CN204761356U - 永磁直线同步电机的自适应二阶终端滑模控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自适应二阶终端滑模控制系统，该系统包括主电路、控制电路和控制对象三部分；控制电路包括DSP、位置和速度检测电路、电流检测电路、光耦隔离电路、驱动电路及故障检测和保护电路；主电路包括调压电路、整流滤波单元和IPM逆变单元；控制对象为三相永磁直线同步电机，机身装有光栅尺。本实用新型实现了系统的快速响应，在提高系统的鲁棒性的同时，有效削弱了系统的抖振。

Description

永磁直线同步电机的自适应二阶终端滑模控制系统

技术领域

本实用新型属于数控技术领域，特别涉及一种永磁直线同步电机的自适应二阶终端滑模控制系统。

背景技术

数控技术是用数字信对控制对象的机械运动过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造产业的渗透形成的机电一体化产品。现代数控机床与早期的数控机床最根本的区别在于其加工速度和加工精度发生了巨大变化，分别提高了近千倍。由于高速度、高精度加工技术能极大地提高加工速率、提高产品的质量和档次、提高市场竞争力，因而，以高速切削、高速进给和高加工精度为主要特征的高速切削技术已成为现代数控加工技术的重要发展趋势之一。

长期以来，数控机床的进给系统主要是“旋转电机+滚珠丝杠”，这种伺服形式结构复杂，且存在传动间隙及弹性变形等造成运动滞后和其它非线性误差等一系列问题，难以获得很高的加速度和定位精度。采用PMLSM的直接驱动技术在一定程度上解决了上述问题，它消除了机械传动机构所带来的不良影响，在高精度、高速响应、微进给伺服系统应用中具有非常大的优势。但是，由于直线电动机直接驱动负载，系统的参数摄动、负载扰动等不确定因素将毫无衰减地直接反映到直线电机的动子上，使系统对负载扰动和参数变化都很敏感,所以要求系统具有较强的鲁棒性，这对直线电机控制器提出了更高的要求。

学者们提出了一些控制方法，如采用鲁棒控制理论设计控制器，可使系统具有很好的鲁棒性，但具有一定的保守性；采用自适应控制理论设计控制器，可以有效克服参数变化对系统的影响，但在参数变化较快、外部干扰频率高的情况下则效果不佳。采用滑模变结构控制理论设计控制器，具有鲁棒性强、实现简单的优点，然而由于其控制作用的不连续性会导致抖振现象。采用终端滑模控制理论设计控制器，改善了系统的收敛特性，但存在奇异性问题。

发明内容

发明目的

针对现有控制技术中存在的不足，本实用新型提供了一种永磁直线同步电机的自适应二阶终端滑模控制系统，将二阶滑模控制、终端滑模控制与自适应控制方案相结合，最终实现本实用新型的目的即实现系统的快速响应，提高系统的鲁棒性。

技术方案

一种永磁直线同步电机的自适应二阶终端滑模控制系统，其特征在于：该系统包括主电路、控制电路和控制对象三部分；控制电路包括DSP、位置和速度检测电路、电流检测电路、光耦隔离电路、驱动电路及故障检测和保护电路；DSP的QEP端口连接位置和速度检测电路，DSP的ADC端口连接电流检测电路，DSP的PWM端口和PDPINT端口连接光耦隔离电路，光耦隔离电路连接驱动电路和故障检测和保护电路，驱动电路连接主电路；主电路包括调压电路、整流滤波单元和IPM逆变单元；控制对象为三相永磁直线同步电机，机身装有光栅尺；调压电路连接整流滤波单元，整流滤波单元连接IPM逆变单元，IPM逆变单元连接三相永磁直线同步电机。

DSP的SCI端口连接上位机，DSP的SPI端口连接显示电路，DSP的GPIO端口连接I/O接口电路；故障检测和保护电路连接控制电源。

DSP采用TMS320F28335处理器。

优点及效果

本实用新型是一种永磁直线同步电机的自适应二阶终端滑模控制系统，具有以下优点：

针对永磁直线同步电机(PMLSM)伺服系统，本实用新型提出一种永磁直线同步电机的自适应二阶终端滑模控制系统。在设计上解决了原有终端滑模控制存在奇异性的问题。利用二阶滑模的超螺旋控制律，将系统的不连续控制作用在滑模变量的高阶微分上，从而削弱了系统抖振。引入自适应控制对超螺旋算法的控制增益进行动态调节，以克服控制增益需不确定性的界来确定的局限性，进而提高系统的控制性能，最终实现本实用新型的目的即提高系统的鲁棒性，削弱系统的抖振。

