CN115378305A - 一种永磁同步直线电机控制方法和控制系统 - Google Patents

一种永磁同步直线电机控制方法和控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种永磁同步直线电机控制方法和控制系统。所述控制方法包括：建立位移传感器与直线电机转子每个位置之间的对应关系，并通过位移传感器实时获取永磁同步直线电机的位置信息；利用观测器实时采集永磁同步直线电机控制系统输出的电气参数，并对电气参数进行测量解析获取永磁同步直线电机的位置信息；利用位移误差校正补偿器以观测器实时采集的位置信息为参考量对位置传感器实时采集的位置信息进行校正补偿，获得校正补偿后的位置信息；利用校正补偿后的位置信息通过速度计算获得永磁同步直线电机的实际速度，并利用实际速度与预先设定的速度参考值Vref的差值送入速度PI控制器中对永磁同步直线电机进行闭环控制。

Description

一种永磁同步直线电机控制方法和控制系统
技术领域
本发明提出了一种永磁同步直线电机控制方法和控制系统，属于电机控制技术领域。
背景技术
永磁同步电机因其体积小、损耗小、效率高等优势得到了广泛应用。目前永磁同步直线电机控制系统常用id＝0的磁场定向的矢量控制方法，利用霍尔传感器和光栅尺位置传感器检测位置和速度信号进行电流环和速度环双闭环控制，或，无机械传感器的观测器控制方法。然而，这两中控制方法中，前者利用机械传感器的控制方法容易因机械传感器安装精度以及长时间使用损耗的情况下，造成位置信息检测不准确，误差逐渐增大的问题发生。而后者无机械传感器的观测器控制方法，由于要提高观测器测量精确性和鲁棒性的情况下，需要不断优化数学模块，导致数学模型负责繁琐，进而导致控制过程计算量大，响应不及时的问题发生。
发明内容
本发明提供了一种永磁同步直线电机控制方法和控制系统，用以解决现有永磁同步直线电机控制过程中，位置传感器因长时间使用后导致信息采集不准确，以及无位置传感器观测器的计算模块负责，计算量大、响应不及时的问题，所采取的技术方案如下：
一种永磁同步直线电机的控制方法，所述控制方法包括：
建立位移传感器与直线电机转子每个位置之间的对应关系，并通过所述位移传感器实时获取所述永磁同步直线电机的位置信息；
利用观测器实时采集永磁同步直线电机控制系统输出的电气参数，并对所述电气参数进行测量解析获取所述永磁同步直线电机的位置信息；
利用位移误差校正补偿器以所述观测器实时采集的位置信息为参考量对所述位置传感器实时采集的位置信息进行校正补偿，获得校正补偿后的位置信息；
利用所述校正补偿后的位置信息通过速度计算获得所述永磁同步直线电机的实际速度，并利用所述实际速度与预先设定的速度参考值Vref的差值送入速度PI控制器中对所述永磁同步直线电机进行闭环控制。
进一步地，所述利用位移误差校正补偿器以所述观测器实时采集的位置信息为参考量对所述位置传感器实时采集的位置信息进行校正补偿，获得校正补偿后的位置信息，包括：
利用所述观测器采集的所述永磁同步直线电机的位置信息建立位移偏差模型；
利用所述位移偏差模型建立所述位移误差校正补偿器的状态空间方程；
基于所述状态方程的具体形式对所述位移误差校正补偿器的误差能观性能进行分析，并确定所述位移误差校正补偿器的极点；
根据所述位移误差校正补偿器的极点和状态空间方程建立所述位移误差校正补偿器的模型；
利用所述位移误差校正补偿器实时对所述位移传感器采集的位置信息存在的误差进行估计获取位移传感器偏差量；
利用所述位移传感器偏差量对所述位移传感器获取的位置信息进行补偿校正，获得校正补偿后的位置信息；
利用所述校正补偿后的位置信息计算获取电机转子的角速度ω和转子实际位置角度θ。
进一步地，所述位移偏差模型如下：
w'＝wg-ew
其中，w表示位移变差模型，w’表示与w对应的微分函数；wg表示观测器检测出的电机转子位置信息，ew表示位移测量偏差。
进一步地，利用所述位移偏差模型建立所述位移误差校正补偿器的状态空间方程，包括：
利用所述位移变差模型和位移测量偏差量确定所述位移误差校正补偿器的状态向量X；其中，X＝[w ew]T；
利用所述观测器检测出的电机转子位置信息作为所述位移误差校正补偿器的输入向量U；即，
Figure BDA0003788490040000022
；
利用所述状态向量X和输入向量U建立状态空间方程，其中，所述状态空间方程如下：
X'＝AX+BU
Y＝CX
其中，X表示状态空间方程；A表示状态转移矩阵；B表示输入矩阵；C表示观测矩阵；Y表示输出向量；
所述状态转移矩阵A的第二行第一列的元素数值的绝对值要与所述观测矩阵C的第一行第一列的元素数值的绝对值相同。
进一步地，基于所述状态方程的具体形式对所述位移误差校正补偿器的误差能观性能进行分析，并确定所述位移误差校正补偿器的极点，包括：
利用状态转移矩阵A和观测矩阵C确定所述位移误差校正补偿器的能观性矩阵的行列式值；其中，所述能观性矩阵形式如下：
Figure BDA0003788490040000021
