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1、第29卷第3期华侨大学学报(自然科学版)Vol.29No.32008年7月JournalofHuaqiaoUniversity(NaturalScience)Jul.2008文章编号:1000-5013(2008)03-0331-04永磁直线电机的H]鲁棒控制系统设计陈一秀,王永初(华侨大学机电及自动化学院,福建泉州362021)摘要:对矢量控制的永磁直线同步电机构成一个三环系统1为了克服不确定性因素和各种扰动对系统的影响,提高系统的鲁棒性能,在速度环和电流环内设计了H]状态反馈控制器.将系统设计转化成H]标准设计问题,然后通过求解线性矩阵不等式设计H]状态反馈
2、控制器.仿真结果表明,与常规的比例积分调节比例积分调节(PI)控制相比较,提出的控制策略使系统响应速度快,对扰动抑制能力强,对参数变化不敏感,具有较强的鲁棒性和伺服性能.关键词:永磁直线电机;H]状态反馈控制器;线性矩阵不等式;鲁棒性中图分类号:TM351.012文献标识码:A在采用永磁直线伺服系统驱动的高速度、高精度数控机中,由于省掉了机械传动机构,将负载直接与永磁直线同步电机的动子相连,消除了机械传动链所带来的不良影响.数控机床直线伺服系统的设计要求是,系统能够尽快消除负载扰动,并快速准确跟踪给定指令.然而,采用了直线电机这种/零传动0方式以后,系统中的不确
3、定因素如负载扰动、参数变化、非线性、端部效应等,将直接反应到直线电机的运动控制中,并增加了直线电机控制上的难度.针对这一特殊性,本文对直线电机构成一个三环系统,在速度环和电流环内设计了H]状态反馈控制器.1控制系统的结构1.1永磁直线电机数学模型在d-q坐标系中,假定选取电机在d-q坐标系中的直、交轴电流id,iq,运动部分的速度v和位移y[1]作为状态变量,则永磁直线电机的状态方程为did1Pdiq1PP=(ud-Rdid+Lqviq),=(uq-Rqiq-Ldvid-7fv),dtLdSdtLqSS(1)dv13Pdy={pn[7fiq+(Ld-Lq)idi
4、q]-FL-Dv},=v.dtm2Sdt式中,ud,uq为d和q的轴动子电压;id,iq为d和q的轴动子电流;Rd,Rq为d和q的轴相绕组电阻;Ld,Lq为d,q的轴动子电感;v为动子移动速度,S为磁极中心距,pn为极对数,7f为定子励磁磁链,FL为负载阻力,D为与速度有关的阻尼系数,m为包括负载在内的移动系统的质量.*对永磁直线电机采用基于电流跟踪的矢量控制技术,即始终使直轴电流为零,idSid=0.于是,电机在d-q坐标系下的模型可简化为diqdv=(-Rqiq-KIv+vq)/Lq,=(KTiq-Dv-FL)/m.(2)dtdt3P2式中,KT为与电机参数
5、有关的推力系数,KT=pn#7f,KI=KT.将其转换成状态方程形式,有2S3pn&X=AX+BU,Y=CX(3)收稿日期:2007-10-08作者简介:陈一秀(1966-),女,副教授,主要从事机电传动与控制的研究.E-mail:cyx@hqu.edu.cn.基金项目:华侨大学高层次人才科研启动项目(07BS401)332华侨大学学报(自然科学版)2008年T式中,X为状态向量,X=[iqv],U=vq,Y=v;FL为扰动-R/Lq-KI/LqT项,A=,B=[1/Lq0],C=[01].KT/M-D/M图1为其结构框图.1.2直线伺服鲁棒控制系统结构根据对象
6、的实际特点,提出控制系统为三环系统,如图2所示.X为电机轴上包括负载阻力、端部效应等的外部扰图1简化动态结构框图动项1外环为位置环,用PI位置控制器来保证输出对位置Fig.1Simplifieddynamicstructureblockdiagram指令的跟踪性能,中间为速度环,内环为电流环.传统PI控制器很难同时满足跟踪和抗扰性能的要求,而积分-比例IP控制器在选择较高的积分增益KI时,对参考信号具有很快的响应能力,对负载扰动[2]亦具有较强的抑制能力1因此,在速度环内采用IP速度控制器.为了克服参数不确定性因素和各种扰动对系统的影响,提高系统的鲁棒性能,在速
7、度环和电流环内设计了H]状态反馈控制器K(s).2H]状态反馈控制器的设计图2鲁棒控制系统结构图如图3所示系统中,u为控制输入信Fig.2Structurediagramoftherobustcontrolsystem号,y为观测量,X为干扰输入信号,z为被控输出(或应设计需要而定义的评价信号).由输入信号u,X到输出信号z,y的传递函数矩阵G(s)称为增广被控对象,它包括实际被控对象和为了描述设计指标而设定的加权函数等,K(s)为控制器.设传递函数矩阵G(s)的状态空间由&x=Ax+B1X+B2u,z=C1x+D11X+D12u,y=C2x+D21X+D22u
8、(4)给出.针对图3所示
