故障条件下永磁直线电机伺服系统高品质运行控制研究

作     者：曾昕卢 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王伟;钱巍

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：初级永磁直线电机 伺服系统 电流传感器故障 位置传感器故障 容错控制 高品质 dSPACE 

摘      要：随着精密制造业和军工行业的发展,伺服系统的可靠性显得日益重要。相较于旋转电机加滚轴丝杆模式的传统直线伺服系统,初级永磁直线电机伺服系统一方面采用直驱式传动结构,直接将电能转化为机械能,另一方面将永磁体和绕组全部放置于初级,在继承了永磁直线电机体积小、功率密度高等特点的同时,还具有结构简单、维护方便等特点。然而,由于电机运行工况的复杂性,伺服系统中的传感器存在发生故障的可能性,因此,研究故障条件下永磁直线电机伺服系统高品质运行控制具有重大意义。本课题针对初级永磁直线电机伺服系统中可能出现的电流传感器故障和位置传感器故障,开展了故障条件下的高品质运行控制研究,主要研究内容有以下几部分:(1)介绍选题背景和意义,叙述伺服系统和永磁直线电机的起源和发展,阐述电机伺服系统中电流传感器和位置传感器故障容错控制的研究现状。(2)介绍初级永磁直线电机的拓扑结构,自然坐标系下、两相静止坐标系下和同步旋转坐标系下的数学模型,以及常用的矢量控制策略。(3)电流传感器故障下永磁直线电机高品质运行控制。首先介绍一种传统容错控制方法。其中,电流内环采用滞环电流控制,在滞环比较器中,健康相电流的参考值和测量值不变,故障相电流的参考值不变,测量值由通过数学模型计算得到的估计值所代替,该方法动态性能良好,但鲁棒性差,稳态性能受电机参数变化影响较大。在此基础上,提出一种移相容错控制方法,突破了模型类控制方法鲁棒性差的技术瓶颈。在滞环比较器中,健康相电流的参考值和测量值不变,而故障相电流的测量值由通过数学模型计算得到的估计值所代替,参考值由健康相电流的估计值的移相值所代替,该方法鲁棒性高,稳态性能优越,不再受电机参数变化的影响,但动态性能较差。最后,结合传统容错控制方法和移相容错控制方法的优点提出一种融合算法,该算法通过设定合适的阈值实现系统在两种容错控制方法之间灵活切换,动态时切换到传统容错控制方法,稳态时切换到移相容错控制方法。(4)位置传感器故障下永磁直线电机高品质运行控制。提出一种基于滑模观测器法的位置传感器容错算法,相较于传统的滑模观测器法,该算法采用了新趋近律,一方面采用双曲正切函数代替传统的符号函数,将不连续函数化为连续函数,另一方面在指数趋近律的基础上引入状态变量,当状态变量逐渐趋于零时,带宽也逐渐趋于零。新趋近律的使用减小系统抖振的同时也加快了趋近运动阶段的趋近速度。(5)搭建初级永磁直线电机伺服系统实验平台。以d SPACE DS1103控制器为核心,设计了实验平台的软硬件设施,硬件部分主要分为电机本体部分和控制电路部分,软件部分主要是基于DS1103控制器和Control Desk软件的电机伺服系统设计流程。