永磁直線交流伺服系統(tǒng)機械環(huán)的研究

1 引言

交流伺服系統(tǒng)在數控機床、工業(yè)機器人、大規(guī)模集成電路、載人宇宙飛船等高科技領域的應用都日益廣泛，己遍布軍事、冶金、電力、鐵路、運輸、化工、民用等各個領域。在交流伺服系統(tǒng)技術的不斷進步和市場需求的日益提高成為了交流伺服系統(tǒng)不斷發(fā)展的兩大原動力。目前的交流伺服系統(tǒng)已經具備了寬調速范圍、高穩(wěn)速精度、快動態(tài)響應等良好的技術性能，伺服驅動領域即將進入交流伺服時代。交流伺服系統(tǒng)具有電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三環(huán)的結構形式。速度環(huán)增強系統(tǒng)抗干擾能力，抑制速度波動，位置環(huán)保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和跟蹤性能。速度環(huán)和位置環(huán)又稱為機械環(huán)，針對這三個環(huán)節(jié)，主要采用的控制策略有：(1)矢量控制，當前高性能的伺服系統(tǒng)主要采用空間矢量脈寬調制方式通過控制電流來控制扭矩;(2)直接轉矩控制，直接轉矩控制理論在異步電動機方面研究較多，近年來研究者也將直接轉矩控制應用到永磁同步電機上。最近幾年，模糊控制、神經網絡控制、滑膜變結構控制、自適應控制、專家控制、復合控制等許多新型控制理論也逐漸被應用到了電機控制領域中。

本文以永磁直線同步電機為控制對象，利用矢量控制理論，推導永磁直線同步電機d、q軸解耦方程，構造機械環(huán)狀態(tài)觀測器，在傳統(tǒng)的機械環(huán)上加入狀態(tài)觀測器進行仿真，證明機械環(huán)狀態(tài)觀測器可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，從而保證位置控制精度。

2 PMLSM解耦控制理論

忽略端部效應，對于表面粘貼式永磁直線同步電機d，q軸電感相等，根據永磁直線同步電機矢量控制理論，可以得出式(1)的d、q軸電流狀態(tài)方程為

根據式(1)-式(3)可得如圖1所示的d-q坐標系下的永磁直線同步電機控制框圖。

3 基于狀態(tài)觀測器的機械環(huán)控制

對于永磁直線同步電機位置控制來說，在電流環(huán)性能穩(wěn)定的條件下，機械環(huán)作為外環(huán)將直接影響永磁直線同步電機的最終控制效果。機械環(huán)作為外環(huán)包括速度環(huán)和位置環(huán)，目前機械環(huán)控制中位置環(huán)主要采用比例增益P控制，速度環(huán)采用比例積分PI控制，具體控制結構框圖如圖(3)所示。其中，ASR為速度環(huán)調節(jié)器，當采用比例積分PI控制時ASR為

為提高機械環(huán)的抗干擾性能，從而實現精確的位置控制，本文構造機械環(huán)狀態(tài)觀測器。在離散狀態(tài)下，一個控制周期內的加速度變化很小，因此可以忽略。則動子在一個周期內的相對位移可以表示為

根據式(16)的遞推公式，可以實現離散狀態(tài)下的機械環(huán)狀態(tài)觀測器控制程序。修正系數的選擇則可以根據特征多項式的極點配置來確定。

在機械環(huán)狀態(tài)觀測器中存在位移、速度、負載力三個狀態(tài)變量，位移與負載力的變化相對緩慢，因此主要考慮的是速度觀測誤差的收斂速度。因此在極點選取時，要使速度觀測誤差收斂得比速度響應更快，即觀測極點比速度閉環(huán)極點快些，但過快的觀測極點選取會使得系統(tǒng)噪聲放大，引起觀測誤差。

5 結論

本文構建了永磁直線同步電機機械環(huán)傳遞函數，推導了機械環(huán)狀態(tài)觀測器及機械環(huán)狀態(tài)觀測器的離散遞推方程，并在傳統(tǒng)的機械環(huán)上不加狀態(tài)觀測器和加入狀態(tài)觀測器進行仿真分析，結果證明了引入機械環(huán)狀態(tài)觀測器跟蹤性能較好，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，從而保證了直線交流伺服系統(tǒng)位置控制精度。