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基于滑模变结构控制与误差补偿技术的pmslm精确定位方法研究

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基于滑模变结构控制与误差补偿技术的PMSLM精确定位方法研究

作者：李登举吉林大学

学位级别：硕士

在超精密直线运动研究领域，具有响应迅速、高速度和高加速度、惯性小等优点的永磁同步直线电机应用越来越广泛。本文以永磁同步直线电机为核心，搭建以研究pmslm伺服控制系统定位精度的实验平台，并从改进滑模变结构控制策略和误差补... 详细信息

在超精密直线运动研究领域，具有响应迅速、高速度和高加速度、惯性小等优点的永磁同步直线电机应用越来越广泛。本文以永磁同步直线电机为核心，搭建以研究pmslm伺服控制系统定位精度的实验平台，并从改进滑模变结构控制策略和误差补偿两个方面来提高定位精度，针对这两方面的实际应用效果进行了仿真分析和实验验证。本文首先对pmslm伺服系统进行数学建模，在此基础上研究的传统控制策略——矢量控制，分析以电流环、速度环和位置环为核心的PID矢量控制系统传递函数，并计算各个环的PID参数。在系统分析的基础上，通过MATLAB建立pmslm伺服系统PID矢量控制仿真模型，分析了速度、位置环的仿真结果。其次，针对pmslm伺服系统具有参数容易摄动，外界干扰大的特点，本文采用了现代控制策略——基于变指数趋近律的滑模控制。此种控制策略的优势是，伺服系统发生变化时，被控量能够保持稳定性，但系统的响应速度并不理想，为了获得稳定且响应速度快的滑模控制，本文改进控制策略应用了非奇异Terminal滑模控制，此控制过程中，无论系统从初始位置到滑模面或者滑模面上的点到稳定状态所用的时间都是一定且快速的，并能确保在系统稳定与无奇异点的条件下，去掉控制信号在高频振荡中产生的影响，从而使系统的控制准确率以及响应速度得到提升。以此为基础通过MATLAB建立pmslm滑模控制器仿真模型，并与基于PID策略的仿真结果对比，验证滑模控制策略的在提高系统定位精度方面的优越性。最后，本文使用误差偿技术来进一步提高PMLSM伺服系统的定位精度。分析影响系统定位精度的因素，有针对性的去改善这些因素。在此基础上搭建pmslm位置误差补偿实验平台，整个系统的驱动核心是ABBMotiFlexe100驱动器，控制核心是北京嘉宏生产的USB9030运动控制卡，测量设备选用了高精度的光栅尺，评定定位精度选用国际标准ISO230-2。最后根据系统位置误差数据，制作误差补偿表，通过运动控制卡里的误差补偿函数SetAxisTecData030进行目标点的位置误差补偿，最后使用MATLAB处理补偿前、后的定位精度数据，以验证误差补偿技术可以明显的提高系统的定位精度。

关键词： pmslm 矢量控制滑模变结构控制 MATLAB仿真误差补偿

基于线性HALL的pmslm位置检测方法及实现

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基于线性HALL的PMSLM位置检测方法及实现

作者：顾伊楠武汉理工大学

学位级别：硕士

永磁同步直线电机(Permanent Magnet Synchronous Linear Motor,pmslm)兼具了直线电机和永磁同步电机的优点,具有机械结构简单、推力大、效率高、动态响应好以及后期维护简便等优势,已经成为航空装备、高速高精密机床等领域的应用热点... 详细信息