判断所述能观性矩阵的行列式值是否为0，如果行列式值不为0则表示所述位移误差校正补偿器的状态空间方程具备误差观测性；
当所述位移误差校正补偿器的状态空间方程具备误差观测性时，按照极点配置约束条件设置所述位移误差校正补偿器的极点。
进一步地，所述极点配置约束条件如下：
0.58λ2<λ1≤1.52λ2，且λ1≠λ2
其中，λ1和λ2分别表示所述所述位移误差校正补偿器对应的两个极点，且，λ1和λ2均为整数。
进一步地，根据所述位移误差校正补偿器的极点和状态空间方程建立所述位移误差校正补偿器的模型，包括：
利用所述状态空间方程中的状态转移矩阵A和观测矩阵C结合所述位移误差校正补偿器的特征多项式，计算获取所述位移误差校正补偿的反馈增益系数k1和k2；
利用所述位移误差校正补偿的反馈增益系数k1和k2结合所述位移偏差模型和状态向量X构建位移所述误差校正补偿器的模型结构，其中，所述位移误差校正补偿器的模型结构如下：
Figure BDA0003788490040000031
Yg＝CXg
其中，Xg表示所述误差校正补偿器的观测值，其与所述状态向量X对应；Yg表示所述输出向量Y对应的观测值。
进一步地，所述计算获取所述位移误差校正补偿器的反馈增益系数k1和k2包括：
步骤1、提取所述位移误差校正补偿器的特征多项式，其中，所述特征多项式如下：
Figure BDA0003788490040000032
其中，λ1和λ2分别表示所述所述位移误差校正补偿器对应的两个极点，I表示单位矩阵；
步骤2、对所述特征多项式进行整理获取增益系数确定方程，其中，所述增益系数确定方程如下：
Figure BDA0003788490040000033
步骤3、提取通过极点配置约束条件设置所述位移误差校正补偿器的极点，并利用所述极点结合所述增益系数确定方程计算获取反馈增益系数k1和k2。
一种永磁同步直线电机的控制系统，所述控制系统包括三项逆变桥模块、SPWM模块、CLARK变换器、第一PARK变换器、第二PARK变换器、位移传感器、观测器、位移误差校正补偿器、速度计算模块、速度PI控制器和电流PI控制器；所述位移传感器的传感信号输入端与所述永磁同步直线电机的位置信息信号输出端对应；所述观测器的电气参数信号输入端电与所述第一PARK变换器的电气参数信号输出端以及所述第二PARK变换器的电气参数信号输入端相连；所述位移误差校正补偿器的信号输入端分别与所述位移传感器和观测器的检测信号输出端相连；所述位移误差校正补偿器的信号输出端分别与所述速度计算模块、第一PARK变换器和第二PARK变换器的信号输入端相连；所述速度计算模块的速度信号输出端与所述速度PI控制器的速度信号输入端相连；所述第二PARK变换器的电气参数信号输出端与所述电流PI控制器的电气信号输入端相连。
进一步地，所述位移误差校正补偿器包括：
位移偏差模型构建模块，用于利用所述观测器采集的所述永磁同步直线电机的位置信息建立位移偏差模型；
状态空间方程建立模块，用于利用所述位移偏差模型建立所述位移误差校正补偿器的状态空间方程；
极点设置模块，用于基于所述状态方程的具体形式对所述位移误差校正补偿器的误差能观性能进行分析，并确定所述位移误差校正补偿器的极点；
模型构建模块，用于根据所述位移误差校正补偿器的极点和状态空间方程建立所述位移误差校正补偿器的模型；
偏差量确定模块，用于利用所述位移误差校正补偿器实时对所述位移传感器采集的位置信息存在的误差进行估计获取位移传感器偏差量；
位置信息补偿模块，用于利用所述位移传感器偏差量对所述位移传感器获取的位置信息进行补偿校正，获得校正补偿后的位置信息；
参数计算模块，用于利用所述校正补偿后的位置信息计算获取电机转子的角速度ω和转子实际位置角度θ，并发送给所述第一PARK变换器和第二PARK变换器。
本发明有益效果：
本发明提出的一种永磁同步直线电机的控制方法和控制系统，同时在一个直线电机控制系统中结合观测器和位置传感器两套位置信息采集系统，并根据不同的位置信息采集原理，利用观测器获得的位置信息对位置传感器获取的位置信息利用位移误差校正补偿器进行误差校正补偿，进而能够获得无误差且精确度较高的位置信息，有效提高永磁同步直线电机的位移数据采集的准确性，进而有效提高永磁同步直线电机控制及运行的精确性和稳定性。同时，本发明提出的一种永磁同步直线电机的控制方法和控制系统无需采用结构复杂的观测器，只需要采用普通基础数学结构的观测器即可，无需采用高优化性高复杂度的观测器，能够有效降低电机控制过程中的计算量，进而降低计算响应时长，提高电机反馈闭环控制的响应速度。
另一方面，本发明提出的永磁同步直线电机的控制方法和控制系统克服了传统直线电机控制改进过程中只采用机械传感器或只采用观测器的技术偏见，以及为了降低检测误差针对观测器不断进行数学模型优化的技术偏见，同时采用机械传感器和无位置传感器电机控制领域中的观测器相结合，并且，采用最简化的观测器结构即可实现永磁直线电机的高精度和高稳定性控制。
附图说明
图1为本发明所述控制方法的流程图一；
图2为本发明所述控制方法的流程图二；
图3为本发明所述控制方法的流程图三；
