CN201854242U - 直线电机伺服系统能耗-时间最优控制系统 - Google Patents

直线电机伺服系统能耗-时间最优控制系统 Download PDF

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崔皆凡
邢丰
李林
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Abstract

直线电机伺服系统能耗-时间最优控制系统，包括速度调节模块连接能耗-时间最优控制模块，能耗-时间最优控制模块连接推力滞环比较模块，推力滞环比较模块和磁链滞环比较模块连接空间电压矢量选择模块，空间电压矢量选择模块连接逆变器，逆变器连接直线电机和磁链推力估算模块，磁链推力估算模块连接空间电压矢量选择模块、推力滞环比较模块、磁链滞环比较模块和能耗-时间最优控制模块，直线电机光栅尺连接速度调节模块和能耗-时间最优控制模块。本实用新型提供一种直线电机伺服系统能耗-时间最优控制系统，以减少直线电机驱动系统在短时间内快速起停的能量消耗。

Description

直线电机伺服系统能耗-时间最优控制系统 
技术领域
本实用新型属于伺服系统及自动控制领域，尤其指直线电机伺服系统能耗-时间的最优控制。 
背景技术
随着工业生产不断发展，能源日趋紧张，节能已成为经济和社会发展的一项长远战略目标。采用直线电机直接驱动的伺服系统省略了机械速度变换机构，具有结构简单、噪声低、速度快、效率高、组合灵活等优点，在高速精密机床、激光机械、工业机器人及各种需要直线运动的机械装置中有广泛应用前景。 
在工业自动化领域中，直线伺服电动机在工业机器人、机床及各种需要直线运动的机械装置中都有应用。在许多场合下直线电机为满足生产工艺的要求，在一个固定行程中做高速往复运动，甚至是高速往复起停运动，当直线电机运行在这种工况时消耗大量的能耗。寻求一种能耗优化控制来减少直线电机控制过程中能量消耗是有着现实意义的。但是单纯以节省能耗为目的的最少能耗控制，往往会导致控制过程响应时间过长或出现奇异情况，在实际工程中难以应用。 
发明内容
本实用新型提供一种直线电机伺服系统能耗-时间最优控制系统，以减少直线电机驱动系统在短时间内快速起停的能量消耗。 
本实用新型是通过以下技术方案实施的： 
直线电机伺服系统能耗-时间最优控制系统，其特征在于：所述系统包括速度调节模块的信号输出端连接能耗-时间最优控制模块的信号输入端，能耗-时间最优控制模块的信号输出端连接推力滞环比较模块的信号输入端，推力滞环比较模块和磁链滞环比较模块的信号输出端分别连接空间电压矢量选择模块的信号输入端，空间电压矢量选择模块的信号输出端连接逆变器的信号输入端，逆变器信号输出端分别连接直线电机和磁链推力估算模块的信号输入端，直线电机信号输出端连接磁链推力估算模块的信号输入端，磁链推力估算模块的信号输出端分别连接空间电压矢量选择模块的信号输入端、推力滞环比较模块的信号输入端、磁链滞环比较模块的信号输入端和能耗-时间最优控制模块的信号输入端，直线电机光栅尺的信号输出端分别连接速度调节模块的信号输入端和能耗-时间最优控制模块的信号输入端。
在许多加工和生产过程中，为充分利用有效工作行程，要求直线伺服系统在极短的时间内达到给定的速度，并能在高速运行状态下实现高速准停；或者要求直线电机做快速的往复运动,甚至是高速往复起停运动，当直线电机运行在这些工况时能耗很大。本发明综合考虑伺服系统在满足进给精度情况下瞬时达到设定的高速状态，并在高速状态下短时间内快速准停，同时寻找一种能耗优化控制方法减少直线电机驱动系统的能量消耗，实现系统快速响应过程中达到节能及提高生产效率的目的。快速低能耗的综合控制方法在高频往复式直线运动机构中效率的提升尤为明显，适宜推广应用。 
附图说明：
图1为直线电机运动简图；
图2为能耗—时间的最优轨迹；
图3为直线电机伺服系统能耗—时间最优控制系统框图。
具体实施方式：
直线电机驱动系统的进给过程分为三个阶段：快速起动、快速进给、精确定位。为了提高直线电机的起动性能和缩短起动时间，并且在精确定位阶段能有很高的定位精度，本发明中直线电机控制方式采用直接推力控制，在控制过程中拥有更快的动态响应性能。
下面结合附图对本实用新型进行详细说明。 
图1为直线电机运动简图，如图所示，1为动子，2为定子。 
（1）直线电机的运动模型和约束条件： 
根据牛顿第二定律导出直线伺服系统的运动模型，建立直线电机运动的最优化问题的数学模型，x(t)表示直线电机动子距目标点的行程，u(t)为直线电机产生的推力，F l 为等效的综合作用在动子上的负载阻力。直线电机的动力学方程为
Figure 791476DEST_PATH_IMAGE001
                           （1）
根据直线电机的工况确定变量，设位移变量为
Figure 805699DEST_PATH_IMAGE002
，速度变量为
Figure 800764DEST_PATH_IMAGE003
，推力变量
Figure 191425DEST_PATH_IMAGE004
，根据直线电机运动过程列出约束条件，设初始条件为
Figure 724168DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 971610DEST_PATH_IMAGE006
；终端条件为
Figure 914771DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 843544DEST_PATH_IMAGE008
。其中
Figure 496373DEST_PATH_IMAGE009
就是直线电机动子运动到达目标点的时间。在整个控制过程中，电机所能够产生的推力必然受到最大推力K的约束，则由于直线电机的推力必小于等于某一数值所以有不等式约束条件：
Figure 852399DEST_PATH_IMAGE010
                                （2）
为了将运动方程化为状态方程的形式，令
Figure 345173DEST_PATH_IMAGE011
， 
Figure 749741DEST_PATH_IMAGE012
，于是可得到
Figure 319393DEST_PATH_IMAGE013
                      （3）
终端条件为
Figure 174217DEST_PATH_IMAGE014
                           （4）  
根据所要优化的直线电机的项目来确定性能指标公式：
                                      （5）
由于这里采用的是能耗—时间最优控制，在性能指标中施加了
Figure 34649DEST_PATH_IMAGE016
，>0称加权系数，它体现设计者对响应时间的重视程度。
（2）最优能耗—时间轨迹： 
应用最小值原理，构建系统的哈密尔顿函数为：
Figure 484533DEST_PATH_IMAGE018
         （6）
     为使H函数全局最小，最优控制为
Figure 624003DEST_PATH_IMAGE019
                              （7）                       
为了确定，必须求解有协态方程可得
            