永磁同步直线电机(Permanent Magnet Synchronous Linear Motor,pmslm)兼具了直线电机和永磁同步电机的优点,具有机械结构简单、推力大、效率高、动态响应好以及后期维护简便等优势,已经成为航空装备、高速高精密机床等领域的应用热点。其中,pmslm的磁极位置检测是整个直线电机闭环控制系统的关键环节,其位置检测精度会直接影响pmslm的控制性能和动态响应速度。目前使用较多的直线电机位置传感器有磁栅、光栅和HALL。磁栅和光栅的检测精度高,但存在结构尺寸大、成本高、对工作环境要求较高等问题;低分辨率的开关型、锁定型HALL尽管成本较低,但位置检测精度有限。因此,本课题综合考虑检测精度、成本以及工程应用等因素,使用线性HALL作为位置检测元件,重点研究了基于线性HALL的pmslm磁极位置检测方法,通过设计合理的HALL安装布局配合改进的检测算法以优化电机全行程段的位置检测精度。本文首先具体分析了不同数量线性HALL的位置检测模型,结合pmslm矢量控制策略,通过正交放置下的线性HALL的检测波形经过运算得到电机的磁极位置和速度信息,将其作为pmslm闭环控制的负反馈输入,建立基于线性HALL的pmslm速度、电流双闭环矢量控制系统模型。为研究线性HALL相对pmslm的安装布局原则,对线性HALL进行具体型号的选择,以15槽20极电机为例,先从控制原理上分析了其水平横向安装布局;再结合Ansoft Maxwell软件对电机磁极磁场分布进行二维和三维的定量分析,确定了线性HALL相对电机三个方向上的最佳安装位置参数,并总结了线性HALL安装位置的一般规律。为解决pmslm在全行程运行时,在电机动子端部磁极处由于磁场畸变导致位置检测误差增大的问题,提出了基于线性HALL的矢量跟踪位置观测器方法,以线性HALL检测信号为主,结合电机自身反电动势参数对线性HALL检测信号进行补偿。在Matlab/Simulink中搭建基于线性HALL的位置检测模型和基于线性HALL的观测器检测模型,通过对比两者的仿真结果验证了后者的检测模型可有效提高电机全行程段的检测精度。最后设计对应的实验平台,分别对线性HALL安装策略以及位置检测改进算法进行实验验证。实验检测波形证实了线性HALL安装布局的准确性;电机动态运行实验结果与仿真结果吻合度较高,证明了位置检测改进算法的有效性。

关键词： pmslm HALL检测数值仿真

基于矢量控制的初级绕组分段pmslm系统建模及仿真研究

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电子科技 2020年第12期33卷 1-6页

作者：范乐乐汪旭东封海潮许孝卓河南理工大学电气工程与自动化学院河南焦作454000

针对初级绕组分段永磁直线同步电机所特有的分段供电问题,文中采用空间矢量解耦的方法,搭建了初级绕组分段式永磁直线同步电机的数学模型,并在此基础上搭建了一种可以对初级绕组进行分段供电的矢量控制模型。通过比较分析每段初级绕组... 详细信息

针对初级绕组分段永磁直线同步电机所特有的分段供电问题,文中采用空间矢量解耦的方法,搭建了初级绕组分段式永磁直线同步电机的数学模型,并在此基础上搭建了一种可以对初级绕组进行分段供电的矢量控制模型。通过比较分析每段初级绕组所产生的合力与运动体和单段初级绕组全部耦合时所产生的推力是否相等,判断所搭建的模型的准确性。在MATLAB/Simulink环境下进行仿真,结果表明运动体在段间和段内所受到的推力相等。该结果说明所搭建的模型可以有效、快速反映动子位移,实现精准绕组切换,达到分段供电的目的。

关键词：绕组分段 pmslm MATLAB/Simulink 矢量控制绕组切换仿真验证分段供电

Position Sensorless Control System of Permanent Magnet Synchronous Linear Motor Based on Sliding Mode Observer with an Improved Phase-Locked Loop

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Energy Engineering 2021年第4期118卷 1083-1094页

作者： Jin Zhang Youliang Tang Feng Yu Department of Mechanical and Electrical Engineering Suqian CollegeSuqian223800China School of Electrical Engineering Nantong UniversityNantong226019China

In this paper,position sensorless control system of permanent magnet synchronous linear motor(pmslm)based on sliding mode observer(SMO)with an improved phase-locked loop(PLL)is ***,according to the mathematical model,a SMO is designed for sensorless control pmslm ***,an improved PLL is proposed to tackle the imperfection of data overflow existed in the traditional *** designed SMO incorporating with the improved PLL can be effectively suppress the pulsation of the estimated position and hence the chattering of the derived electrical angular *** last,simulated and experimental results are presented to verify the effectiveness and feasibility of the position sensorless control system.

关键词： Position sensorless pmslm SMO PLL

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巨量转移装备核心轴自适应反步滑模控制

组合机床与自动化加工技术 2023年第12期 127-131页

作者：范文斌贺云波陈观轩邱国富吴浩苗广东工业大学机电工程学院广州510006

Micro-LED巨量转移装备核心轴具有多变量、强耦合、非线性以及容易受到参数摄动影响等特点,较难实现系统的高精度定位和快速响应。以基于永磁同步直线电机(pmslm)的巨量转移装备X轴伺服系统为研究对象,提出了一种结合非线性函数和幂指... 详细信息

