永磁直线同步伺服电机的零相位二自由度H_∞鲁棒跟踪控制

针对永磁直线同步伺服电机(PMLSM)直接驱动伺服系统,提出了一种将零相位误差跟踪控制(ZPETC)和H∞鲁棒控制相结合的二自由度鲁棒跟踪控制策略,以解决系统的快速而精确的跟踪控制性能和抗扰性能之间的矛盾。零相位误差跟踪控制器保证了快速性,使系统实现准确跟踪;而H∞控制器克服了负载扰动等不确定性影响,保证了系统具有较强的鲁棒性能。仿真结果表明,该方案在保证伺服系统的快速精确跟踪性的同时,对系统参数变化和阻力扰动具有很强的鲁棒性。

永磁直线同步伺服电机的端部效应分析

现代高档数控机床对伺服进给系统提出了"高速、高精度"的双重要求,采用永磁直线电机直接驱动是实现机床高速、高精度进给的必要途径之一。然而,由直线电机端部效应引起的扰动,也成为影响着机床主轴系统性能的主要因素。本文系统地分析了永磁直线同步伺服电机的静态纵向端部效应、静态横向端部效应、动态纵向端部效应和动态横向端部效应的起因、机理及对电机性能的影响。

梯形Halbach交替极无铁心永磁同步直线电机特性分析与优化设计

针对无铁心永磁同步直线电机(PMLSM)存在推力波动问题以及磁极结构对永磁体利用率的影响,从结构方面着手,提出一种梯形Halbach交替极磁极结构的无铁心永磁同步直线电机,对Halbach阵列进行优化设计。首先通过有限元法对比在Halbach交替极、双层Halbach磁极与梯形Halbach交替极3种磁极结构中PMLSM的电磁性能,分别对气隙磁场谐波成分、空载反电动势、电磁推力以及推力体积比进行计算与对比。其次,采用等效磁化强度法定性分析磁极结构对电机出力性能的影响,并引入Kriging模型,结合多目标优化算法对关键参数进行优化以提高电机平均推力和推力体积比,降低推力波动,得到3个优化目标的Pareto前沿。最后,通过仿真分析验证设计方法的有效性以及电机性能的改善。结果表明:梯形Halbach交替极磁极结构永磁体利用率更高,具有实用价值;梯形Halbach交替极PMLSM能够有效抑制推力波动并保持在7%左右,适用于高精确度加工设备。

永磁直线同步电机改进预测电流控制

永磁直线同步电机(PMLSM)预测电流控制(PCC)时存在易受参数变化和延迟以及负载扰动影响,为此提出基于二阶超螺旋滑模观测器(STSMO)的改进型PCC。首先,建立包含不确定性的PMLSM动态数学模型。然后,为了补偿参数变化以及延迟的影响,采用二阶STSMO估计下一周期的电流和参数变化造成的扰动电压,估计值用以计算下一周期的给定电压,以提高电流跟踪精确度,通过李雅普诺夫函数证明观测器的稳定性。同时,采用基于改进指数趋近律的自适应滑模控制器(ASMC)对速度进行跟踪,将状态变量和滑模面加入到指数趋近律中,不仅削弱了电流抖振,且进一步提升了系统的鲁棒性。半实物仿真实验结果表明,与传统PCC相比,提出方法能有效地抑制不确定性对系统影响,使系统具有更好的跟踪性能和鲁棒性。

基于扩张状态观测器的永磁直线同步电机改进模型预测电流控制

针对永磁直线同步电机(PMLSM)模型预测电流控制(MPCC)中存在的电流脉动过大、在线计算复杂的问题,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的改进MPCC策略。利用最优电压矢量相角和重新划分后的电压矢量扇区,改进第一电压矢量的选取方式,减小第二电压矢量选择范围,以实现电压矢量的快速选取,进而降低电流脉动。同时,为了提高PMLSM抗负载扰动能力,通过ESO对扰动进行观测,将观测到的扰动转换为电流进行补偿,提高系统的鲁棒性,且补偿电流可起到进一步减小电流脉动的作用。仿真结果表明,所提出的控制方法切实可行,与MPCC相比,基于ESO的改进MPCC系统具有更好的控制性能、更小的电流脉动和较强的鲁棒性能。

永磁同步直线电机的矢量控制

由于旋转电机加滚珠丝杠的传统机械结构加入了中间传动环节,无法进一步提升使用性能,研究了永磁同步直线电动机矢量控制算法.针对永磁同步直线电动机开展矢量控制算法分析以及验证工作,在矢量控制系统框架下进行了硬件搭建与软件设计,搭建了永磁同步直线电机矢量控制验证平台,测试核心算法,经过试验,设计的软/硬件能够对永磁同步直线电机进行有效控制,有较好的鲁棒性.

