[发明专利]一种永磁直线同步电机速度跟踪控制方法

权利要求书

1.一种永磁直线同步电机速度跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100、构建dq坐标系永磁直线同步电机模型：在忽略边端效应的影响下，永磁直线同步电机的模型与永磁旋转同步电机相同，将永磁旋转同步电机沿着半径方向剖开，再顺着圆周方向展开之后可以看作永磁直线同步电机，通过Clarke变换将ABC三相静止坐标系变换到αβ两相静止坐标系，再通过Park变换将αβ两相静止坐标系变换到两相dq同步旋转坐标系，其中动子磁极轴线为d轴，顺着d轴方向向前旋转90°电角度为q轴，以α相绕组轴线为参考轴线，d轴与参考轴线之间的电角度为θ，基于所述两相dq同步旋转坐标系建立dq坐标系永磁直线同步电机模型，同时采用矢量控制永磁直线同步电机系统，并将电枢磁场与动子磁极之间的夹角设为90°，以避免电机法向力对悬浮导向系统的干扰，电机定子采用空心结构且三相对称，dq轴电感分量相等，通过矢量控制以使d轴电流i_d＝0，调节q轴电流即可实现对电机电磁力的精确控制；

S200、将dq坐标系永磁直线同步电机模型转换为速度环、q轴电流环、d轴电流环三个子系统；所述速度环定义为∑_v、q轴电流环定义为∑_q、d轴电流环定义为∑_d，令系统状态x＝[x₁ x₂ z₁ w₁]^T＝[s v i_q i_q]^T，系统输入u＝[u_q u_d]，系统输出y＝[y₁ y₂ y₃]^T＝[x₁ z₁ w₁]，则速度环∑_v、q轴电流环∑_q、d轴电流环∑_d的表达式分别为：

∑_v:

∑_q:

∑_d:

式中，x₁、x₂、z₁、w₁分别表示s、v、i_q、i_d，其中，s为速度环∑_v可测量的距离，v为永磁直线同步电机速度，u_d为d轴定子电压，u_q为q轴定子电压，R为永磁直线同步电机定子绕组电阻，τ为永磁直线同步电机极距，L_d为d轴定子电感，L_q为q轴定子电感，ψ_f为磁体磁链,m为动子重量，B为粘滞系数，F_w为其他阻力和扰动，n_p为极对数，分别为x₁、x₂、z₁、w₁的一阶微分，y₁、y₂、y₃分别表示速度环∑_v、q轴电流环∑_q、d轴电流环∑_d三个子系统可测量的输出信号s、i_q、i_d，i_d为d轴定子电流，i_q为q轴定子电流；

S300、利用速度环、q轴电流环、d轴电流环设计改进的扩展状态观测器，具体表现为：

S301、设定系统输入u及其导数是有界的；

S302、在有界的系统输入u下，设定系统状态x是有界的；

S303、设定系统扰动及其导数是有界的；

S304、若速度环∑_v是一个二阶系统，设计改进的三阶扩张状态观测器为：

式中，为速度环的观测器，可以通过可测量的位置信号x₁，准确地观测出速度和扰动信号，x₃表示未知扰动，分别为x₁、x₂、x₃的观测值，分别为的一阶微分，分别为实际信号x₁、x₂、x₃与观测信号之间的观测误差，C₁、C₂和C₃均为正的设计参数，

若q轴电流环∑_q、d轴电流环∑_d均是一阶系统，则设计改进的二阶扩张状态观测器为：

其中，C₄、C₅、C₆、C₇均为正的设计参数，z₂、w₂均表示未知扰动，分别为z₁、z₂、w₁、w₂的观测值，分别为的一阶微分，分别为实际信号z₁、z₂、w₁、w₂与观测信号之间的观测误差；

S400、基于上述改进的扩展状态观测器设计速度跟踪控制器、电流环控制器，并根据速度跟踪误差反馈，实现速度跟踪控制，具体地，

S401、通过选择合适的扩张状态观测器设计参数C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇，使得观测状态能够快速准确地收敛到系统状态x，其中

S402、根据改进的扩张状态观测器，得到系统状态x和表示总扰动的扩张状态，通过状态反馈，设计自抗扰控制器，实现电磁推进系统速度跟踪，其中，所述自抗扰控制器包括速度跟踪控制器ADRC_v、电流环控制器ADRC_q和ADRC_d，其中，ADRC_v、ADRC_q和ADRC_d的表达式分别为：

ADRC_v:

ADRC_q:

ADRC_d:

其中，e_v表示速度跟踪误差，分别为u_d、u_q、z_e的一阶微分，o₁、o₂、o₃分别表示ADRC_v、ADRC_q和ADRC_d的反馈控制输出，z_e表示ADRC_v需要的控制量，同时也是ADRC_q的期望输入，k₁、k₂、k₂为正的反馈控制参数，τ₁、τ₂、τ₃分别为低通滤波器的截止频率。