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。

基于模糊滑模控制的直驱式波浪发电装置最大功率控制方法

海洋波浪能是一种新型清洁能源,为提高直驱式波浪发电系统的发电功率和波浪能转换效率,针对目前普遍使用的比例-积分-微分(PID)控制方法存在输出纹波较大、系统稳定性较差的问题,提出基于模糊滑模控制的最大功率控制方法,根据运行状态实时调整趋近律参数,在实现最大功率跟踪的同时削弱输出纹波,减小跟踪误差,提高系统控制品质。文中以永磁直线发电机(PMLG)作为发电装置,建立系统动力学模型,并通过快速傅里叶变换方法预估不规则波浪主频,设计满足最大功率策略的期望电流跟踪曲线;在此基础上,将常规PID、滑模控制方法与所提出的模糊滑模最大功率控制方法进行仿真对比,结果表明:模糊滑模控制方法在功率上有所提升且具有更好的准确性和稳定性。

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。

基于自抗扰的永磁直驱伺服电机扰动抑制技术研究

针对永磁直驱伺服电机系统控制设计了转速环ADRC。ESO可以实时观测系统扰动并在控制量中进行实时补偿,使得系统在负载变化时具有较强的适应能力,提高了系统的动态性能。针对PI调节器中电流环d,q轴耦合无法实现对电流指令准确追踪的问题,进一步设计了电流环ADRC,可以对转速环的输出电流指令进行快速准确的追踪,使得系统响应时间缩短,在负载突变后具有更快的反应速度,从而提升系统扰动抑制能力。实验结果表明,自抗扰控制策略可以有效地抑制转矩扰动的影响,提升永磁直驱伺服电机系统控制性能。

基于前馈补偿的永磁直驱电机低速抗扰动滑模控制策略

研究了一种基于前馈补偿的永磁直驱伺服电机低速抗扰动滑模控制策略,用以提高低速运行时速度控制的稳定性。通过调整不同系统状态下的滑模面趋近速度,构造了一种新型指数趋近率函数,使得系统在滑模面附近切换更加平滑;为了提升负载突变等恶劣工况下系统的扰动抑制能力,引入降阶扰动观测器对系统受到的转矩扰动进行观测,并进行前馈补偿,通过前馈补偿与改进趋近率组合的方式提高系统的鲁棒性。仿真和实验结果表明,该控制策略对永磁直驱伺服电机低速运行时的多种扰动具有明显抑制效果。

直驱式永磁直线电机深度模糊滑模-自抗扰控制

针对直驱系统中各种非线性干扰直接作用下的永磁直线电机控制性能恶化的问题,提出一种深度模糊滑模-自抗扰控制方法。首先,通过非线性扩张状态观测器估计系统不确定扰动,在滑动面设计中引入跟踪误差的积分项,结合饱和函数sat(s)与位移误差的幂函数设计趋近律,从而改进滑模-自抗扰控制方法;其次,为避免设计过程中的主观影响,进一步提升直线电机在复杂工况下的适应能力,基于深度神经网络训练模糊规则,进而调节滑模控制的关键参数。采用所提方法在直驱泵性能测试平台进行了实验研究,结果表明:所提深度模糊滑模-自抗扰控制方法有效提高了直线电机控制精度、响应速度与鲁棒性,直线电机的阶跃响应时间相对于传统滑模控制方法提升了23.87%;正弦目标跟踪的ITAE指标改善是传统滑模控制方法的4.7%、是改进滑模-自抗扰控制方法的13.2%;在传感器白噪声干扰下,正弦目标跟踪的最大跟踪误差相对于改进滑模-自抗扰控制方法改善了一个数量级。

基于SOGI-FLL的伺服传动系统谐振频率检测方法

在工业伺服控制领域,常采用陷波滤波器抑制机械谐振,而准确地获取谐振频率是谐振成功抑制的首要条件。采用二阶广义积分器-锁频环(SOGI-FLL)分析速度控制器输出信号以检测谐振频率。首先介绍了SOGI-FLL的基本结构及锁频环的工作原理,然后分析了幅值频率自适应SOGI-FLL的频率响应性能,最后通过仿真和试验验证了幅值频率自适应SOGI-FLL能准确且快速地测出谐振频率,将所测频率用于陷波滤波器参数设置,成功抑制了机械谐振。

基于抗扰扩展卡尔曼滤波的摇臂伺服控制

大惯量直驱系统通常需要高增益控制器去实现高响应伺服控制,一般采用位置传感器,经过锁相环配合滤波器对转子位置进行处理,获得转速反馈。常规滤波器的高带宽容易引入转速噪声影响控制稳定性;而低带宽滤波器又限制了控制系统动态响应。针对此现象,该文首先采用基于摇臂运动模型的抗扰扩展卡尔曼滤波器(extended Kalman filter,EKF)观测电机转速,该方法既避免了信号噪声,又便于支持基于模型的运动控制方法获得高控制响应。实际对象运动中模型参数变化较大,例如运动阻尼、电机转矩常数等在不同摇臂位置的数值差别较大,而常规EKF对参数依赖较高。为解决该问题,引入抗扰补偿机制,通过比较EKF位置估计值与实际转子位置测量值偏差,可以获得运动参数变化导致的观测扰动。通过补偿该扰动,可以抑制由于参数变化导致的速度观测误差;再次,采用模型预测控制(model predictive control,MPC)来进一步改善系统动态性能;最后,通过仿真对所提策略进行了研究,并在基于永磁同步电机(permanent magnet synchronous motors,PMSMs)的摇臂伺服实验台上验证了所提方案的有效性。