Figure 672096DEST_PATH_IMAGE022
                            （8）
求解方程(8)得
Figure 301792DEST_PATH_IMAGE023
                                  （9）
式中，
Figure 911240DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 247675DEST_PATH_IMAGE025
由初始条件决定的常量。 
    由于H函数不显含时间
Figure 490569DEST_PATH_IMAGE026
，且
Figure 604631DEST_PATH_IMAGE009
自由，所以沿最优轨迹H函数等于零，则有 
Figure 755120DEST_PATH_IMAGE027
           （10）
    可以证明，本系统是平凡系统。这是因为，如果系统为奇异系统，则
Figure 273957DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure 484490DEST_PATH_IMAGE029
。此时，由公式（7）可得
  
Figure 984652DEST_PATH_IMAGE030
                            （11）                     
这里，
Figure 938833DEST_PATH_IMAGE031
为任意不恒等于零的非负分段连续函数。将式（9）和公式（11）带入公式（10）中，则有
            
Figure 312176DEST_PATH_IMAGE032
                    （12）
公式（10）和公式（12）相矛盾，因此，系统是平凡的，可得最优控制必是三位控制，在-1，0，1之间最多只能进行两次切换。
（3）直线电机能耗-时间伺服最优控制系统设计： 
对所建立的数学模型求取其协调方程如下式：
求取状态方程如下式：
  