附图说明

图1为本实用新型自适应二阶终端滑模控制器系统框图。

图2为实现本实用新型的硬件控制系统原理图。

图3(a)电机控制系统主电路原理图。

图3(b)A、B相电流采样电路原理图。

图3(c)光栅尺信号采样电路原理图。

图3(d)驱动电路原理图。

具体实施方式

针对永磁直线同步电机(PMLSM)伺服系统易受参数变化和负载扰动等不确定因素影响，本实用新型提供了一种永磁直线同步电机的自适应二阶终端滑模控制系统，将二阶滑模控制、终端滑模控制与自适应控制方案相结合，根据永磁直线同步电机伺服系统给定速度信号和反馈速度信号相比较得到误差量，以这个误差量设计终端滑模面，避免奇异性问题。以二阶滑模控制的超螺旋算法作为速度控制器的输入，并且引入自适应控制对超螺旋算法的控制增益进行动态调节，最终实现本实用新型的目的即实现系统的快速响应，提高系统的鲁棒性。

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明：

图1为永磁直线同步电机的自适应二阶终端滑模控制系统的原理框图，其中v^*为系统速度的给定值，σ为与系统误差有关的滑模切换面，F_L为负载阻力，系统跟踪误差为e＝v^*-v。

系统的终端滑模变量为： $\mathrm{\σ}=e\left(t\right)+\frac{1}{\mathrm{\ν}}{\left|\stackrel{\·}{e}\left(t\right)\right|}^{p/q}\mathrm{sgn}\left(\stackrel{\·}{e}\right(t\left)\right);$

其中，ν∈R⁺，p，q为奇数，要求1＜p/q＜2来满足滑模面的非奇异性。

采用自适应控制对超螺旋算法的控制增益β进行调节，从而使系统的滑模变量σ及其一阶导数在有限时间内收敛为零；

具体算法如下：

$\left\{\begin{array}{c}u=-\mathrm{\α}\left|\mathrm{\σ}{|}^{1/2}sgn\right(\mathrm{\σ})+v\\ \stackrel{\·}{v}=-\mathrm{\β}sgn\left(\mathrm{\σ}\right)\end{array}\right.;$

超螺旋控制算法使系统状态轨迹在有限时间内收敛到滑模面的充分条件为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\β}>\frac{C}{K_m}>0\\ {\mathrm{\α}}^2\≥\frac{4{\mathrm{CK}}_M(\mathrm{\β}+C)}{{K_m}^3(\mathrm{\β}-C)}\end{array}\right.;$

定义超螺旋算法的控制增益β的自适应律为：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}=\left\{\begin{array}{cc}k\left|\mathrm{\σ}\right|\mathrm{sgn}\left(\right|\mathrm{\σ}|-\mathrm{\ϵ}),& \mathrm{\β}>\mathrm{\γ}\\ \mathrm{\γ},& \mathrm{\β}\≤\mathrm{\γ}\end{array}\right.;$

其中，γ＞0，k＞0，ε＞0。

图2为实现本实用新型的硬件控制系统原理图。该系统包括主电路、控制电路和控制对象三部分；控制电路包括DSP、位置和速度检测电路、电流检测电路、光耦隔离电路、驱动电路及故障检测和保护电路；DSP的QEP端口连接位置和速度检测电路，DSP的ADC端口连接电流检测电路，DSP的PWM端口和PDPINT端口连接光耦隔离电路，光耦隔离电路连接驱动电路和故障检测和保护电路，驱动电路连接主电路；主电路包括调压电路、整流滤波单元和IPM逆变单元；控制对象为三相永磁直线同步电机，机身装有光栅尺；调压电路连接整流滤波单元，整流滤波单元连接IPM逆变单元，IPM逆变单元连接三相永磁直线同步电机。

DSP的SCI端口连接上位机，DSP的SPI端口连接显示电路，DSP的GPIO端口连接I/O接口电路；故障检测和保护电路连接控制电源。

DSP采用TI公司的TMS320F28335芯片。

实现本实用新型的控制系统主电路如图3(a)所示，调压电路采用反向调压模块EUV-25A-II，可实现0～220V隔离调压。整流滤波单元采用桥式不可控整流，大电容滤波，配合适当的阻容吸收电路，可以获得IPM工作所需的恒定直流电压。IPM采用富士公司6MBP50RA060智能功率模块，耐压600V，最大电流50A，最高工作频率20kHz。IPM用四组独立的15V驱动电源供电。主电源输入端子(P，N)，输出端子(U，V，W)，主端子用自带的螺钉固定，可实现电流传输。P、N为变频器的整流变换平滑滤波后的主电源输入端子，P为正端，N为负端，逆变器输出的三相交流电通过输出端子U、V、W接至电机。

