高性能永磁直线同步电机建模与控制研究

《高性能永磁直线同步电机建模与控制研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：高性能永磁直线同步电机建模与控制研究作者：张博学科专业：电机与电器指导教师：齐蓉教授2017年6月ResearchonModelingandControlofHigh-PerformancePermanentMagnetLinearSynchronousMotorSystemsByZhangBoUndertheSupervisionofProfessorQiRongADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInPartialFulfillm

2、entoftheRequirementFortheDegreeofDoctorofElectricMachineandEquipmentXi’anP.R.ChinaJune2017摘要摘要永磁直线同步电机（PermanentMagnetLinearSynchronousMotor,PMLSM）作为直驱系统的核心部件，不仅省去了传统旋转电机驱动系统的中间转换环节，使系统结构得到简化，而且具有响应快、精度高、推力密度大的优点，在精密激光切割机、高端数控机床、机器人、医疗、航天等领域中具有广阔的应用前景。本文以研究该类高性能PMLSM的建模和控制方法为目的，针对分

3、数槽PMLSM的建模、PMLSM驱动的激光切割机和抽油机两个系统的高性能控制技术进行研究，论文主要创新如下：1.分数槽结构的PMLSM具有动态性能好、齿槽作用力小等优势，从而得到广泛关注，但该结构也显著提高了模型计算的复杂程度。等效磁路法依赖于模型网络且通常建模误差较大；有限元方法建模计算精确度高，却难以获得模型参数与电机物理结构之间的解析表达式；2维/3维解析方法在建模速度和准确度方面具有优势，但复杂的边界条件也造成了计算模型参数的难度。针对现有建模研究的不足，本文提出一种适用于分数槽PMLSM的改进绕组函数法，用以计算其电感、磁链等参数，以及齿槽力和边端

4、力等物理量，利用广义派克变换导出其dq轴数学模型，并以具有分数槽结构的五相圆筒式和三相单边式PMLSM的建模实例，验证了采用分数槽技术设计PMLSM能减小其齿槽力从而提高了PMLSM的动态性能。通过对五相分数槽圆筒式PMLSM瞬态特征的仿真实验，证明了采用该方法建模的准确性。该方法充分体现了其建模速度快、模型参数意义明确的优势，是对分数槽PMLSM建模的有益尝试，因得到了PMLSM边端力和齿槽力的解析式，也为PMLSM自身性能的提高提供了重要的设计依据。2.参数摄动、未建模动态和负载扰动等不确定性扰动以及自身推力波动对PMLSM驱动的激光切割伺服系统的控制性

5、能影响显著，双幂次趋近律滑模控制方法具有提高系统鲁棒性和动态响应的特点，但滑模抖振却成为制约其实际应用的关键因素之一，采用固定边界层法虽可削弱滑模抖振，但也造成了伺服跟踪的稳态精度的下降。针对现有的双幂次趋近律滑模控制方法存在的控制精度不高、抖振较大的问题，提出一种新型双幂次滑模趋近律控制方法。通过设计一种基于超螺旋算法的幂指数可调的滑模扰动观测器，用于补偿系统的未知扰动和降低系统控制的保守性，采用变边界层法解决滑模抖振和控制精度间的矛盾。通过在PMLSM驱动的激光切割平台上采用本文方法、传统线性方法和其它两种双幂次趋近律滑模控制方法的对比实验，验证了本文所

6、提方法有效地提高了系统的动态性能、鲁棒性能和稳态精度。该方法对于提升快速运行的PMLSM直驱系统整体性能有益，是滑模控制方法在机电伺服系统工程应用的一种有力支撑。3.对于PMLSM直驱系统，系统扰动和摩擦力是影响其高性能运行的最重要因素，特别地，当系统工作在低速状态时，摩擦力对系统动态性能的影响尤为突出。为了能更I西北工业大学博士学位论文加准确地描述静态、动态等摩擦力对系统的作用，本文采用LuGre摩擦模型并建立含摩擦的PMLSM直驱系统的连续状态空间模型。针对系统的抑制扰动和摩擦补偿问题，提出一种自适应反演滑模控制器。将系统划分为位置速度一体化子系统和电流

7、子系统并分别设计控制算法，在位置速度一体化子系统中，采用基于指数趋近律的自适应滑模控制方法，保证控制系统收敛，实现对系统扰动和摩擦力参数在线估计，以此来设计虚拟控制律，在电流子系统中，结合无抖振终端滑模控制思想，实现对系统控制品质的进一步提高。在低速运行的PMLSM激光切割系统上，通过与常规控制方法的对比实验，结果证明该方法能够提高系统的控制性能。该方法提升了PMLSM驱动激光切割系统的扰动抑制能力，有效地补偿了系统的摩擦力，简化了控制系统的结构，为多闭环机电系统的高性能伺服控制提供一种新方法。4.载荷位移传感器等器件能实现PMLSM抽油系统位置/速度的精确

8、检测，是实现闭环系统高性能伺服控制的关键。然而，这些