Figure 844581DEST_PATH_IMAGE034
式中，
Figure 477819DEST_PATH_IMAGE035
为最优控制；为最优轨线。
通过对协调方程和状态方程的求解，得出能耗—时间最优控制规律和最优轨迹曲线。曲线见图2。在图2中直线电机的位置起点为点a（a1,a2），要实现直线伺服系统速度最优控制就必须使
Figure 396020DEST_PATH_IMAGE037
或者
Figure 709321DEST_PATH_IMAGE038
，附图2中右平面以
Figure 940058DEST_PATH_IMAGE038
为例进行控制。当运行到与附图2中虚线β-时切换到电机推力的控制状态沿轨迹中cb段运行，当与曲线l+ 有焦点时立即切换到沿l+ 曲线的运行状态，加反向推力而迅速停车，直到0点。 
图3为直线电机伺服系统能耗—时间最优控制系统框图，如图所示，n*-给定速度，n-反馈速度；x-位置检测；F*-参考推力，F-实际推力；ψ*-参考磁链，ψ-实际磁链；θ-磁链扇区角。给定速度V*和反馈的实际速度V之差经过速度调节模块送往能耗—时间最优控制模块，能耗—时间控制模块用以判断当前直线电机运行状态是否到达最优开关转换点。根据判断的结果得到给定推力F*。将电压、电流进行三相到两相坐标变换，根据公式
Figure 276809DEST_PATH_IMAGE040
估算推力，当工作在能耗—时间最优控制模式时，推力的给定值要么最大，要么最小，要么为零。根据公式
Figure 77406DEST_PATH_IMAGE041
。扇区估算采用公式
Figure 174150DEST_PATH_IMAGE042
  和
Figure 111014DEST_PATH_IMAGE043
。能耗-时间最优控制模块的信号输出端连接推力滞环比较模块的信号输入端，推力滞环比较模块和磁链滞环比较模块的信号输出端分别连接空间电压矢量选择模块的信号输入端，推力滞环比较模块和磁链滞环比较模块用以判断推力和磁链的反馈值与实际值是否超出某一限定范围，结合磁链所在扇区θ来选择空间电压矢量。空间电压矢量选择模块的信号输出端连接逆变器的信号输入端，逆变器给直线电机施加所需要的控制电压。逆变器信号输出端分别连接直线电机和磁链推力估算模块的信号输入端，直线电机信号输出端连接磁链推力估算模块的信号输入端，磁链推力估算模块的信号输出端分别连接空间电压矢量选择模块的信号输入端、推力滞环比较模块的信号输入端、磁链滞环比较模块的信号输入端和能耗-时间最优控制模块的信号输入端，直线电机光栅尺的信号输出端分别连接速度调节模块的信号输入端和能耗-时间最优控制模块的信号输入端。直线电机运行状态信号经过光栅尺检测和采集并送往需要反馈的环节，进而实现直线电机伺服系统能耗—时间最优控制。 

Claims (1)

1.直线电机伺服系统能耗-时间最优控制系统，其特征在于：所述系统包括速度调节模块的信号输出端连接能耗-时间最优控制模块的信号输入端，能耗-时间最优控制模块的信号输出端连接推力滞环比较模块的信号输入端，推力滞环比较模块和磁链滞环比较模块的信号输出端分别连接空间电压矢量选择模块的信号输入端，空间电压矢量选择模块的信号输出端连接逆变器的信号输入端，逆变器信号输出端分别连接直线电机和磁链推力估算模块的信号输入端，直线电机信号输出端连接磁链推力估算模块的信号输入端，磁链推力估算模块的信号输出端分别连接空间电压矢量选择模块的信号输入端、推力滞环比较模块的信号输入端、磁链滞环比较模块的信号输入端和能耗-时间最优控制模块的信号输入端，直线电机光栅尺的信号输出端分别连接速度调节模块的信号输入端和能耗-时间最优控制模块的信号输入端。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN101977014A (zh) * 2010-11-28 2011-02-16 沈阳工业大学 直线电机伺服系统能耗-时间最优控制方法及所建立系统
CN107272409A (zh) * 2017-07-04 2017-10-20 浙江理工大学 一种基于迭代学习的直线伺服系统振动抑制方法

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