張可明+盧秀和
摘 要:永磁直線同步電機(jī)廣泛地應(yīng)用于精密工業(yè)制造業(yè),高精度的數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)等高精密工業(yè)領(lǐng)域。但傳統(tǒng)的用于速度檢測(cè)的光電編碼器、光柵尺等速度檢測(cè)器的存在阻礙著電機(jī)的高精密發(fā)展。文章根據(jù)永磁直線同步電機(jī)的工作原理,建立其數(shù)學(xué)模型,結(jié)合國(guó)內(nèi)外的無(wú)傳感器控制的相關(guān)文獻(xiàn),綜述無(wú)傳感器控制技術(shù)在永磁直線同步電機(jī)控制策略中的應(yīng)用,分析不同控制策略能的優(yōu)缺點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:永磁同步直線電機(jī);無(wú)傳感器;控制策略
引言
一般而言,要實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的精確控制,必須在系統(tǒng)中安裝檢測(cè)速度的速度傳感器。但速度傳感器的存在不僅增加了系統(tǒng)的成本,而且還阻礙著電機(jī)的高精密化發(fā)展。為了解決這一問(wèn)題,無(wú)傳感器控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文根據(jù)永磁直線同步電機(jī)的工作原理,建立其數(shù)學(xué)模型,在大量參閱了國(guó)內(nèi)外的無(wú)傳感器控制策略的相關(guān)文獻(xiàn)情況下,介紹了幾種無(wú)傳感器控制技術(shù)在永磁直線同步電機(jī)控制策略中的應(yīng)用,針對(duì)不同期望特性的控制系統(tǒng),應(yīng)選取合適的控制策略,才能滿足伺服系統(tǒng)的要求。
1 永磁直線同步電機(jī)的工作原理與數(shù)學(xué)模型
1.1 電機(jī)的工作原理
與旋轉(zhuǎn)電機(jī)類似,永磁直線同步電機(jī)的工作原理也是利用電磁作用將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。在電機(jī)的初級(jí)端的三相繞組施加三相對(duì)稱正弦電流,氣隙中會(huì)產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng),且該磁場(chǎng)并不是旋轉(zhuǎn)的,而是沿著直線方向呈正弦分布,稱為行波磁場(chǎng)。行波磁場(chǎng)與次級(jí)端的永磁體相互作用,就會(huì)產(chǎn)生電磁推力。在電磁推力的作用下,初級(jí)沿著行波磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)的反方向做直線運(yùn)動(dòng)。
1.2 電機(jī)的數(shù)學(xué)模型
為簡(jiǎn)化分析電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,理想狀態(tài)下電機(jī)在坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)方程為:
式中Ld、Lq分別為交直軸電感;id、iq分別為交直軸的電流分量;?鬃d、?鬃q分別為交直軸軸磁鏈;?棕r為動(dòng)子等效角速度,?鬃f為動(dòng)子永磁體磁鏈,R為定子電阻。
2 無(wú)傳感器控制策略在直線電機(jī)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用
2.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制策略
滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本原理是根據(jù)控制系統(tǒng)期望的控制效果設(shè)計(jì)一個(gè)切換超平面,在不連續(xù)的控制律作用下,使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷地變換,并不斷地觀測(cè)定子的電流的大小,保證觀測(cè)的電流值與實(shí)際的定子電流值誤差較小,使系統(tǒng)在一定條件下沿期望的狀態(tài)軌跡作高頻小幅度上下運(yùn)動(dòng)。通過(guò)這種高頻率的來(lái)回調(diào)節(jié),強(qiáng)迫系統(tǒng)的狀態(tài)沿著超平面向平衡點(diǎn)滑動(dòng),使系統(tǒng)最后漸進(jìn)穩(wěn)定在平衡點(diǎn)的允許范圍內(nèi),即滑動(dòng)模態(tài)運(yùn)動(dòng),如圖1所示。滑模變結(jié)構(gòu)控制策略結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快,又由于可以設(shè)計(jì)其滑動(dòng)模態(tài),抗干擾能力較強(qiáng),系統(tǒng)魯棒性好,但存在著系統(tǒng)不能自起動(dòng),嚴(yán)重依賴電機(jī)參數(shù)等問(wèn)題。
2.2 模型參考自適應(yīng)控制策略
模型參考自適應(yīng)控制策略的基本原理是將全含已知參數(shù)的系統(tǒng)方程作為參考模型,將含有未知參數(shù)的系統(tǒng)方程作為可調(diào)模型,且這兩個(gè)模型的輸出量物理意義相同。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),參考模型和可調(diào)模型同時(shí)啟動(dòng),并利用二者輸出量的差值,根據(jù)系統(tǒng)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)設(shè)置的自適應(yīng)控制算法來(lái)調(diào)節(jié)可調(diào)模型的控制參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的輸出量在線實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)的參考模型,控制策略的原理圖如圖2所示。模型參考自適應(yīng)控制策略基于穩(wěn)定性設(shè)計(jì),具有較好地全速域穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能,但也存在著運(yùn)算復(fù)雜,參考模型的選取依賴電氣參數(shù),且系統(tǒng)的魯棒性較差等問(wèn)題。
2.3 擴(kuò)展卡爾曼濾波器控制策略
擴(kuò)展卡爾曼濾波器控制策略的基本原理是首先建立以定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈為狀態(tài)變量,以速度為參數(shù)的電機(jī)狀態(tài)方程,然后將該狀態(tài)方程線性化處理,最后根據(jù)卡爾曼濾波器的遞推公式估算電機(jī)的轉(zhuǎn)速,該控制策略的原理圖如圖3所示。擴(kuò)展卡爾曼濾波器控制策略具有收斂速度快,系統(tǒng)有較好的抗干擾能力,但由于該控制系統(tǒng)需要精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型,且濾波器需要的統(tǒng)計(jì)參數(shù)較多,系統(tǒng)的算法比較復(fù)雜,需要大量調(diào)試控制器的參數(shù)。
3 結(jié)束語(yǔ)
無(wú)傳感器控制技術(shù)在電機(jī)速度和位置檢測(cè)的應(yīng)用意義重大,不僅解決了傳感器增加系統(tǒng)成本、降低系統(tǒng)穩(wěn)定性等問(wèn)題,還提高了電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。本文針對(duì)在永磁直線同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中使用速度/位置傳感器的缺陷,綜述了滑模變結(jié)構(gòu)、模型參考自適應(yīng)、擴(kuò)展卡爾曼濾波器的無(wú)速度傳感器控制策略在永磁直線同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用和比較,為進(jìn)一步研究無(wú)傳感器控制技術(shù)在電機(jī)控制技術(shù)的研究和開發(fā)提供參考。
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作者簡(jiǎn)介:張可明,漢族,河南省項(xiàng)城市人,長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)碩士研究生,研究方向?yàn)閿?shù)字傳動(dòng)控制技術(shù)。
盧秀和,漢族,吉林省長(zhǎng)春市人,長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)碩士研究生導(dǎo)師,研究方向?yàn)閿?shù)字傳動(dòng)控制技術(shù)。