下行时，无干扰观测器前馈补偿、基于DOB干扰观测器前馈补偿、基于EKF干扰观测器前馈补偿的实验波形图。速度误差趋势和上行时一致。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种磁通切换永磁直线电机干扰观测前馈补偿控制方法，其特征步骤在于：

第一步：建立磁通切换永磁直线电机的简化动力学方程，并给出定位力以及其它干扰包括参数不确定性的方程；

第二步：根据磁通切换永磁直线电机的动力学方程基于扩展卡尔曼滤波设计定位力以及干扰观测器，并观测出定位力以及干扰，计算出补偿电流；

第三步：将计算出的补偿电流送入电流环，进行磁通切换永磁直线电机矢量控制；

所述的步骤第一步中磁通切换永磁直线电机的简化动力学方程，具体如下：

所述的磁通切换永磁直线电机的简化标称动力学方程为：

式中：v为动子直线速度，M_o为电机动子标称质量，k_fo为电机标称推力系数，F_co为电机标称库伦摩擦力，D_o为电机标称粘滞摩擦系数，i_q为电机的q轴电流，F_cog为电机的定位力，F_ext为电机的其它干扰力；

将式(1)写为固定参数模型形式为：

式中：M为电机实测动子质量，ΔM＝M_o-M，k_f为电机推力系数，Δk_f＝k_fo-k_f，F_c为电机实测库伦摩擦力，D为电机实测摩擦系数，ε为不确定因素包含电机动子质量、推力波动系数、库伦摩擦力、粘滞摩擦系数以及其他模型不确定因素；

步骤第二步中所述基于扩展卡尔曼滤波设计定位力以及干扰观测器包括如下步骤：

步骤201：选取电机的速度、位移和定位力作为观测状态矢量；在一个控制周期T_s内，可以把定位力的变化量看为0，

令

则有：

其中，

u＝[k_fi_q-Mg-F_c]，Y＝[x]；

步骤202：将式(4)离散化得到：

其中，V(k)是系统噪声，W(k)是测量噪声，且V(k)和W(k)都是白零噪声，也即是：E{V(k)}＝0，E{W(k)}＝0，E{V(k)V(k)^T}＝Q，E{W(k)W(k)^T}＝R；

步骤203：状态预测与状态校正阶段：

对状态矢量进行预测：

求k+1时刻输出：

计算协方差矩阵：

其中：F(k)＝diag(1 1 1)+TA；

计算增益矩阵：

对k+1状态矢量进行校正：

计算下一步的协方差矩阵：

步骤三中所述磁通切换永磁直线电机矢量控制的补偿电流是在步骤二的基础上确定的，消除了推力系数本身的影响，且速度反馈是卡尔曼观测器的观测速度，角度反馈是卡尔曼观测器的观测角度。

Images