基于谐波注入分段供电永磁直线同步电机变流器开路推力波动抑制

该文提出一种电流谐波注入的方法,减小长定子分段并联供电永磁直线同步电机系统的驱动变流器发生单相开路故障下电机推力波动。首先,根据动子在定子段的位置,推导出分段单元电机的电压方程,得到各个单元电机的推力表达式和系统总推力。然后,依据变流器单相开路前后的全耦合状态下单元电机基波磁动势不变的原则,构造降阶坐标变换矩阵,得到电机的电压方程和推力表达式。采用注入谐波电流、优化故障后直线电机的输出推力的方式,消除变流器单相开路故障产生的4次和6次推力谐波并消除耦合因数变化对电机推力影响;通过多变流器协同控制多单元电机,有效降低变流器单相开路故障后的推力波动,提高电机的最大输出推力。仿真和实验验证该方法的有效性。

分段式双三相永磁直线同步电机的无模型电流预测控制

分段式结构的双三相永磁直线同步电机(PMLSM),动子穿入和穿出定子分段时,传统的无差拍预测电流控制(DPCC)易受反电动势动态扰动的影响,无法实现精确的电流跟踪和推力控制。同时,该电机模型的参数失配会增大DPCC电流和推力控制的难度。针对以上问题,该文提出了一种基于无模型电流预测控制(MFPCC)的电流控制策略。首先,构建了分段式双三相PMLSM的超局部模型。其次,基于该超局部模型设计了预测电流控制器,并设计扰动观测器以补偿反电动势动态扰动和参数失配的影响。最后,实验验证了所提MFPCC能够抑制分段式双三相PMLSM的反电动势和参数失配的扰动,有效提升参数鲁棒性、电流跟踪性能并降低推力波动。

基于级联线性-非线性自抗扰控制器的永磁直线同步电机速度控制策略研究

为了提升永磁直线同步电机(permanent magnet linear synchronous motor,PMLSM)在负载变化、参数摄动和其他不确定因素下的抗扰性能和速度跟踪性能,提出一种基于级联线性-非线性自抗扰控制器的PMLSM速度控制策略。首先,建立考虑负载扰动和参数失配的PMLSM数学模型;其次,设计级联线性-非线性扩张状态观测器来实时估计和补偿系统所受的不确定扰动,前级线性扩张状态观测器保证系统在大扰动下保持稳定,后级非线性扩张状态观测器利用非线性机制进一步提高系统对扰动的估计精度,从而将线性自抗扰控制和非线性自抗扰控制的优势相结合,以此提升系统的速度跟踪性能和抗扰动能力;并且,对所提控制器提出基于劳斯判据的稳定性分析方法,并对系统的抗扰性能和噪声抑制性能进行了频域分析;最后,对基于PI控制、级联线性自抗扰控制、非线性自抗扰控制和级联线性-非线性自抗扰控制的永磁直线同步电机系统进行仿真和实验对比,验证所提方法的优越性。

模块化永磁直线同步电机考虑制造公差的推力鲁棒性优化

模块化永磁直线同步电机(MPMLSM)具有效率与推力密度高、可靠性和可加工性好等优点,非常适用于长行程运输系统;缺点是批量生产中性能易受到加工公差的影响。针对这一问题,该文提出了一种考虑制造公差的综合多目标鲁棒优化设计方法。首先,基于六西格玛设计方法建立了鲁棒优化模型;其次,采用拉丁超立方采样方法在尺寸公差范围内根据正态分布规律进行抽样,模拟大规模生产时电机尺寸受公差影响可能会出现的各种变化;再次,在尺寸优化范围内均匀抽样构成足够的训练样本,由有限元软件仿真这些抽样方案的推力性能,并基于反向传播神经网络建立电机设计代理模型;然后,应用该代理模型对拉丁超立方采样得到的样本进行电机性能的计算,求解样本整体对应的各优化目标的均值与方差,进而计算多目标优化的适应度;最后,采用非支配排序遗传算法Ⅱ进行全局优化,得到鲁棒优化方案,与不考虑公差的确定性优化方案相比,验证了该方法的有效性。鲁棒优化方案虽然略微增加了电机体积和推力波动,但是其失效概率低,受公差影响小,更加符合产品批量生产过程中的质量要求。

