[发明专利]基于非光滑控制技术的永磁直线同步电机复合控制系统

说明书

技术领域

本发明创造涉及永磁直线同步电机的控制，具体地说，涉及一种有利于永磁直线同步电机更高跟踪精度和更快跟踪速度的非光滑控制系统。

背景技术

永磁直线同步电机直接驱动系统省掉了中间传动机构，将负载直接与直线电机动子相连，实现了所谓“零传动”，消除了速度变换结构所带来的不良影响。因此，具有结构简单，推力大，惯性低，响应快，精度高等优点，已广泛应用于工业机器人、数控机床、半导体装配线等高性能驱动设备。在高档数控机床加工中，采用直接驱动方式代替传统间接驱动方式成为新一代数控机床的主要标志之一。但是，由于直线电机直接驱动负载，负载的变化和外部扰动将毫无衰减地直接反映到电机的动子上。而且，电机的端部效应、齿槽效应和永磁体磁链谐波等将产生推力纹波，系统参数（动子质量、粘滞摩擦系数等）的变化、负载阻力扰动以及摩擦阻力的非线性变化等都会给控制带来困难，降低系统的动态性能。由此可见，永磁直线同步电机在运行过程中存在着非常复杂的非线性动态扰动，这就对高精度、微进给永磁直线同步伺服电机的速度和位置伺服控制提出了更高的要求。

传统的比例-积分（PI）控制方法，在模型匹配的情况下，可以获得较好的控制性能，但当系统参数变化或出现负载扰动时，往往不能得到令人满意的控制效果。近年来,国内外学者对PMLSM控制策略作了大量研究工作，总体来说可以分为两类：一类是光滑的控制器设计，如内模控制，神经网络控制等；另一类是非连续的控制器设计，如滑模控制等。

为了保证系统的性能，需要设计优良的控制器使系统在保证快速跟踪性能的同时，对不确定扰动具有较强的鲁棒性。在永磁直线同步电机控制中，系统参数的变化或负载出现扰动，往往是造成系统控制性能下降的主要因素，不能得到理想的控制效果。目前，采用鲁棒控制方法来解决直线电机运行过程中的扰动影响是研究者们的一个普遍共识。但是永磁直线同步电机位置控制的绝大多数研究结果中，闭环系统最快的收敛速度为指数形式。因此，这些控制方法都属于无限时间稳定性和控制问题，无法得到更好的收敛性能。针对系统抗干扰能力差的缺点，设计扰动观测器，即通过补偿信号反馈到输入端来实现对干扰的克服，从而提高系统抗干扰能力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种永磁直线同步电机的非光滑控制方法，为永磁直线同步电机的高精度控制、鲁棒控制提供基础。该方法将扰动观测器技术和非光滑控制技术有机结合，利用非光滑控制技术为永磁同步电机的标称模型提供高精度的控制，并结合扰动观测器技术，对外部干扰力矩及模型参数变化造成的模型误差进行有效的估计及补偿，提高系统的抗扰动能力。

本发明的技术方案为：一种基于非光滑控制技术的永磁同步直线电机复合控制系统，首先对永磁直线同步电机根据其推力方程及推力动态方程建立数学模型，其次采集永磁直线同步电机的位置信号、转速信号；然后根据永磁直线同步电机的数学模型，以位置误差信号和速度信号作为控制器的输入进行非光滑控制器设计；最后结合扰动观测器技术提出一种复合控制方案，实现对永磁直线同步电机在扰动状态下的高性能控制。

所述的基于非光滑控制技术的永磁直线同步电机的复合控制系统，其特征在于：所述永磁直线同步电机数学模型基于以下公式建立：

mpv+Dv+w=K_Fi_q

其中：m为电机可动部分质量；D为粘滞摩擦系数；w为外来干扰；v为动子的运动速度；p为微分算子；为推动力系数；P为极对数；τ为极距；为永磁体的磁链幅值；i_q为q轴电流。

所述的基于非光滑控制技术的永磁直线同步电机的复合控制系统，其特征在于：为实现直线电机的线性解耦控制,并获得最大的推力电流比,采取i_d=0的控制策略。所述通过非光滑控制方法设计的控制器基于以下公式建立：