无速度传感器式直线伺服系统及其应用.pdf

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1、第３７卷第１期杭州电子科技大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．１２０１７年１月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｎｇｚｈｏｕＤｉａｎｚｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ）Ｊａｎ．２０１７ＤＯＩ：１０．１３９５４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｈｄｕ．２０１７．０１．０１４无速度传感器式直线伺服系统及其应用王双中１，陈德传１，郑忠杰２，王新琛１（１．杭州电子科技大学自动化学院，浙江杭州３１００１８；２．深圳市大疆创新科技有限公司，广东深圳５１８０００）摘要：提出一种基于新型反电势扩展滑模观测器的直线速度软检测方法．以电流微分方程和反电势微分方程为观测模型，采用开关控制律，以实际电流和观测电流之间

2、的误差为切换函数，反电势观测结果由一系列开关脉冲通过积分得到连续正弦信号，可直接用于速度的软检测．实验表明，ＰＭＬＳＭ直线伺服系统可在其额定最大速度的１０％以上实现无光栅尺的闭环控制运行，满足纠偏控制系统对执行速度的控制要求，在实际试用中达到预期目标．关键词：反电势扩展滑模观测器；永磁同步直线电机；速度软检测；无光栅尺闭环运行中图分类号：ＴＰ２７３文献标识码：Ａ文章编号：１００１－９１４６（２０１７）０１－００６２－０６０引言带材在卷绕过程中要求带材居中无偏、稳定地沿卷绕方向运动．尽管采取了多种抑制跑偏的措施但跑偏现象仍不可避免，若不及时进行纠偏，将引起带材边缘不齐整等缺陷进而影响产品质量

3、，甚至无法［１］生产．永磁同步直线电机（ＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＬｉｎｅａｒＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ，ＰＭＬＳＭ）可直接驱动直线［２］运动负载，应用于高速高精度的工业场合．纠偏控制系统对速度的绝对精度要求不太高，可采用基于速度软检测的无光栅尺闭环控制．适用于中、高速的速度软检测方法主要有两类：一类是基于电机理想［３］模型的开环计算方法，如反电势积分法，其计算过程简单，但易受参数不确定性影响；另一类是基于各［４］种观测器模型的闭环算法，如扩展卡尔曼滤波法能有效抑制测量噪声影响，但计算量大；滑模观测器［５－７］法因受参数和干扰变化影响小，具有鲁棒性强及动态响应快的特点，相关应用较

4、多．本文设计了一种新型反电势扩展滑模观测器，得到的反电势观测值为连续正弦信号，可直接用于速度软检测，避免了传统滑模观测器的相位滞后问题．１新型纠偏系统的组成基于ＰＭＬＳＭ速度软检测的带材收卷纠偏控制系统组成原理如图１所示，包括带材收卷机构、跑偏量传感器、纠偏控制器、ＰＭＬＳＭ直线伺服系统等．ＰＭＬＳＭ直线伺服系统的作用是接收纠偏控制器发过来的纠偏信号，由ＰＭＬＳＭ驱使带材的导向机构运动以完成纠偏图１基于ＰＭＬＳＭ速度软检测的带材控制．新型纠偏系统要求伺服执行系统具备动收卷纠偏控制系统组成原理框图态响应快、稳定性好、可靠性高、易维护等特点．收稿日期：２０１６－０６－１２基金项目：国家自然科学

5、基金资助项目（Ｕ１５０９２０３）作者简介：王双中（１９９０－），男，江苏兴化人，硕士研究生，直线电机控制与应用．通信作者：陈德传教授，Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｄｅｃｈｕａｎ＠ｈｄｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．第１期王双中，等：无速度传感器式直线伺服系统及其应用６３２ＰＭＬＳＭ伺服系统的设计２．１基于速度观测控制的ＰＭＬＳＭ伺服系统组成原理采用ｉ＊矢量控制策略的ＰＭＬＳＭ速度软检测控系统框图如图２所示，Ｓ１为速度软检测选择开ｄ＝０关．电流调节器和速度调节器均为带饱和限幅环节的ＰＩ调节器．新型反电势扩展滑模观测器的输入为和αβ轴电压给定指令ｕ＊，ｕ＊，并将反电势观测结果ｅ＾，ｅ＾送给锁相环，经其计算后得到速

6、αβ轴电流ｉα，ｉβαβαβ度观测值ｖ＾和电角度观测值θ＾．并在ＰＭＬＳＭ行程两端设置有左、右限位开关．图２ＰＭＬＳＭ速度软测控系统原理框图２．２ＰＭＬＳＭ建模与直线速度观测器设计对于表面磁极型的ＰＭＬＳＭ，可忽略凸极效应，电机在αβ坐标系下的电流状态方程为：·熿Ｒ０燄熿１０燄熿１０燄－－ｉαＬｓｉαＬｓｕαＬｓｅα［·］＝［］＋［］＋［］．（１）ｉβ０－Ｒｉβ０１ｕβ０－１ｅβ燀Ｌｓ燅燀Ｌｓ燅燀Ｌｓ燅··式中：ｉα，ｉβ，ｉα，ｉβ是αβ坐标系下的动子电流及其导数，ｕα，ｕβ是αβ坐标系下的动子电压，ｅα＝－ωｆｓｉｎθ，ｅβ＝ωｆｃｏｓθ是αβ坐标系下的动子反电势，Ｒ为动子相电阻，

7、Ｌｓ为动子绕组电感，ｆ为定子永磁体磁链，ω为动子平移速度折算成的旋转电角速度，θ为动子平移位移折算成的旋转电角度．动子平移速度ｖ、平移位移ｘ、电机极距τ和ω、θ之间的关系为：ｖ＝τω＝τｄθ，（２）ππｄｔτｘ＝θ．（３）πω相对于电变量变化慢得多，在一个采样周期中可认为ω基本不变，对ｅα，ｅβ求导，得到：·ｅα０－ωｅα［·］＝［］［］．（４）ｅβω０ｅβ以动子电流、反电势为状态变量，根据式（１）构建反电势扩展滑模观