永磁同步直线电机速度控制系统的研究.pdf

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1、第５２卷第１期厦门大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．５２Ｎｏ．１２０１３年１月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉａｍｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）Ｊａｎ．２０１３永磁同步直线电机速度控制系统的研究王春梅，洪永强＊，褚旭阳，李钷（厦门大学物理与机电工程学院，福建厦门３６１００５）摘要：针对永磁同步直线电机，介绍了其数学模型，建立了永磁同步直线电机闭环控制系统，分析了各种控制方法在直线电机控制系统的优缺点．通过分析比较，得出永磁同步直线电机调速系统中基于饱和函数的模糊滑模控制系统具有很强的鲁棒性，可以

2、有效地削弱抖振，系统动静态性能良好．关键词：永磁同步直线电机；模糊滑模控制；ＭＡＴＬＡＢ仿真中图分类号：ＴＭ３０１．２文献标志码：Ａ文章编号：０４３８－０４７９（２０１３）０１－００４８－０５近年来，直线电机技术得到越来越多的企业和专家机械运动方程（等幅值变换）：的关注，其应用场合越来越多．与旋转电机相比，直线电３πＦｅ＝（ψｄｉｑ－ψｑｉｄ），（３）机有着显著的优点：结构简单、反应速度快、灵敏度高、随２τｄｖｄｖ动性好、密封性好、不怕污染、适应性强、有精密定位和自Ｆｅ＝Ｍ＋Ｆｆ＝Ｍ＋Ｆｌｏａｄ＋ｄｔｄｔ锁

3、的能力．但是，由于直线电机结构本身存在着非线性和Ｆｆｒｉｃ（ｘ）＋Ｆｒｉｐｐｌｅ（ｘ），（４）不确定性的缺点，其控制器设计很难达到高精度、快速响ｄｖ应的要求．本文针对直线电机的这一特点，设计了基于饱ｋｆｉｑ＝（Ｍ＋ΔＭ）ｄｔ＋（Ｂ＋ΔＢ）ｖ＋Ｆｄ．（５）和函数的滑模控制的速度控制系统．该系统使得永磁同ｄｖ定义广义扰动：ｆ＝ΔＭ＋ΔＢｖ＋Ｆｄ，则步直线电动机速度跟踪系统具有响应的快速性、鲁棒性ｄｔ和抗干扰性，基于饱和函数的滑模控制系统应用在永磁ｄｖｋｆｉｑ＝ΔＭ＋ΔＢｖ＋ｆ．（６）ｄｔ同步直线电机中具有很好

4、的动静态特性．式中：ｕｄ、ｕｑ、ｉｄ、ｉｑ、Ｌｄ、Ｌｑ分别为直、交轴电压、电流及电感，对直线电机Ｌｄ＝Ｌｑ＝Ｌ；Ｐ为极对数；Ｒ为电枢１永磁直线电机数学模型电阻；Ｆｒｉｐｐｌｅ＝Ａｒｓｉｎ（ｗｘ＋φ）＝Ａｒ１ｓｉｎｗｘ＋Ａｒ２ｃｏｓｗｘｘ－２为纹波推力；Ｆｆｒｉｃ＝［ｆｃ＋（ｆｓ－ｆｃ）ｅ（）ｘｓ］ｓｇｎ（ｘ）＋本文中永磁直线电机伺服控制系统由速度外环和Ｂｘ为摩擦力；ｆ为定子磁钢在电枢中的耦合磁链；ｖ电流内环构成．速度外环采用模糊滑模控制，电流内环为电机速度；Ｍ为动子和负载的质量；Ｂ为黏性摩擦采用传

5、统的比例、积分（ＰＩ）控制器以实现ｉｄ＝０的矢因数；Ｆｅ为电磁推力；Ｆｄ为包括负载阻力、摩擦力和［１］量控制．令ｉｄ＝０，则永磁直线电机数学模型为：ππ纹波推力；ｗｅ＝ｗｒｐ＝ｖｐ＝ｖ为电角速度．电压方程：τｐτｄｉｄ２永磁直线电机模型的ＭＡＴＬＡＢｕｄ＝Ｌｄ－ｗｅψｑ＋Ｒｉｄ，ｄｔ仿真ｄｉｑｕｑ＝Ｌｑ＋ｗｅψｄ＋Ｒｉｑ．（１）实现ｄｔ磁链方程：根据永磁直线电机的数学模型，利用ＭＡＴＬＡＢψｄ＝Ｌｄｉｄ＋ψｆ，的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真系统，就能搭建好相应的直线电机的ψｑ＝Ｌｑｉｑ．（２）仿真模型．其各部分仿真

6、实现如图１所示．３永磁直线电机控制算法收稿日期：２０１２－０５－０３基金项目：福建省科技计划重大项目（２０１２Ｈ６０２３）３．１比例、积分、微分（ＰＩＤ）控制＊通信作者：ｈｏｎｇｙｑ＠ｘｍｕ．ｅｄｕ．ｃｎ最常用的ＰＩＤ控制运用于各种控制系统中．利用临第１期王春梅等：永磁同步直线电机速度控制系统的研究·４９·图１直线电机仿真模型Ｆｉｇ．１Ｌｉｎｅａｒｍｏｔｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ界比例法进行ＰＩＤ控制器参数的整定：１）预选择一个足ｄｅ＝ｅ，（７）式中，Ｖ＊为参考直线速度；Ｖ为实际直线速度．可得够短

7、的采样周期让系统工作；２）仅加入比例控制环节，直永磁直线电机系统的误差方程为到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比ｅ＊，（８）例放大系数和临界振荡周期；３）在一定的控制度下通过＝ａｅ＋ｂｕ＋ｄｆ－ａｖ公式计算得到ＰＩＤ控制器的参数．根据这种整定方法，本其中，ａ＝－Ｂ，ｂ＝－ｋｆ，ｄ＝－ｋｆ，ｕ＝ｉ．ｑＭＭＭ文选择参数如下：Ｋｐ＝２００，Ｋｉ＝３００，Ｋｄ＝０．选择滑模面为３．２永磁直线电机滑模控制ｔｔｓ＝ｃｅ（ｔ）ｄｔ＋ｅ＝ｃＩ０＋ｃｅ（ｔ）ｄｔ＋ｅ，（９）永磁直线电机具有较强的非线性和不确定性

8、，由∫－∞∫００于没有中间环节的缓冲，控制系统中任意一个参数的其中，Ｉ０＝ｅ（ｔ）ｄｔ＝－ｖ＊／ｃ为积分初始条件．∫－∞变换都会严重影响直线电机控制系统的静态性能和动采用滑模等效控制法来实现永磁直线电机的滑模态性能．滑模变结构控制适用于非线性系统、确定性与控制，则控制量为不确定性系统．这种控制方法通过控制力的切换使系ｕ＝ｕｅｑ＋ｕｓ．（１０）统状态沿着滑模面滑动，且在收到参数摄动和外干扰ｕｅｑ为滑模等效控制部分，