双边空心式永磁直线伺服电机的空载磁场分析

针对双边空心式永磁直线伺服电机推力波动受到气隙磁场影响的问题,研究该电机空载气隙磁场的分析求解方法。采用等效磁化强度法对双边空心式永磁直线伺服电机的气隙磁场进行求解,推导出气隙和磁极区域中磁场的解析公式。将解析分析与有限元分析结果进行比较,验证解析法的计算结果的准确性。根据气隙磁密的解析公式,分析了3个主要尺寸——永磁体宽度τm、永磁体高度hm和气隙高度δ对空载气隙磁场的影响。分析表明,永磁体高度hm和气隙高度δ主要影响电机气隙磁场大小,对磁场谐波含量影响较小,而永磁体宽度τm对磁场的大小和谐波含量的影响都很显著。通过对永磁体宽度τm的优化设计,可以有效改善电机气隙磁场分布的正弦性,从而减小电机的推力波动。

机床进给用永磁同步直线伺服单元的设计与实验研究

在与其他形式电机比较的基础上,研究了满足数控机床要求的永磁同步直线电机电磁结构设计和伺服控制系统的软硬件开发,解决了直线电机性能实验加载、与速度相关的参数记录等问题,对研制开发的实验样机进行了性能测试,特别给出了定位力的实验方法和测试结果,测试结果表明所开发的样机具有较好的性能。

基于迭代学习与小波滤波器的永磁直线伺服系统扰动抑制

针对迭代学习控制(ILC)算法抑制永磁直线同步电机(PMLSM)周期性扰动时存在非周期分量影响问题,提出一种迭代学习控制算法与小波滤波器相结合的扰动抑制方法。通过重构输入误差信号,剔除非周期分量,从而使设计的PMLSM伺服系统迭代学习控制器快速收敛,减少了迭代次数。提出通过实验确定ILC中L形滤波器参数的方法。实验结果表明,与不带小波滤波器及传统PID比较,所提出的控制方法能够使系统的跟踪效果更好,且保证了在较少迭代次数下,被控系统的输出轨迹能精确地收敛到期望轨迹。

一种低成本的线性霍尔位置检测方法研究

为降低直线伺服系统的成本,提出了利用两个安装位置相差90°电角度的低成本线性霍尔元件检测电机位置的方法,对霍尔元件的安装位置进行了研究.采用有限元法对有铁芯和无铁芯两种结构的圆筒型永磁直线电机的气隙磁场进行了分析,通过对两个分析结果的比较,确定了铁芯影响气隙磁场的区域范围,分析了霍尔元件安装位置对电机位置检测精度的影响.在不同的霍尔元件安装位置条件下,进行了电机位置检测实验,实验结果与有限元分析结果吻合,确定了霍尔元件合适的安装位置.研究结果表明,通过选择合适的霍尔元件安装位置,可以提高该位置检测方法的检测精度.

永磁交流伺服精密驱动系统机电耦合振动特性分析

为了研究永磁交流伺服精密驱动系统中存在的多物理过程、多参量复杂耦合关系,提出了对该系统进行机电耦合振动特性分析的观点。从全局机电耦合的角度,对永磁交流伺服精密驱动系统进行了机电耦合分析,将该系统归纳为三质量两轴系统,建立了三质量两轴系统的机电耦合振动数学模型和仿真模型,仿真分析了由于电流调节器参数、阻尼、谐波扰动、间隙以及负载扰动等因素引起的系统机电耦合振动动态过程,并通过实验验证了机电耦合振动仿真模型的正确性。该机电耦合振动特性分析对提高系统的动态性能具有重要的意义。

基于永磁交流伺服同步驱动的拉床控制系统

目前国内的拉床多采用液压驱动,针对其存在加工质量(精度和光洁度)不佳、能源浪费和环境污染等的问题,在技术成熟和性能优越的永磁交流伺服系统的基础上,设计了一款基于永磁交流伺服系统同步驱动的拉床系统。首先给出了电伺服同步驱动的立式内拉床的机构图,并对该机构图的性能特点进行了分析。重点阐述了主溜板伺服同步驱动系统、调刀伺服驱动系统和拉床控制系统软件设计方案,并采用共享指令的同步控制策略来确保拉床同步性能。最后,以立式内拉床为对象,在20 t的负载力下进行了试验测试。测试结果表明,设计的基于永磁交流伺服同步驱动的拉床控制系统具有成本低、可行性好、同步性能测试稳定、加工精度高等优点,对国内拉床的发展具有一定的指导意义。