基于SOGI高频方波电压注入的永磁直线同步电机无感控制

针对永磁直线同步电机的无感控制技术,为了解决传统高频方波注入法无法准确定位转子位置和转速的问题,提出了基于SOGI高频方波电压注入的无感方法。与传统的高频方波电压注入法不同,为了得到更好的高频电流信号,采用二阶广义积分器提取响应高频电流信号,采用正交锁相环解决反正切函数没有反馈直接放大噪声的影响。为证明无感控制技术的有效性,用Simulink进行了仿真验证。结果表明,基于SOGI高频方波电压注入的无感方法大大降低了误差,缩短了调节时间,提升了响应时间。

基于有限时间状态观测器的永磁同步直线电机递归终端滑模控制

针对载荷变化、非线性摩擦、推力波动和外部扰动等不确定性降低永磁同步直线电机位置跟踪性能的问题,提出一种基于有限时间状态观测器的递归终端滑模控制方法。首先,建立考虑有界集总不确定性的直线电机动力学模型。其次,设计快速终端滑模函数和积分滑模函数的递归结构,强制系统直接从滑模面启动,减少了跟踪误差的收敛时间。然后,引入有限时间状态观测器实时估计集总不确定性并前馈补偿到控制率中,提高系统的鲁棒性和减少抖振。接着,利用李雅普诺夫理论分析闭环控制器的稳定性和有限时间收敛性。最后,搭建基于半实物AD5435的实验平台,实验结果验证了所提方法的可行性和优越性。

无源多动子永磁同步直线电机定位方法研究

为实现永磁同步直线电机系统中对多个无源动子的绝对定位,设计了基于双磁道的短磁栅、长传感器定位方案。双磁道包括增量式磁道和绝对式磁道,每个磁道中的短磁栅为永磁体阵列,长传感器内霍尔阵列由线性霍尔芯片组成,且长传感器包含多个线性霍尔阵列。其中,增量式磁道采用区间查表方式计算位移增量,绝对式磁道采用连续位移编码方式识别绝对偏移量。定子传感器数字信号输出的霍尔芯片阵列与主控MCU之间通过总线方式连接,且信号处理和传输均在MCU中进行,简化了硬件电路。结果表明,无源多动子绝对位置传感器具有不同应用场景便于移植的特点,使无源动子的定位更灵活。

基于混合自适应扩展卡尔曼滤波的永磁同步直线电机等效机械参数辨识策略

针对机械参数辨识精度受推力系数波动影响而降低的问题,提出等效机械参数模型,将推力系数与待辨识参数相结合,并推导该模型在控制器调谐和前馈补偿上与传统模型的等效性。为了进一步实现等效机械参数在线辨识,构建基于混合自适应扩展卡尔曼滤波的辨识器。混合自适应扩展卡尔曼滤波在系统噪声矩阵和渐消因子中加入自适应机制,能够估计系统噪声,并在负载突变时快速收敛。通过对系统可观性和矩阵正定性的推导,证明算法的稳定性。最后,在一台永磁同步直线电机上进行实验,验证所提算法的有效性及其在PWM周期为32 kHz和10 kHz时在线运行的可行性。

电磁发射用永磁同步直线电机磁场解析及推力波动优化

针对电磁发射用永磁同步直线电机的磁场解析及推力波动优化问题,建立单边发射电机磁场解析模型,利用矢量磁位及边界条件,分别对次级Halbach永磁阵列及初级六相绕组磁场进行解析,得到气隙磁场分布,进而建立单边发射电机主要结构参数与电磁推力间的函数关系。选取永磁阵列极弧系数及厚度、初级绕组宽度及厚度4个参数作为优化变量,利用遗传算法寻找设计变量的最优组合,使发射电机单边电磁推力波动最小化。分析结果表明:磁场解析结果精度较高,电磁推力计算误差满足工程分析的需要;优化后的单边发射电机平均推力提升1.21%,峰均力比下降62.688%,通过解析及仿真结果的对比验证了理论推导的正确性及优化方法的合理性。