图4为本发明所述控制系统的系统原理图；
图5为本发明所述位移误差校正补偿器的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提出了一种永磁同步直线电机的控制方法，如图1所示，所述控制方法包括：
S1、建立位移传感器与直线电机转子每个位置之间的对应关系，并通过所述位移传感器实时获取所述永磁同步直线电机的位置信息；所述位置传感器可以采用：电磁式位置传感器、磁敏式位置传感器和光电式位置传感器等类型的位移传感器，本实施例中可以采用光栅尺传感器作为位移传感器；
S2、利用观测器实时采集永磁同步直线电机控制系统输出的电气参数，并对所述电气参数进行测量解析获取所述永磁同步直线电机的位置信息；其中，所述观测器可以采用无位置传感器电机控制过程中常用的龙贝格观测器、滑膜观测器等类型的观测器；
S3、利用位移误差校正补偿器以所述观测器实时采集的位置信息为参考量对所述位置传感器实时采集的位置信息进行校正补偿，获得校正补偿后的位置信息；
S4、利用所述校正补偿后的位置信息通过速度计算获得所述永磁同步直线电机的实际速度，并利用所述实际速度与预先设定的速度参考值Vref的差值送入速度PI控制器中对所述永磁同步直线电机进行闭环控制。
上述技术方案的工作原理为：首先，建立位移传感器与直线电机转子每个位置之间的对应关系，并通过所述位移传感器实时获取所述永磁同步直线电机的位置信息；所述位置传感器可以采用：电磁式位置传感器、磁敏式位置传感器和光电式位置传感器等类型的位移传感器，本实施例中可以采用光栅尺传感器作为位移传感器。然后，利用观测器实时采集永磁同步直线电机控制系统输出的电气参数，并对所述电气参数进行测量解析获取所述永磁同步直线电机的位置信息；其中，所述观测器可以采用龙贝格观测器、滑膜观测器等类型的观测器；随后，利用位移误差校正补偿器以所述观测器实时采集的位置信息为参考量对所述位置传感器实时采集的位置信息进行校正补偿，获得校正补偿后的位置信息；最后，利用所述校正补偿后的位置信息通过速度计算获得所述永磁同步直线电机的实际速度，并利用所述实际速度与预先设定的速度参考值Vref的差值送入速度PI控制器中对所述永磁同步直线电机进行闭环控制。
在所述永磁同步直线电机控制过程中，基于SPWM控制方法为基础，利用CLARK变换和PARK变换结合PI控制器的双闭环反馈控制结构对直线电机进行基础控制。在接触控制过程中，通过观测器和位移传感器两个检测原理完全不同的位置信息检测模块对直线电机实时的位置信息进行采集获取，并利用位移误差校正补偿器以所述观测器实时采集的位置信息为参考量对所述位置传感器实时采集的位置信息进行校正补偿，获得无误差、精准度较高的直线电机实时位置信息。然后利用实时位置信息获取直线电机实际运行过程中的实际速度、转角速度和位置转角并发送至所述基于SPWM控制方法为基础，利用CLARK变换和PARK变换结合PI控制器的双闭环反馈控制结构中对所述直线电机实现闭环反馈控制。
上述技术方案的效果为：本实施例提出的一种永磁同步直线电机的控制方法，同时在一个直线电机控制系统中结合观测器和位置传感器两套位置信息采集系统，并根据不同的位置信息采集原理，利用观测器获得的位置信息对位置传感器获取的位置信息利用位移误差校正补偿器进行误差校正补偿，进而能够获得无误差且精确度较高的位置信息，有效提高永磁同步直线电机的位移数据采集的准确性，进而有效提高永磁同步直线电机控制及运行的精确性和稳定性。同时，本实施例提出的一种永磁同步直线电机的控制方法无需采用结构复杂的观测器，只需要采用普通基础数学结构的观测器即可，无需采用高优化性高复杂度的观测器，能够有效降低电机控制过程中的计算量，进而降低计算响应时长，提高电机反馈闭环控制的响应速度。
本发明的一个实施例，如图2所示，所述利用位移误差校正补偿器以所述观测器实时采集的位置信息为参考量对所述位置传感器实时采集的位置信息进行校正补偿，获得校正补偿后的位置信息，包括：
S301、利用所述观测器采集的所述永磁同步直线电机的位置信息建立位移偏差模型；其中，所述位移偏差模型如下：
w'＝wg-ew
其中，w表示位移变差模型，w’表示与w对应的微分函数；wg表示观测器检测出的电机转子位置信息，ew表示位移测量偏差。
S302、利用所述位移偏差模型建立所述位移误差校正补偿器的状态空间方程；
S303、基于所述状态方程的具体形式对所述位移误差校正补偿器的误差能观性能进行分析，并确定所述位移误差校正补偿器的极点；
S304、根据所述位移误差校正补偿器的极点和状态空间方程建立所述位移误差校正补偿器的模型；具体的：
S3041、利用所述状态空间方程中的状态转移矩阵A和观测矩阵C结合所述位移误差校正补偿器的特征多项式，计算获取所述位移误差校正补偿的反馈增益系数k1和k2；
S3041、利用所述位移误差校正补偿的反馈增益系数k1和k2结合所述位移偏差模型和状态向量X构建位移所述误差校正补偿器的模型结构，其中，所述位移误差校正补偿器的模型结构如下：
Figure BDA0003788490040000071