Micro-LED巨量转移装备核心轴具有多变量、强耦合、非线性以及容易受到参数摄动影响等特点,较难实现系统的高精度定位和快速响应。以基于永磁同步直线电机(pmslm)的巨量转移装备X轴伺服系统为研究对象,提出了一种结合非线性函数和幂指数超螺旋切换控制律的自适应反步超螺旋滑模控制(ABSTASMC)算法,提高系统抗参数摄动能力,降低固有抖振,同时辅以前馈控制器,实现系统的快速响应。实验结果表明,相比传统的PID控制,ABSTASMC拥有更高的定位精度和更强的鲁棒性,调整时间更短,很好满足了巨量转移装备核心轴对高加速高精度运动性能的要求。

关键词： pmslm 巨量转移超螺旋滑模控制自适应反步算法复合控制

直驱电梯用分段永磁同步直线电机绕组切换控制研究

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直驱电梯用分段永磁同步直线电机绕组切换控制研究

作者：范乐乐河南理工大学

学位级别：硕士

随着经济的快速发展,直驱电梯在高层楼宇的应用优势越来越明显,由于永磁同步直线电机具有精度高,速度快,以及响应迅速等优点成,成为直驱电梯首选的驱动源。传统永磁直线电机结构为长初级短次级,在电机运行过程中,需要给整个初级绕组全... 详细信息

随着经济的快速发展,直驱电梯在高层楼宇的应用优势越来越明显,由于永磁同步直线电机具有精度高,速度快,以及响应迅速等优点成,成为直驱电梯首选的驱动源。传统永磁直线电机结构为长初级短次级,在电机运行过程中,需要给整个初级绕组全段通电,导致有效出力的初级绕组过长,会造成很大损耗,使直驱电梯的使用成本大大增加。针对以上问题,本文对永磁直线电机进行绕组分段和绕组切换控制的研究;本文以分段永磁同步直线电机SW-pmslm(Segment winding permanent magnet synchronous linear motor)为研究对象,根据电机初级绕组不连续的特点,对分段pmslm段间区域电磁参数的变化进行分析和建模。并搭建了分段pmslm的数学模型,通过矢量控制的方法初步实现了绕组切换,达到了分段供电的目的。论文主要从以下几个方面展开研究。1.建立SW-pmslm变参数数学模型。首先针对SW-pmslm电磁参数在段间表现出非周期的特性,采用数学理论分析和有限元仿真分析的方法研究动子在段间区域时电感和磁链参数随动子的位置的变化规律,并根据此规律建立SW-pmslm的变参数数学模型。针对在段间区域时如何保证动子平稳过渡的问题,提出电流同步控制策略并对初级绕组分段供电策略进行了研究,建立SW-pmslm的矢量控制系统。2.设计SW-pmslm绕组切换方案。论文首先设计了基于接触器开关的绕组切换方案,并分析了这种方案在绕组切换过程中,接触器开关容易发生故障最终导致绕组切换失败;然后在此基础上设计了滑模锁相环SMC-PLL(sliding model control based on phase locked loop)无速度传感器控制,通过仿真验证了了基于SMC-PLL具有很高的速度响应和速度估算精度高,但是对参数变化敏感,在负载发生突变时出现较大的抖振;然后又进一步设计了基于模型参考自适应MRAS(model reference adaptive system)算法的绕组切换方案,相对SMC-PLL算法速度估算误差较小,对电机参数变化不敏感,在负载发生变化时,抖振较小,算法也相对简单。由于在电机的正常运行中电机的各项参数有较大的变动,该控制算法有较高的控制精度,更适合分段永磁pmslm的位置估算。3.实验验证。在理论和有限元分析的基础上,在MATALAB中搭建初级绕组分段直线电机的控制模型,通过Links-RT半实物仿真实验平台验证所提出绕组切换策略的正确性和有效性,最终达到分段供电的目的。本文图55幅,表7张,参考文献60篇。

关键词：直驱电梯 pmslm 初级绕组分段无速度传感器绕组切换 SMC-PLL MRAS 分段供电

基于永磁同步直线电机一体化的霍尔位置传感器研究

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基于永磁同步直线电机一体化的霍尔位置传感器研究

作者：陈壮苏州大学

学位级别：硕士

随着我国传统制造业智能化升级以及半导体、激光、集成电路等新兴技术产业发展,永磁同步直线电机(Permanent Magnet Synchronous Linear Motor)由于具备出众的性能特点,而处于中高端工业设备驱动系统的制高点。但传统的pmslm位置检测技... 详细信息