永磁同步电机伺服系统

在数控机床、工业机器人等ＦＡ设备中，永磁同步电动机伺服系统得到了相当广泛的应用。研制高性能的永磁同步电动机伺服系统是机电工作者所面临的一项重要任务。本文较全面地论述了永磁同步电动机伺服系统的特点、原理构成、基本设计原则及若干研究方向。

磁极错位削弱永磁直线伺服电动机齿槽法向力波动方法

单边平板式永磁直线伺服电动机(PMLSM)在运行过程中动、定子之间存在较大的法向力波动,法向力波动引起的摩擦力摄动和机床振动极大地影响了机床的加工精度,齿槽效应是引起永磁直线伺服电动机法向力波动的一个重要原因。为此,采用麦克斯韦张量法推导了动子边齿无限长无端部效应的PMLSM法向电磁力的解析表达式,揭示齿槽效应引起的法向力波动的规律。通过对傅里叶分解系数的分析,得出齿槽效应产生的法向力波动的主要谐波次数,提出永磁磁极三段错位法以削弱其引起的主要谐波法向力波动,消除传统的斜极、移相优化方法产生的电动机横向俯仰运动。最后以齿槽法向力波动较为明显的12槽8极PMLSM为例,采用有限元仿真和实验验证,结果证明该方法不仅能够削弱齿槽效应产生的法向力波动,还能在推力基本保持不变的情况下,有效地削弱推力波动。

基于神经网络给定补偿的永磁同步直线交流伺服系统H^∞控制

以永磁同步直线伺服电机为被控对象，应用Ｈ∞控制理论设计了一种具有强鲁棒性的速度控制器。首次提出了基于神经网络给定补偿的Ｈ∞控制策略。仿真实验结果表明，该方案有效地克服了永磁直线电机参数变化及特有的端部效应等对系统的影响，提高了系统的性能指标。

一种永磁直线电机驱动X-Y平台精密轮廓跟踪控制策略

为了解决轮廓误差模型的不准确对循迹系统的影响,提出一种新的轮廓误差模型,该模型利用跟踪误差与进给率等信息定义轮廓误差,是一种改进式的等效切线轮廓误差模型。同时,为了减少直驱式X-Y平台在循迹跟踪过程中产生的轮廓误差,采用了位置PDF控制与轮廓TCC补偿控制相结合的整合式控制策略。PDF控制使位置伺服系统具有较好的鲁棒性,TCC轮廓补偿控制可以对轮廓误差进行实时的补偿。实验结果表明,该文所提出的改进式轮廓误差模型无论是在低进给率或高进给率条件下,都可以实时且有效地计算出循圆跟踪系统的轮廓误差,并使X-Y平台满足高精度轮廓跟踪的要求。

带积分补偿器的永磁直线同步电机滑模控制研究

为了解决传统滑模变结构中存在的高频抖振现象和抗扰动能力较低问题,提出了在控制对象前端引入积分环节的带补偿器方案。在对永磁直线同步电机(PMLSM)的数学模型进行分析的基础上建立了位置环滑模变结构控制状态方程和等效控制模型,提出了更为精确全面的控制参数和等效模型参数的确定方法;以平板式直线永磁同步电机的电机参数为例进行了计算机仿真实验,仿真结果验证了带积分补偿器结构的可行性和有效性。研究结果表明,与传统的滑模变结构相比较,带积分补偿器结构能够较好地克服系统受外力干扰和负载变化所产生的振荡现象,有效地削弱了滑模变结构的抖振现象;通过分析可知,该结构还能克服系统动子质量和永磁铁磁链的扰动产生的系统振荡,提高系统的鲁棒性和控制精度。

复合滑模控制在精密PMLSM激光切割运动平台的应用

针对永磁直线同步电机激光切割运动平台的位置伺服控制低抖振、高精度、强鲁棒的要求,在传统双幂次滑模趋近律的基础上,提出一种变边界层的双幂次滑模趋近律带滑模扰动观测器的复合趋近律滑摸控制方法。变边界层方法是对控制系统的控制精度要求和降低抖振的权衡,而所提出的方法又继承了传统双幂次滑模趋近律方法的有限时间收敛特性。为了降低控制系统设计的保守性,设计了一种基于超螺旋算法的滑模扰动观测器对系统的未知扰动进行估计,并在此算法中添加一个幂指数,通过仿真实验证明了提高幂指数的数值可加快未知扰动的估计值的收敛速度。结合Lyapunov稳定性理论,证明了闭环系统的稳定性。最后,搭建了用于激光切割的永磁直线同步电机平移试验台对所提出的控制器进行测试。实验结果表明:本文所提出的控制器的位置跟踪误差不超过1μm,且误差波动较小,能够满足伺服控制系统的要求。