Yg＝CXg
其中，Xg表示所述误差校正补偿器的观测值，其与所述状态向量X对应；Yg表示所述输出向量Y对应的观测值。
S305、利用所述位移误差校正补偿器实时对所述位移传感器采集的位置信息存在的误差进行估计获取位移传感器偏差量；
S306、利用所述位移传感器偏差量对所述位移传感器获取的位置信息进行补偿校正，获得校正补偿后的位置信息；
S307、利用所述校正补偿后的位置信息计算获取电机转子的角速度ω和转子实际位置角度θ。
上述技术方案的工作原理为：首先，利用所述观测器采集的所述永磁同步直线电机的位置信息建立位移偏差模型；利用所述位移偏差模型建立所述位移误差校正补偿器的状态空间方程；基于所述状态方程的具体形式对所述位移误差校正补偿器的误差能观性能进行分析，并确定所述位移误差校正补偿器的极点；然后，根据所述位移误差校正补偿器的极点和状态空间方程建立所述位移误差校正补偿器的模型；利用所述位移误差校正补偿器实时对所述位移传感器采集的位置信息存在的误差进行估计获取位移传感器偏差量；利用所述位移传感器偏差量对所述位移传感器获取的位置信息进行补偿校正，获得校正补偿后的位置信息；最后，利用所述校正补偿后的位置信息计算获取电机转子的角速度ω和转子实际位置角度θ。
上述技术方案的效果为：本实施例中同时在一个直线电机控制系统中结合观测器和位置传感器两套位置信息采集系统，并根据不同的位置信息采集原理，利用观测器获得的位置信息对位置传感器获取的位置信息利用位移误差校正补偿器进行误差校正补偿，进而能够获得无误差且精确度较高的位置信息，有效提高永磁同步直线电机的位移数据采集的准确性，进而有效提高永磁同步直线电机控制及运行的精确性和稳定性。同时，无需采用结构复杂的观测器，只需要采用普通基础数学结构的观测器即可，无需采用高优化性高复杂度的观测器，能够有效降低电机控制过程中的计算量，进而降低计算响应时长，提高电机反馈闭环控制的响应速度。
本发明的一个实施例，利用所述位移偏差模型建立所述位移误差校正补偿器的状态空间方程，包括：
S3021、利用所述位移变差模型和位移测量偏差量确定所述位移误差校正补偿器的状态向量X；其中，X＝[w ew]T；
S3022、利用所述观测器检测出的电机转子位置信息作为所述位移误差校正补偿器的输入向量U；即，
Figure BDA0003788490040000082
；
S3023、利用所述状态向量X和输入向量U建立状态空间方程，其中，所述状态空间方程如下：
X'＝AX+BU
Y＝CX
其中，X表示状态空间方程；A表示状态转移矩阵；B表示输入矩阵；C表示观测矩阵；Y表示输出向量，并且，Y具体为所述位移传感器输出的实际测量值；
并且，所述状态空间方程中的状态转移矩阵、输入矩阵和观测矩阵如下：
Figure BDA0003788490040000081
其中，所述状态转移矩阵A的第二行第一列的元素数值的绝对值要与所述观测矩阵C的第一行第一列的元素数值的绝对值相同。
上述技术方案的工作原理为：首先，利用所述位移变差模型和位移测量偏差量确定所述位移误差校正补偿器的状态向量X；然后，利用所述观测器检测出的电机转子位置信息作为所述位移误差校正补偿器的输入向量；最后，利用所述状态向量X和输入向量U建立状态空间方程。
上述技术方案的效果为：本实施例通过上述所述位移误差校正补偿器的状态空间方程的建立工程和各系数矩阵的参数选择设置，能够有效提高位移误差校正补偿器对于位置传感器的位置偏差估计和观测能力，进而有效提高位置传感器的误差校正和补偿准确性和精确性。同时，通过上述方式能够有效降低所述位移误差校正补偿器的结构复杂度，进而最大程度降低所述位移误差校正补偿器的计算量，有效提高其误差补偿校正的响应速度和校正效率。
本发明的一个实施例，基于所述状态方程的具体形式对所述位移误差校正补偿器的误差能观性能进行分析，并确定所述位移误差校正补偿器的极点，包括：
S3031、利用状态转移矩阵A和观测矩阵C确定所述位移误差校正补偿器的能观性矩阵的行列式值；其中，所述能观性矩阵形式如下：
Figure BDA0003788490040000091
当所述状态空间方程中的状态转移矩阵、输入矩阵和观测矩阵如下时：
Figure BDA0003788490040000093
所述能观性矩阵QB＝4，也即，所述行列式值不为0，且，所述位移误差校正补偿器的状态空间方程具备误差观测性；
S3032、判断所述能观性矩阵的行列式值是否为0，如果行列式值不为0则表示所述位移误差校正补偿器的状态空间方程具备误差观测性；
S3033、当所述位移误差校正补偿器的状态空间方程具备误差观测性时，按照极点配置约束条件设置所述位移误差校正补偿器的极点。
具体的，所述极点配置约束条件如下：
0.58λ2<λ1≤1.52λ2，且λ1≠λ2
其中，λ1和λ2分别表示所述所述位移误差校正补偿器对应的两个极点，且，λ1和λ2均为整数。本实施例中，当所述状态空间方程中的状态转移矩阵、输入矩阵和观测矩阵如下时：
Figure BDA0003788490040000092
选取极点λ1和λ2分别对应为3和2。