永磁同步直线电机位移误差的预设性能反步控制策略

单轴电机的伺服控制主要是对位移跟踪精度的控制,误差较大意味着跟随效果较差。目前对电机位移误差的控制策略大多难以做到定量的约束控制。本文提出一种将位移误差设置在预期范围内的预设性能反步控制策略,来定量调控输出位移误差的响应时间以及超调量等暂态性能,降低直线电机的位移误差。本文设计了预设性能函数作为控制边界,保证位移跟踪误差处于误差范围内并按设定时间快速收敛,利用Lyapunov理论设计反步控制器保证了系统的闭环稳定性和跟踪误差的收敛性。最后,利用直线电机伺服实验平台,通过不同工况高精度点位运动实验,证明了该控制算法能够有效降低点位运动的位置跟随误差。

基于传动模型重构的永磁同步直线电机机械参数辨识

针对永磁同步直线电机(permanent magnet synchronous linear motor,PMSLM)机械参数辨识中存在模型不准确、辨识参数耦合、辨识精度低等问题,该文提出一种基于传动模型重构的机械参数辨识算法。首先,根据重构模型建立扩张状态观测器得到动子质量和摩擦力、电磁推力、质量辨识初值的耦合信息;其次,为消除这种耦合,提出一种两级式的动子质量解耦辨识策略。再次,根据PMSLM的摩擦特性,构造一种综合考虑速度和加速度影响的摩擦力模型,更精确地描述真实摩擦力。最后,搭建基于机械参数辨识算法的控制系统,通过仿真和实验验证,证明所提辨识算法的有效性。

基于磁链观测的永磁直线同步电机自适应非奇异快速终端滑模控制

针对应用于电磁弹射的永磁直线同步电机(PMLSM)无位置传感器控制系统易受参数变化等不确定因素影响,提出一种将磁链观测器与自适应非奇异快速终端滑模控制(ANFTSMC)相结合的组合控制系统。该组合控制系统针对含有不确定参数的PMLSM,设计磁链观测器实时计算电机动子的位置和速度信息,确保控制系统快速获得准确的运行参数,并利用ANFTSMC自适应调整系统收敛速度的特性,抑制不确定因素的影响,提高系统的响应速度,避免终端滑模控制出现的奇异性问题。通过仿真分析验证,该控制系统可以在保证跟踪精度和响应速度的同时,削弱抖振,实现PMLSM无位置传感器情况下快速、平稳运行,该控制系统能够满足电磁弹射的工程应用要求。

基于非线性时间延迟扰动估计的永磁同步直线电机无模型鲁棒位置跟踪控制

为了提高永磁同步直线电机在载荷变化工况下的伺服性能,该文提出了一种基于非线性时间延迟扰动估计的无模型鲁棒位置控制策略。首先,建立一种新型的动力学阶次模型,消除了传统动力学模型中的电机参数和非线性项;其次,引入终端吸引因子设计了期望非线性误差动力学,确保位置跟踪误差的高精度有限时间收敛;然后,采用时间延迟扰动估计技术在线估计载荷变化引起的不确定性并前馈补偿到控制回路,同时结合非线性阻尼项克服时间延迟扰动估计的误差,利用李雅普诺夫理论分析了闭环控制器的稳定性和有限时间收敛性;最后,在不同工况下与传统的比例微分控制和滑模控制进行对比,仿真和实验结果验证了所提方法的有效性和优越性。

基于复合神经网络重构对象的永磁同步直线电机变参数型位移速度并行控制

针对永磁同步直线伺服电机(PMSLM)传统位移控制算法中控制器系数固定带来的控制精度不足等问题,提出一种基于复合神经网络重构对象的PMSLM变参数型位移速度并行控制策略。首先,利用动子位移、线速度的误差信息设计变参数并行控制器;其次,建立含有控制对象多维信息的复合径向基神经网络观测动子位移,并得到控制对象的偏导信息;再次,基于闭环稳定条件,以周期检索的误差与控制目标的比较结果为基础,构建完整的位移速度并行控制器参数更新策略;最后,实验结果表明,该文所提控制策略能实现不同给定位移的高精度控制,且具有控制不同对象参数的泛用性。