[发明专利]一种永磁同步直线电机平移滑平面滑模位置控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种永磁同步直线电机平移滑平面滑模位置控制方法。

背景技术

永磁同步直线电机是一种能将电能直接转化为机械能，而不需要任何中间转换机构的机械装置，具有结构简单、高精度、高速度和低维护等优点。正是由于缺少了中间缓冲环节，推力波动、摩擦力等干扰直接作用于永磁同步直线电机，与旋转电机相比，它对负载扰动、电机内部结构参数变化更为敏感，对干扰的抑制质量要求更高，非线性程度也更强。

滑模变结构的控制方法适合于参数不确定的非线性系统。通过一定的控制策略让控制量不断切换，即系统的结构不停的变化，有目标地强迫系统进入预先设定的滑模面滑动。系统进入滑模状态后，系统的稳定性与动态品质仅取决于滑模面及滑模面的参数。由于滑动模态是可以设计的，且与系统参数变化及外部扰动无关，因此鲁棒性强、可靠性高。一些学者将一种采用了新型的趋近律设计的控制律应用于电机控制中，这种方法不仅提高了系统的响应速度，并且有效地降低了抖阵。一些学者提出了在系统中加入观测器并用神经网络进行学习估计误差上界的方法，这种方法提高了系统的精度，减小了跟踪误差，使系统具有良好的快速性和稳定性，但由于加入了观测器使得系统变得更为复杂，且引入的神经网络导致计算量过于庞大且不易于实现。这些常规电机滑模控制系统由于滑平面固定，当系统出现较大扰动或参数摄动较大时，系统状态量在趋于滑平面的过程中不能迅速收敛，从而系统的调节速度较慢，系统的抗干扰能力和鲁棒性较差。平移滑平面控制比常规滑模控制具有更好的鲁棒性和抗干扰能力，且结构简单易于工程中实现。迄今为止，平移滑平面滑模控制方法在永磁同步直线电机中尚未得到应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种永磁同步直线电机平移滑平面滑模位置控制方法，以使系统具有良好跟踪性能的同时具有良好的鲁棒性和抗干扰能力。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种永磁同步直线电机平移滑平面滑模位置控制方法，提供一平移滑平面滑模控制系统以实现永磁同步直线电机的位置控制，该系统包括主电路和控制电路，其中，所述主电路包括交流电源，整流器以及三相逆变器，用于整个系统的供电；所述控制电路包括电流控制内环和位置控制外环，且所述位置控制外环中设置有滑模变结构控制器，所述滑模变结构控制器在位置控制外环中，以动子位移d与给定位移dm之间的位移差e为输入信号，输出电流指令控制信号i_q；具体包括步骤如下，

步骤S1：设计滑模面：

已知永磁同步直线电机机械动态方程为：                                                

化简后得：

其中，D为粘滞阻尼系数，M为动子质量，K_f为推力常数，F_L为负载推力；

令，，，

则

当参数发生摄动时，

其中，

式中，，，分别表示系统参数A,B,C的摄动量；

设计常规滑平面为，并在常规滑平面的基础上设计平移滑平面，令；当时，平移滑平面下移；当时，平移滑平面上移；当时，平移滑平面等效为常规滑平面；设，其中，floor(*)表示向下取整函数，e表示位移差，表示控制量为时，系统的位移差，c和为设定参数；

步骤S2：广义滑模条件证明：

取

构建李雅普诺夫函数，，则有

故，当时，时，系统稳定；其中，为不确定因素H的上界，k为设定参数；

步骤S3：设计控制律：

根据所设计的平移滑平面设计控制律为：

步骤S4：将u设为电流调节器q轴电流的期望给定值，将电流调节器d轴电流的期望给定值设为0，并将电流调节器的输出进行SVPWM调制就得到了实际的直线电机定子端的PWM逆变器的驱动信号。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、 本发明通过在位置控制外环中加入滑模变结构控制器，使位置差成为状态变量，受到控制器控制进入滑平面滑动，使得位置跟踪稳定且与电机的参数变化及外部扰动无关，直接满足永磁同步直线电机位置跟踪及抗干扰的目的；

2、 与传统滑平面相比，本文设计的平移滑平面能使永磁同步直线电机在保持快速跟踪响应的同时具有更好的鲁棒性和抗干扰能力；