本实用新型的控制电路的核心为TMS320F28335处理器，其配套的开发板包括目标只读存储器、模拟接口、eCAN接口、串行引导ROM、用户指示灯、复位电路、可配置为RS232/RS422/RS485的异步串口、SPI同步串口和片外256K*16位RAM。

实际控制系统中电流采样采用LEM公司霍尔电流传感器LT58-S7。由两个霍尔电流传感器检测A、B相电流，得到电流信号，经过电流采样电路，转换成0～3.3V的电压信号，最后由TMS320LF2812的A/D转换模块转换成12位精度的二进制数，并保存在数值寄存器中。A、B相的电流采样电路如图3(b)所示。可调电阻VR2调节信号幅值，可调电阻VR1调节信号偏移量，通过对这两个电阻的调节，可以将信号调整到0～3.3V，再将其送入DSP的AD0、AD1管脚。图中的稳压管是为了防止送入DSP的信号超过3.3V，导致DSP被高压损坏。运算放大器采用OP27，电源接正负15V电压，在电压和地间接去耦电容。电路输入端接电容滤波，以去除高频信号干扰，提高采样精度。

光栅尺输出的A相和B相脉冲信号要通过快速光耦6N137对信号进行隔离，然后经过分压电路将信号电平由5V转换为3.3V，最后连接到DSP的两路正交编码脉冲接口QEP1和QEP2。电路原理如图3(c)所示。图3(d)为所实用新型的硬件控制系统的驱动电路，直线电机驱动电路主要包括一个智能功率模块，本实用新型选用的是IRAMSl0UP60B，它适用于较大功率的电机中，它能驱动的电机功率范围是400W～750W；主要由6个IGBT构成的三相桥式电路，控制板上DSP芯片产生的PWM控制信号输入到功率模块，控制3个桥臂的关断，产生合适驱动电压，驱动直线电机运动图中的HIN1和LIN1分别是第一相的上下桥臂的控制信号，它们都是低电平有效。IRAMSl0UP60B的工作电压VDD是15V，VSS为接地端，为了达到良好的去耦效果，在这两端加入两个并联的去耦电容。由于输入的PWM波信号是数字信号，而IRAMS10UP60B不具备把数字信号和功率信号隔离的功能，因此在IRAMS10UP60B的输入控制信号前需要加上光祸隔离，图中TLPll3即实现了将输入的PWM信号转化为模拟信号的功能，然后输入到对应桥臂的控制信号输入端。在三相电压的输出端u、v、w分别加上一个2.2uF的自举电容。在Itrip端口为低电平时，芯片正常工作，当桥臂的上部分输入的控制信号为低电平，下部分是高电平的时候该相有输出电压；当上为高电平，下为低电平的时候输出电压为零；两个都为低电平的情况是不容许出现的，那样会造成短路，烧毁芯片。当Itrip端口为高电平时，芯片不工作，没有电压输出，因此在电路中加一个下拉电阻使Itrip端口为低电平，这样功率模块能正常工作。功率芯片自身有过温和过流保护，当电路出现异常时能起到自我保护的作用。

Claims (3)

1.一种永磁直线同步电机的自适应二阶终端滑模控制系统，其特征在于：该系统包括主电路、控制电路和控制对象三部分；控制电路包括DSP、位置和速度检测电路、电流检测电路、光耦隔离电路、驱动电路及故障检测和保护电路；DSP的QEP端口连接位置和速度检测电路，DSP的ADC端口连接电流检测电路，DSP的PWM端口和PDPINT端口连接光耦隔离电路，光耦隔离电路连接驱动电路和故障检测和保护电路，驱动电路连接主电路；主电路包括调压电路、整流滤波单元和IPM逆变单元；控制对象为三相永磁直线同步电机，机身装有光栅尺；调压电路连接整流滤波单元，整流滤波单元连接IPM逆变单元，IPM逆变单元连接三相永磁直线同步电机。

2.根据权利要求1所述的永磁直线同步电机的自适应二阶终端滑模控制系统，其特征在于：DSP的SCI端口连接上位机，DSP的SPI端口连接显示电路，DSP的GPIO端口连接I/O接口电路；故障检测和保护电路连接控制电源。

3.根据权利要求1或2所述的永磁直线同步电机的自适应二阶终端滑模控制系统，其特征在于：DSP采用TMS320F28335处理器。