随着我国传统制造业智能化升级以及半导体、激光、集成电路等新兴技术产业发展,永磁同步直线电机(Permanent Magnet Synchronous Linear Motor)由于具备出众的性能特点,而处于中高端工业设备驱动系统的制高点。但传统的pmslm位置检测技术因其制造工艺、价格高昂、精度存在理论极限、行程受限等原因正逐渐难以满足进一步发展的需求,且外置此类传感器后整个设备系统很难实现一体化要求,且对工作环境有着较高的要求。所以本文针对pmslm系统霍尔位置传感检测单元存在的精度低、分辨率不高、实时性差以及系统空间磁场复杂等问题,开展基于查表算法的pmslm霍尔位置传感器一体化研究。针对基于pmslm系统一体化位置检测单元系统空间磁场复杂问题,本文采用体积小、结构简单的线性霍尔作为磁敏元件,首先建立了定子矩形永磁体空间磁场模型,通过有限元仿真建模遵循直线电机设计确定了 pmslm定子永磁体机构等参数。针对霍尔传感器空间位置及磁场分布等对霍尔传感器磁场激励信号质量具有关键性影响,建立pmslm耦合仿真模型结合磁场谐波与磁场密度大小等分析,分别以水平与垂直方向研究霍尔位置传感器空间安装位置对其影响,对其在pmslm系统定子空间气隙磁场的安装位置进行了优化,最大程度降低了 pmslm系统磁场谐波对线性霍尔激励信号源的影响。针对存在的位置信息反馈实时性差、分辨率不高的问题,本文在pmslm开展基于区间查表算法的研究,通过建立位移区间映射关系制表查表的方式,大大降低了位移解算的运算量,实现直线电机2000mm/s最大运行速度;通过采用数字差分使得A/D模块有效利用分辨率提升了一位,实现了线性霍尔位置传感器2.5μm的理论分辨率,并基于STM32F103CBT6处理芯片完成了霍尔直线位置传感器硬件电路设计,外围元件器变少也实现了霍尔传感器检测单元的小型化、低成本。针对基于pmslm系统位置检测单元精度低的问题,设计了“三相六霍尔”信号发生结构,消除了三次谐波对传感器测量精度的影响,通过信号区间划分解决了霍尔位置传感器信号非线性的影响,通过温漂迭代补偿算法对直线电机温升造成的误差进行修正,并设计了基于pmslm霍尔位置传感器校准标定系统,进一步减小安装等误差的影响。最后,通过实验平台验证了信号细分算法设计的正确性,校准系统对霍尔直线位置传感器的性能有明显提升,经E1733A激光干涉仪测定pmslm实验平台中的分辨率0.5um的光栅重复定位精度为±2.81um,校准后的霍尔位置传感器重复定位精度由±5.41um提高至±2.91um,所设计分辨率为2.5 um的霍尔直线位置传感器在pmslm系统平台最大运行速度可达2000mm/s,在420mm的测量行程范围内达到了±3um内较高的位置重复定位精度。

关键词： pmslm 线性霍尔直线位置传感器 STM32F103 区间校准查表细分算法

双V型无铁芯永磁同步直线电机的冷却系统设计

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双V型无铁芯永磁同步直线电机的冷却系统设计

作者：张雪鹏西安工业大学

学位级别：硕士

本文以双V型无铁芯永磁同步直线电机(pmslm)为研究对象,该电机在改变线圈及永磁体形状的基础上,减少了气隙磁场中高次谐波含量并使得气隙磁场波形达到最佳正弦性,从而减小了电机的推力波动,提高了重复定位精度,因而能够较好的应用于超... 详细信息

本文以双V型无铁芯永磁同步直线电机(pmslm)为研究对象,该电机在改变线圈及永磁体形状的基础上,减少了气隙磁场中高次谐波含量并使得气隙磁场波形达到最佳正弦性,从而减小了电机的推力波动,提高了重复定位精度,因而能够较好的应用于超精定位系统中,但由于缺少铁芯的散热作用,双V型无铁芯pmslm初级散热较为困难,致使电机初级温升过高,影响激光干涉仪检测精度,造成定位系统误差。因此,设计高效的双V型无铁芯pmslm冷却系统显得尤其重要。本文研究内容具体如下:首先,本文基于对不同结构流道的分析,结合3D打印技术及双V型无铁芯pmslm的具体结构和尺寸参数,提出一种一体化的双V型无铁芯pmslm初级冷却结构。并通过流体场分析,验证了该冷却结构的流通性。其次,在双V型无铁芯pmslm初级冷却结构设计的基础上,建立电机初级温度场三维简化分析模型。通过计算方法得到其绕组损耗密度,作为温度场仿真的热源。基于等效理论,对初级内部复杂的结构进行等效处理,得到其等效后的各种材料物性参数,赋予分析模型中。根据温度场仿真结果,得到不同入口流速下双V型无铁芯pmslm初级温度分布,进而分析了不同入口流速对电机冷却结构性能的影响。通过绘制不同流速下初级最高温度曲线,得出最佳流速。再次,设计了双V型无铁芯pmslm运动方案,采用气浮导轨作为电机的运动导轨,进行了电机与气浮导轨一体化结构设计,完成了初级冷却部件加工、线圈的绕制和灌封以及次级永磁体的安装固定。最后,进行了总体实验方案设计,搭建了双V型无铁芯pmslm温升实验和了冷却实验平台,并对之进行调试,完成了相关实验。通过冷却实验结果与仿真结果独对比分析,发现其具有一致性,验证了仿真结果的准确性和可靠性。通过冷却实验结果与温升实验结果对比分析,验证了冷却结构的有效性。综上所述,本文针对双V型无铁芯pmslm进行了冷却系统设计,分析了冷却结构流通性、冷却性能,得到了冷却液最佳入口流速,通过样机实验研究,验证了冷却结构的合理性及有效性,能够大幅降低双V型无铁芯pmslm初级温升,满足超精定位系统的应用要求,对后续电机冷却系统设计具有现实指导意义。