上述技术方案的工作原理为：首先，利用状态转移矩阵A和观测矩阵C确定所述位移误差校正补偿器的能观性矩阵的行列式值；判断所述能观性矩阵的行列式值是否为0，如果行列式值不为0则表示所述位移误差校正补偿器的状态空间方程具备误差观测性；最后，当所述位移误差校正补偿器的状态空间方程具备误差观测性时，按照极点配置约束条件设置所述位移误差校正补偿器的极点。
上述技术方案的效果为：通过上述方式能够对位移误差校正补偿器的可观测性进行及时检测，提高位移误差校正补偿器的运行稳定性。同时，通过上述极点设置能够有效提高有效提高位移误差校正补偿器对于位置传感器的位置偏差估计和观测能力，进而有效提高位置传感器的误差校正和补偿准确性和精确性。另一方面，由于所述通过上述位移误差校正补偿器的极点根据位移误差校正补偿器的结构以及位移传感器采用的实际类型进行变化设置，因此，在位移误差校正补偿器设计过程中，极点的确定直接影响到位移误差校正补偿器构建速度以及位移误差校正补偿器的补偿精准性，因此，通过上述配置约束条件进行极点设置既能够有效提高位移误差校正补偿器对位置传感器的误差校正和补偿准确性及精确性，同时，又能够有效提高最优极点获取的效率、速度和极点配置与位移误差校正补偿器针对实际位置传感器的匹配性。
本发明的一个实施例，如图3所示，所述计算获取所述位移误差校正补偿器的反馈增益系数k1和k2包括：
步骤1、提取所述位移误差校正补偿器的特征多项式，其中，所述特征多项式如下：
Figure BDA0003788490040000101
其中，λ1和λ2分别表示所述所述位移误差校正补偿器对应的两个极点，I表示单位矩阵；
步骤2、对所述特征多项式进行整理获取增益系数确定方程，其中，所述增益系数确定方程如下：
Figure BDA0003788490040000102
步骤3、提取通过极点配置约束条件设置所述位移误差校正补偿器的极点，并利用所述极点结合所述增益系数确定方程计算获取反馈增益系数k1和k2。
本实施例中，当所述位移误差校正补偿器对应的两个极点λ1和λ2分别对应选取为3和2时，求解反馈增益系数k1和k2分别对应为2.5和2。
上述技术方案的工作原理和效果为：首先，提取所述位移误差校正补偿器的特征多项式；然后，对所述特征多项式进行整理获取增益系数确定方程。通过上述方式和对应参数设置能够有效提高位移误差校正补偿器的运行稳定性。同时，通过上述极点设置能够有效提高有效提高位移误差校正补偿器对于位置传感器的位置偏差估计和观测能力，进而有效提高位置传感器的误差校正和补偿准确性和精确性。
本发明实施例提出了一种永磁同步直线电机的控制系统，如图4所示，所述控制系统包括三项逆变桥模块、SPWM模块、CLARK变换器、第一PARK变换器、第二PARK变换器、位移传感器、观测器、位移误差校正补偿器、速度计算模块、速度PI控制器和电流PI控制器；所述位移传感器的传感信号输入端与所述永磁同步直线电机的位置信息信号输出端对应；所述观测器的电气参数信号输入端电与所述第一PARK变换器的电气参数信号输出端以及所述第二PARK变换器的电气参数信号输入端相连；所述位移误差校正补偿器的信号输入端分别与所述位移传感器和观测器的检测信号输出端相连；所述位移误差校正补偿器的信号输出端分别与所述速度计算模块、第一PARK变换器和第二PARK变换器的信号输入端相连；所述速度计算模块的速度信号输出端与所述速度PI控制器的速度信号输入端相连；所述第二PARK变换器的电气参数信号输出端与所述电流PI控制器的电气信号输入端相连。
上述技术方案的工作原理为：首先，建立位移传感器与直线电机转子每个位置之间的对应关系，并通过所述位移传感器实时获取所述永磁同步直线电机的位置信息；所述位置传感器可以采用：电磁式位置传感器、磁敏式位置传感器和光电式位置传感器等类型的位移传感器，本实施例中可以采用光栅尺传感器作为位移传感器。然后，利用观测器实时采集永磁同步直线电机控制系统输出的电气参数，并对所述电气参数进行测量解析获取所述永磁同步直线电机的位置信息；其中，所述观测器可以采用龙贝格观测器、滑膜观测器等类型的观测器；随后，利用位移误差校正补偿器以所述观测器实时采集的位置信息为参考量对所述位置传感器实时采集的位置信息进行校正补偿，获得校正补偿后的位置信息；最后，利用所述校正补偿后的位置信息通过速度计算获得所述永磁同步直线电机的实际速度，并利用所述实际速度与预先设定的速度参考值Vref的差值送入速度PI控制器中对所述永磁同步直线电机进行闭环控制。
在所述永磁同步直线电机控制过程中，基于SPWM控制方法为基础，利用CLARK变换和PARK变换结合PI控制器的双闭环反馈控制结构对直线电机进行基础控制。在接触控制过程中，通过观测器和位移传感器两个检测原理完全不同的位置信息检测模块对直线电机实时的位置信息进行采集获取，并利用位移误差校正补偿器以所述观测器实时采集的位置信息为参考量对所述位置传感器实时采集的位置信息进行校正补偿，获得无误差、精准度较高的直线电机实时位置信息。然后利用实时位置信息获取直线电机实际运行过程中的实际速度、转角速度和位置转角并发送至所述基于SPWM控制方法为基础，利用CLARK变换和PARK变换结合PI控制器的双闭环反馈控制结构中对所述直线电机实现闭环反馈控制。
