摘要:针对永磁同步直线电机提出了一种基于负载推力观测器的新型滑模变结构控制,从而实现对推力扰动的补偿,且大大削弱了推力纹波及系统的抖振;在滑动模态中引入积分环节来进一步消除系统的稳态误差和系统抖振。仿真结果表明该方案能提高系统对参数摄动和外在阻力扰动的鲁棒性。
关键词:永磁同步直线电机;滑模变结构控制;负载推力观测器
永磁同步直线电机(LPMSM)是直接将电能转换为直线运动的推力装置,省掉了机械速度变换机构,将负载直接与LPMSM的动子相连,消除了机械速度变换机构所带来的一些不良影响,如摩擦、机械后冲、弹性形变等,使其在高精度、微进给伺服系统中成为执行机构最佳选择。但是,由于直线电
机的动子直接驱动负载,负载的变化和外部干扰将直接影响伺服系统的性能,同时,直线电机的端部效应、系统参数(动子质量、粘滞摩擦系数等)的变化、摩擦阻力的非线性变化以及状态的观测噪声等都会降低系统的伺服性能[1]。为了保证系统的性能,传统的PID控制已无法胜任,需要寻求更先进的控制方法使系统在保证快速跟踪性能的同时,对不确定扰动因素具有很强的鲁棒性。
滑模变结构控制具有快速性、鲁棒性和实现简单等优点。使系统对不确定参数、参数变化、数学描述的不确定性及外部扰动具有不变性。但是在实际系统中,由于系统在时间和空间上存在着滞后,滑模切换控制的不连续性将使系统产“生抖振”现象,并且“抖振”的幅度与系统参数变化的范围及外部扰动的幅值成正比关系[2]“。抖振”将影响直接驱动伺服系统的平稳性和定位精度,增加能量损耗等。
为了解决永磁同步直线电机的推力波动问题及滑模变结构控制“的抖振”问题,本文引入一种基于负载推力观测器的滑模变结构控制策略,实现对推力扰动的补偿,使推力电流跟踪负载推力变化,从而大大地削弱了推力纹波和系统“的抖振”,并减小了滑模控制的幅值。在设计滑动模态时,采用积分补偿的方法来削弱系统加载时所存在的稳态误差,提高了伺服系统的定位精度。
本文在SIMULINK4.0环境下建立了永磁同步直线电机的通用控制模块,并基于矢量控制原理构建了整个直线交流伺服系统的通用仿真平台,使得整个仿真过程的参数设置更贴近实际系统,提高可靠性。
由于滑模变结构控制是通过高频切换控制使系统的结构在动态过程中做出有目的的改变,使系统运动状态对不确定因素、参数变化、数学模型的
不确定性及外部扰动具有不变性。同时,滑模控制具有快速响应的优点[4]。因此,为了保证系统具有良好的动态跟踪性能,引入滑模控制方法来设计输入控制器。但同时由于在滑模变结构控制中是利用不连续项来抑制扰动和参数的影响,所以不连续项的最小幅值将随着要抑制的扰动量的幅值及系统参数变化范围的增大而增加。因此,如果对扰动进行测量或观测,那么控制不连续项就可以减小。故设计一个负载推力全阶观测器来作为扰动的前馈补偿。这样,不但可以使系统具有很强的鲁棒性,而且能够提高系统的稳态精度。
永磁同步直线电机的端部效应对推力的影响等效为负载推力扰动,并且端部效应产生的推力纹波变化比较缓慢,故可以设计推力观测器对负载推
力扰动进行动态观测。一般,选取观测器极点的原则通常是使观测器的响应比系统更快,观测器的极点比系统的极点离坐标远点更远。这样就可保证观测器系统稳定且具有快速衰减特性,以便保持输出跟踪的精度。
在此基础上,建立了基于滑模输入控制器和负载推力观测器的永磁同步直线伺服系统的SIMULINK仿真平台。除了滑模输入控制器和负载推力观测器两个模块外,该仿真平台还包括2/3变换模块、PWM模块、永磁同步直线电机对象模块。在外加扰动且模型参数变化时,普通PI控制的速度响应曲线跟踪性能和鲁棒性较差;普通滑模变结构控制的速度响应曲线过渡时间较短,在有阻力扰动时也存在一定的速降,最明显的是有一定程度的
“抖振”现象,并存在很小的稳态误差;带负载推力观测器的滑模变结构控制的速度相应曲线非常光滑,基本没有抖振现象,外加扰动时速降和稳态误差均比其他两种控制策略小,可见对系统参数变化和外加扰动有很强的鲁棒性。
仿真实验结果表明,针对永磁同步直线电机提出的基于负载推力观测器的滑模变结构控制策略是有效可行的。通过负载推力观测器的设计及对负载的扰动补偿,有效地抑制了普通滑模变结构控制所带来“的抖振”问题,并消除永磁同步直线电机端部效应对电磁推力平稳性的影响,从而大大提高了伺服系统对参数摄动和外在阻力扰动的鲁棒性。而且,这种控制策略设计比较简单,也容易实现,在基于永磁同步直线电机的高性能伺服领域具有一定的应用价值。
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