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具有观测器冗余的直线电机伺服系统

具有观测器冗余的直线电机伺服系统

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作者：郑忠杰杭州电子科技大学

学位级别：硕士

基于永磁直线同步电机（PMLSM）的直线伺服系统是当前国内外的研究热点，因其具有直驱性（无需减速器与滚珠丝杆螺母副等机械转换机构，直接驱动直线运动负载）、高速、高精度、大推力、加速度大、动态响应迅速、可靠性高等特点，适用... 详细信息

基于永磁直线同步电机（PMLSM）的直线伺服系统是当前国内外的研究热点，因其具有直驱性（无需减速器与滚珠丝杆螺母副等机械转换机构，直接驱动直线运动负载）、高速、高精度、大推力、加速度大、动态响应迅速、可靠性高等特点，适用于各类高档数控装备以及要求高速高精度的各类直线运动控制场合，如大规模集成电路封装设备，3D打印、3D雕刻、精密激光切割设备，高档带形材料纠偏控制系统等。为此，本文以LM系列PMLSM为研究对象，采用理论分析、计算机仿真与实验验证相结合的研究方法，对PMLSM直线伺服系统进行了深入研究。首先，介绍了PMLSM的数学模型和空间矢量脉冲调制技术（SVPWM）的原理，在此基础上研究了基于PMLSM机理模型的参数辨识方法和基于i*d0矢量控制系统中各个调节器类型选择及其参数自整定方法。其中，电流调节器ACR采用PI调节器，速度调节器ASR采用变结构P/PI调节器，位置调节器APR采用变参数P调节器。此外，为了提高系统对指令跟踪的平稳性而采用了一种非线性余弦S型指令给定方法。Matlab仿真结果表明，本文提出测控算法具有较好的参数辨识精度以及良好的控制效果，且在采用了S型指令给定形式后，在不影响系统动态快速性的前提下，系统的动态平稳性得到显著提高。其次，设计了负载阻力观测器和速度观测器。负载阻力观测器采用基于等效控制原理的滑模观测器，以PMLSM运动方程为观测模型，采用比例控制律，能对负载阻力实现无静差观测。速度观测器采用基于反电势的扩展滑模观测器，以PMLSM的电流状态方程和反电势状态方程为观测模型，采用比例控制律，反电势观测结果是连续的正弦变量，可直接用于速度计算。Matlab仿真结果表明，采用负载阻力观测器后能提高系统的抗扰性能，采用速度观测器后在高速时能有效观测出实际速度，且对电机参数敏感性小。然后，个人独立完成了系统的硬件、软件设计。在硬件方面，根据功能的不同分为驱动板、光栅尺前置放大板和光栅尺细分板、控制板、人机界面板。其中，在设计光栅尺信号处理电路时，提出了一种基于方波相移的正弦波式光栅尺信号细分方法，该方法从两路方波信号的相对相位位移中提取出光栅尺位移信号，对光栅尺信号的正弦近似程度要求不严格。在软件方面，对系统主程序、光栅尺细分检测程序、SVPWM调制技术程序、PMLSM直线伺服系统的控制算法算程序、PMLSM的观测器程序、人机界面程序进行了分析，并都给出了各程序的流程图。最后，根据上述硬件、软件设计方案自行研制了PMLSM直线伺服驱动器产品化样机，并搭建了实验平台。实验结果表明：基于PMLSM机理模型的参数辨识结果满足调节器参数自整定的要求;采用S型指令后，系统具有良好的动、静态性能;采用光栅尺信号方波相移式细分方法后，光栅尺的细分精度为0.09m，系统定位精度为0.9m;采用负载阻力观测器后，系统基本不受负载扰动影响;采用速度观测器后，可以让PMLSM直线伺服系统在最大速度的10%以上实现无传感器闭环运行。

关键词：永磁直线同步电机光栅尺方波相移式细分 PMLSM参数辨识调节器参数自整定负载阻力观测器速度观测器非线性余弦S型指令

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基于端口受控哈密顿模型的永磁同步直线电机无源控制

基于端口受控哈密顿模型的永磁同步直线电机无源控制

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作者：陈华郑州大学

学位级别：硕士

永磁同步直线电机不需要中间传动装置,能够直接将电能转换成机械运动的机械能,并具有高速、高效、高精等优点,在数控机床等领域得到广泛应用。由于它结构的不封闭,引起端部效应等,相比于旋转电机,控制难度加大,因此要寻求更加优异的控... 详细信息

永磁同步直线电机不需要中间传动装置,能够直接将电能转换成机械运动的机械能,并具有高速、高效、高精等优点,在数控机床等领域得到广泛应用。由于它结构的不封闭,引起端部效应等,相比于旋转电机,控制难度加大,因此要寻求更加优异的控制方法对其进行控制研究。近年来,一种基于互联与阻尼配置的无源控制方法受到高度重视,并得到很快的发展,其主要特征是被控对象具有端口受控耗散哈密顿结构,该方法以系统总能量作为哈密顿函数设计控制器,并具有明确的物理意义、参数容易调节、闭环系统稳定于平衡点等优点,对工业控制有很大帮助。本文对直线电机的发展、国内外研究现状、控制策略进行了回顾,并简单介绍了直线电机的分类,在合理假设的条件下,运用坐标变换的方式建立了永磁同步直线电机的电磁和机械运动数学模型。根据端口受控耗散哈密顿系统理论,把永磁同步直线电机看成一个二端口(电气端口和机械端口)装置,引入互联与阻尼配置,设计了系统的无源控制器,针对负载阻力未知的情况,构造了负载阻力观测器。为了达到更好的速度控制效果,采用分层控制策略,内环仍采用互联与阻尼配置的无源控制,外环将H￥鲁棒控制方法应用到永磁同步直线电机控制系统中。依据Lyapunov稳定性定理,分析了所设计控制器的稳定性问题,并在MATLAB/Simulink平台上,搭建模块并对带观测器的无源控制和H∞鲁棒控制的无源控制方法进行仿真分析。仿真结果表明,加负载阻力观测器的无源控制器可以有效的抑制负载阻力未知带来的扰动,H∞鲁棒控制方法的引入,能够进一步提高系统的抗扰能力,增强系统的鲁棒性。

关键词：永磁同步直线电机端口受控耗散哈密顿系统互联与阻尼配置无源控制负载阻力观测器 H∞鲁棒控制

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