上述技术方案的效果为：本实施例提出的一种永磁同步直线电机的控制系统，同时在一个直线电机控制系统中结合观测器和位置传感器两套位置信息采集系统，并根据不同的位置信息采集原理，利用观测器获得的位置信息对位置传感器获取的位置信息利用位移误差校正补偿器进行误差校正补偿，进而能够获得无误差且精确度较高的位置信息，有效提高永磁同步直线电机的位移数据采集的准确性，进而有效提高永磁同步直线电机控制及运行的精确性和稳定性。同时，本实施例提出的一种永磁同步直线电机的控制系统无需采用结构复杂的观测器，只需要采用普通基础数学结构的观测器即可，无需采用高优化性高复杂度的观测器，能够有效降低电机控制过程中的计算量，进而降低计算响应时长，提高电机反馈闭环控制的响应速度。
本发明的一个实施例，如图5所示，所述位移误差校正补偿器包括：
位移偏差模型构建模块，用于利用所述观测器采集的所述永磁同步直线电机的位置信息建立位移偏差模型；
状态空间方程建立模块，用于利用所述位移偏差模型建立所述位移误差校正补偿器的状态空间方程；
极点设置模块，用于基于所述状态方程的具体形式对所述位移误差校正补偿器的误差能观性能进行分析，并确定所述位移误差校正补偿器的极点；
模型构建模块，用于根据所述位移误差校正补偿器的极点和状态空间方程建立所述位移误差校正补偿器的模型；
偏差量确定模块，用于利用所述位移误差校正补偿器实时对所述位移传感器采集的位置信息存在的误差进行估计获取位移传感器偏差量；
位置信息补偿模块，用于利用所述位移传感器偏差量对所述位移传感器获取的位置信息进行补偿校正，获得校正补偿后的位置信息；
参数计算模块，用于利用所述校正补偿后的位置信息计算获取电机转子的角速度ω和转子实际位置角度θ，并发送给所述第一PARK变换器和第二PARK变换器。
上述技术方案的工作原理为：首先，通过位移偏差模型构建模块利用所述观测器采集的所述永磁同步直线电机的位置信息建立位移偏差模型；然后，通过状态空间方程建立模块，利用所述位移偏差模型建立所述位移误差校正补偿器的状态空间方程；随后，利用极点设置模块基于所述状态方程的具体形式对所述位移误差校正补偿器的误差能观性能进行分析，并确定所述位移误差校正补偿器的极点；之后，采用模型构建模块根据所述位移误差校正补偿器的极点和状态空间方程建立所述位移误差校正补偿器的模型；随后，通过偏差量确定模块利用所述位移误差校正补偿器实时对所述位移传感器采集的位置信息存在的误差进行估计获取位移传感器偏差量；并采用位置信息补偿模块利用所述位移传感器偏差量对所述位移传感器获取的位置信息进行补偿校正，获得校正补偿后的位置信息；最后，通过参数计算模块，利用所述校正补偿后的位置信息计算获取电机转子的角速度ω和转子实际位置角度θ，并发送给所述第一PARK变换器和第二PARK变换器。
其中，位移偏差模型构建模块所建立的建立位移偏差模型如下：
w'＝wg-ew
其中，w表示位移变差模型，w’表示与w对应的微分函数；wg表示观测器检测出的电机转子位置信息，ew表示位移测量偏差。
所述状态空间方程建立模块的运行过程包括：
S3021、利用所述位移变差模型和位移测量偏差量确定所述位移误差校正补偿器的状态向量X；其中，X＝[w ew]T；
S3022、利用所述观测器检测出的电机转子位置信息作为所述位移误差校正补偿器的输入向量U；即，
Figure BDA0003788490040000134
；
S3023、利用所述状态向量X和输入向量U建立状态空间方程，其中，所述状态空间方程如下：
X'＝AX+BU
Y＝CX
其中，X表示状态空间方程；A表示状态转移矩阵；B表示输入矩阵；C表示观测矩阵；Y表示输出向量，并且，Y具体为所述位移传感器输出的实际测量值；
并且，所述状态空间方程中的状态转移矩阵、输入矩阵和观测矩阵如下：
Figure BDA0003788490040000131
其中，所述状态转移矩阵A的第二行第一列的元素数值的绝对值要与所述观测矩阵C的第一行第一列的元素数值的绝对值相同。
所述极点设置模块的运行过程包括：
S3031、利用状态转移矩阵A和观测矩阵C确定所述位移误差校正补偿器的能观性矩阵的行列式值；其中，所述能观性矩阵形式如下：
Figure BDA0003788490040000132
当所述状态空间方程中的状态转移矩阵、输入矩阵和观测矩阵如下时：
Figure BDA0003788490040000133
所述能观性矩阵QB＝4，也即，所述行列式值不为0，且，所述位移误差校正补偿器的状态空间方程具备误差观测性；
S3032、判断所述能观性矩阵的行列式值是否为0，如果行列式值不为0则表示所述位移误差校正补偿器的状态空间方程具备误差观测性；
S3033、当所述位移误差校正补偿器的状态空间方程具备误差观测性时，按照极点配置约束条件设置所述位移误差校正补偿器的极点。
具体的，所述极点配置约束条件如下：
0.58λ2<λ1≤1.52λ2，且λ1≠λ2