关键词： pmslm 无铁芯温度场冷却系统

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开绕组永磁同步直线电机的容错控制

开绕组永磁同步直线电机的容错控制

作者：冯君璞广东工业大学

学位级别：硕士

永磁同步直线电机（Permanent magnet synchronous linear motor,pmslm）由于反应快、推力大、高效的优点,在机械生产、军工精密设备生产行业中得到广泛的应用。但是常见的电机控制系统通常使用单个逆变器进行驱动,电压利用率不高且谐... 详细信息

永磁同步直线电机（Permanent magnet synchronous linear motor,pmslm）由于反应快、推力大、高效的优点,在机械生产、军工精密设备生产行业中得到广泛的应用。但是常见的电机控制系统通常使用单个逆变器进行驱动,电压利用率不高且谐波含量高;且由于有端部效应、负载扰动这些问题,直线电机控制的效果及生产制造的精确性大受干扰;此外工业生产的恶劣环境需要pmslm伺服控制拥有一些故障容错能力。而开绕组pmslm控制系统将Y型连接解开,每侧各用一个逆变器进行协调控制,以达到三电平的效果,降低了谐波扰动,增加输出功率;同时由于双逆变器结构的开关管冗余性质,其伺服控制具有故障容错特性。因此,设计输出功率高、响应速度快、稳定性强、具备一定容错能力的开绕组pmslm控制系统对工业生产具有重要意义。本文以开绕组pmslm为控制目标,并构建开绕组pmslm实验平台,在此条件下进行开绕组pmslm双逆变器矢量控制和容错控制,论文主要研究工作如下:（1）分析开绕组电机的机械结构及运行机理,并以pmslm的运行机理与FOC控制理论为根本建立开绕组pmslm数学模型,通过MATLAB/SIMULINK建立开绕组pmslm模型实行开环仿真,证明开绕组pmslm原理推导的准确性。（2）详细介绍g-h坐标下SVPWM调制技术的思路,根据开绕组pmslm双逆变器拓扑的工作原理及其FOC控制的特性,设计基于g-h坐标系的开绕组pmslm最大电压SVPWM及无共模电压SVPWM调制策略,通过MATLAB/SIMULINK建立开绕组pmslm伺服控制模型并实现闭环仿真,通过仿真结果证明两种调制策略的可实施性。（3）针对开绕组pmslm的逆变器单管故障,详细分析其故障状态下拓扑结构的重构原理,提出两种基于g-h坐标系的容错控制调制策略;通过MATLAB/SIMULINK建立开绕组pmslm容错控制模型并实现伺服仿真,证明上述调制策略的可行性。（4）制作控制实验平台,开绕组pmslm控制系统的平台包含驱动部分、控制部分:驱动部分包含整流、供电电源、保护、IPM等电路,设计重点放在供电电源及IPM电路;控制部分由28335DSP芯片和外围电路构成,核心电路设计、重要参数选择为重中之重,可保证系统的性能及稳定性。使用DSP编写程序,主要进行g-h坐标系最大电压、无共模电压SVPWM调制策略及g-h坐标系故障状态下容错SVPWM调制策略以及动子位置子程序的编写。（5）构建开绕组pmslm控制实验平台,分别实施双电源-隔离母线结构的开绕组pmslm矢量控制及容错短接重构控制实验。原理推导、模型仿真及实验数据均证明:本文所提出的开绕组pmslm控制系统有较好的抗干扰性能、调速性能和容错运行性能。

关键词：开绕组 pmslm g-h坐标容错控制