其中，λ1和λ2分别表示所述所述位移误差校正补偿器对应的两个极点，且，λ1和λ2均为整数。本实施例中，当所述状态空间方程中的状态转移矩阵、输入矩阵和观测矩阵如下时：
Figure BDA0003788490040000141
选取极点λ1和λ2分别对应为3和2。
所述模型构建模块的运行过程包括：
S3041、利用所述状态空间方程中的状态转移矩阵A和观测矩阵C结合所述位移误差校正补偿器的特征多项式，计算获取所述位移误差校正补偿的反馈增益系数k1和k2；
S3041、利用所述位移误差校正补偿的反馈增益系数k1和k2结合所述位移偏差模型和状态向量X构建位移所述误差校正补偿器的模型结构，其中，所述位移误差校正补偿器的模型结构如下：
Figure BDA0003788490040000142
Yg＝CXg
其中，Xg表示所述误差校正补偿器的观测值，其与所述状态向量X对应；Yg表示所述输出向量Y对应的观测值。
具体的，所述计算获取所述位移误差校正补偿器的反馈增益系数k1和k2的过程包括：
步骤1、提取所述位移误差校正补偿器的特征多项式，其中，所述特征多项式如下：
Figure BDA0003788490040000143
其中，λ1和λ2分别表示所述所述位移误差校正补偿器对应的两个极点，I表示单位矩阵；
步骤2、对所述特征多项式进行整理获取增益系数确定方程，其中，所述增益系数确定方程如下：
Figure BDA0003788490040000151
步骤3、提取通过极点配置约束条件设置所述位移误差校正补偿器的极点，并利用所述极点结合所述增益系数确定方程计算获取反馈增益系数k1和k2。
本实施例中，当所述位移误差校正补偿器对应的两个极点λ1和λ2分别对应选取为3和2时，求解反馈增益系数k1和k2分别对应为2.5和2。
上述技术方案的效果为：本实施例中同时在一个直线电机控制系统中结合观测器和位置传感器两套位置信息采集系统，并根据不同的位置信息采集原理，利用观测器获得的位置信息对位置传感器获取的位置信息利用位移误差校正补偿器进行误差校正补偿，进而能够获得无误差且精确度较高的位置信息，有效提高永磁同步直线电机的位移数据采集的准确性，进而有效提高永磁同步直线电机控制及运行的精确性和稳定性。同时，无需采用结构复杂的观测器，只需要采用普通基础数学结构的观测器即可，无需采用高优化性高复杂度的观测器，能够有效降低电机控制过程中的计算量，进而降低计算响应时长，提高电机反馈闭环控制的响应速度。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种永磁同步直线电机的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
建立位移传感器与直线电机转子每个位置之间的对应关系，并通过所述位移传感器实时获取所述永磁同步直线电机的位置信息；
利用观测器实时采集永磁同步直线电机控制系统输出的电气参数，并对所述电气参数进行测量解析获取所述永磁同步直线电机的位置信息；
利用位移误差校正补偿器以所述观测器实时采集的位置信息为参考量对所述位置传感器实时采集的位置信息进行校正补偿，获得校正补偿后的位置信息；
利用所述校正补偿后的位置信息通过速度计算获得所述永磁同步直线电机的实际速度，并利用所述实际速度与预先设定的速度参考值Vref的差值送入速度PI控制器中对所述永磁同步直线电机进行闭环控制。
2.根据权利要求1所述永磁同步直线电机控制方法，其特征在于，所述利用位移误差校正补偿器以所述观测器实时采集的位置信息为参考量对所述位置传感器实时采集的位置信息进行校正补偿，获得校正补偿后的位置信息，包括：
利用所述观测器采集的所述永磁同步直线电机的位置信息建立位移偏差模型；
利用所述位移偏差模型建立所述位移误差校正补偿器的状态空间方程；
基于所述状态方程的具体形式对所述位移误差校正补偿器的误差能观性能进行分析，并确定所述位移误差校正补偿器的极点；
根据所述位移误差校正补偿器的极点和状态空间方程建立所述位移误差校正补偿器的模型；
利用所述位移误差校正补偿器实时对所述位移传感器采集的位置信息存在的误差进行估计获取位移传感器偏差量；
利用所述位移传感器偏差量对所述位移传感器获取的位置信息进行补偿校正，获得校正补偿后的位置信息；
利用所述校正补偿后的位置信息计算获取电机转子的角速度ω和转子实际位置角度θ。
3.根据权利要求2所述永磁同步直线电机控制方法，其特征在于，所述位移偏差模型如下：
w′＝wg-ew
其中，w表示位移变差模型，w’表示与w对应的微分函数；wg表示观测器检测出的电机转子位置信息，ew表示位移测量偏差。
4.根据权利要求2所述永磁同步直线电机控制方法，其特征在于，利用所述位移偏差模型建立所述位移误差校正补偿器的状态空间方程，包括：
利用所述位移变差模型和位移测量偏差量确定所述位移误差校正补偿器的状态向量X；其中，X＝[w ew]T；
利用所述观测器检测出的电机转子位置信息作为所述位移误差校正补偿器的输入向量U；即，
Figure RE-FDA0003896862880000022
利用所述状态向量X和输入向量U建立状态空间方程，其中，所述状态空间方程如下：
X'＝AX+BU
Y＝CX
其中，X表示状态空间方程；A表示状态转移矩阵；B表示输入矩阵；C表示观测矩阵；Y表示输出向量；
所述状态转移矩阵A的第二行第一列的元素数值的绝对值要与所述观测矩阵C的第一行第一列的元素数值的绝对值相同。
5.根据权利要求2所述永磁同步直线电机控制方法，其特征在于，基于所述状态方程的具体形式对所述位移误差校正补偿器的误差能观性能进行分析，并确定所述位移误差校正补偿器的极点，包括：
利用状态转移矩阵A和观测矩阵C确定所述位移误差校正补偿器的能观性矩阵的行列式值；其中，所述能观性矩阵形式如下：
Figure RE-FDA0003896862880000021
判断所述能观性矩阵的行列式值是否为0，如果行列式值不为0则表示所述位移误差校正补偿器的状态空间方程具备误差观测性；
当所述位移误差校正补偿器的状态空间方程具备误差观测性时，按照极点配置约束条件设置所述位移误差校正补偿器的极点。
6.根据权利要求5所述永磁同步直线电机控制方法，其特征在于，所述极点配置约束条件如下：
0.58λ2<λ1≤1.52λ2，且λ1≠λ2
其中，λ1和λ2分别表示所述所述位移误差校正补偿器对应的两个极点，且，λ1和λ2均为整数。
7.根据权利要求2所述永磁同步直线电机控制方法，其特征在于，根据所述位移误差校正补偿器的极点和状态空间方程建立所述位移误差校正补偿器的模型，包括：
利用所述状态空间方程中的状态转移矩阵A和观测矩阵C结合所述位移误差校正补偿器的特征多项式，计算获取所述位移误差校正补偿的反馈增益系数k1和k2；
利用所述位移误差校正补偿的反馈增益系数k1和k2结合所述位移偏差模型和状态向量X构建位移所述误差校正补偿器的模型结构，其中，所述位移误差校正补偿器的模型结构如下：
Figure RE-FDA0003896862880000031
Yg＝CXg
其中，Xg表示所述误差校正补偿器的观测值，其与所述状态向量X对应；Yg表示所述输出向量Y对应的观测值。
8.根据权利要求7所述永磁同步直线电机控制方法，其特征在于，所述计算获取所述位移误差校正补偿器的反馈增益系数k1和k2包括：
步骤1、提取所述位移误差校正补偿器的特征多项式，其中，所述特征多项式如下：
Figure RE-FDA0003896862880000032
其中，λ1和λ2分别表示所述所述位移误差校正补偿器对应的两个极点，I表示单位矩阵；
步骤2、对所述特征多项式进行整理获取增益系数确定方程，其中，所述增益系数确定方程如下：
Figure RE-FDA0003896862880000033
步骤3、提取通过极点配置约束条件设置所述位移误差校正补偿器的极点，并利用所述极点结合所述增益系数确定方程计算获取反馈增益系数k1和k2。
9.一种永磁同步直线电机的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括三项逆变桥模块、SPWM模块、CLARK变换器、第一PARK变换器、第二PARK变换器、位移传感器、观测器、位移误差校正补偿器、速度计算模块、速度PI控制器和电流PI控制器；所述位移传感器的传感信号输入端与所述永磁同步直线电机的位置信息信号输出端对应；所述观测器的电气参数信号输入端电与所述第一PARK变换器的电气参数信号输出端以及所述第二PARK变换器的电气参数信号输入端相连；所述位移误差校正补偿器的信号输入端分别与所述位移传感器和观测器的检测信号输出端相连；所述位移误差校正补偿器的信号输出端分别与所述速度计算模块、第一PARK变换器和第二PARK变换器的信号输入端相连；所述速度计算模块的速度信号输出端与所述速度PI控制器的速度信号输入端相连；所述第二PARK变换器的电气参数信号输出端与所述电流PI控制器的电气信号输入端相连。
10.根据权利要求9所述永磁同步直线电机控制系统，其特征在于，所述位移误差校正补偿器包括：
位移偏差模型构建模块，用于利用所述观测器采集的所述永磁同步直线电机的位置信息建立位移偏差模型；
状态空间方程建立模块，用于利用所述位移偏差模型建立所述位移误差校正补偿器的状态空间方程；
极点设置模块，用于基于所述状态方程的具体形式对所述位移误差校正补偿器的误差能观性能进行分析，并确定所述位移误差校正补偿器的极点；
模型构建模块，用于根据所述位移误差校正补偿器的极点和状态空间方程建立所述位移误差校正补偿器的模型；
偏差量确定模块，用于利用所述位移误差校正补偿器实时对所述位移传感器采集的位置信息存在的误差进行估计获取位移传感器偏差量；
位置信息补偿模块，用于利用所述位移传感器偏差量对所述位移传感器获取的位置信息进行补偿校正，获得校正补偿后的位置信息；
参数计算模块，用于利用所述校正补偿后的位置信息计算获取电机转子的角速度ω和转子实际位置角度θ，并发送给所述第一PARK变换器和第二PARK变换器。
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