一种永磁直线电机控制方法技术

本发明专利技术公开了一种永磁直线电机控制器，通过H∞鲁棒控制器、ZPETC零相位误差跟踪控制器和干扰观测器的组合来实现电机的控制。其中，ZPETC零相位误差跟踪控制器作为系统的前馈控制器，通过零点消除来实现相位误差的减小；干扰观测器则通过加入低通滤波器，实现了高频干扰信号的消除；H∞鲁棒控制器设计采用了混合灵敏度设计方法，综合考虑了灵敏度和鲁棒性之间的平衡；并通过对ZPETC和干扰观测器的结果进行模糊判断，来设定H∞鲁棒控制器参数值的优化。本发明专利技术通过结合上述三种方法所构建的控制器，优化了永磁直线电机的动态性能和稳态性能。该控制器可实现定位精度、响应特性和抗干扰能力的有效提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种永磁直线电机的驱动控制器，属于电机伺服及控制技术。
技术介绍
在工业生产设备中有很多需要直线运动的场合，如数控磨床、冲床、激光切割、晶 圆制造等。由于传统的旋转伺服电机加滚珠丝杠螺母副或旋转伺服电机加精密齿轮变速箱 等组成的驱动传动方式涉及中问部件多，运动惯量大，而且存在弹性变形、反向间隙、摩擦、 振动、刚度降低、响应滞后等线性和非线性误差。直接驱动传动系统采用"零传动"，将电机 直接连接到动负载上，取消了中间的一切传动环节，从而实现源动力与负载的刚性耦合。直 线电机结合直接驱动所具有的优点则可以弥补传统传动方式的不足，其速度是滚轴丝杆副 的30倍；加速度是滚轴丝杆副的10倍，最大可达10g，刚度提高了 7倍。 PID控制作为直线电机的的经典控制策略，具有简单实用的特点，但对于被控对象 的参数变化较为敏感，鲁棒性也不够；而PID控制与其他控制策略相结合的智能新型控制 则可以获得更好的控制效果；除此以外，将反馈与辨识理论相结合的自适应控制在直线电 机的控制中也取得了应用，鲁棒H 〇〇就是鲁棒控制中较为成熟的方法；滑模变结构控制也 因为具有快速响应，对参数变化不敏感以及无需在线辨识的优点而成为研究热点，由于该 结构难以回避抖振的问题，诸多学者将该方法与其他方法相结合并已取得一定的成果。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种永磁直线电机控制 方法，综合运用鲁棒控制、ZPETC零相位误差跟踪控制和干扰观测器，以解决直线电机这 种高度耦合、非线性以及多变量系统的高精度控制问题；能够有效提高直线电机的目标跟 踪特性和抗干扰特性，减小稳态误差和响应时间，从而获得更为理想的控制性能。 技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为： ，通过电流环、速度环和位置环对反馈信号进行检测， 其中电流环采用鲁棒控制器整定输出，位置环采用干扰观测器处理反馈信号，采用零相 位误差跟踪控制器处理给定位置信号；鲁棒控制器的参数权重因子μ的值由零相位误 差跟踪控制器的输出和干扰观测器分母中的输出经过模糊判断得到；该控制方法中，根据 永磁直线电机的电磁力、电压平衡和机械方程，得到永磁直线电机的数学模型PMLSM，基于 数学模型PMLSM，各个控制器的设计方法为： 设计电流环的Η"鲁棒控制器：首先计算数学模型PMLSM的传递函数G (s)，并将传 递函数G (s)转换为矩阵表达式形式；再确定权重函数，然后通过权重函数得到状态空间矩 阵所需矩阵，解Riccati方程，根据得到的解判断[鲁棒控制器是否满足稳定性要求：若 不满足稳定性要求，则重新确定权重函数；若满足稳定性要求则对Η"鲁棒控制器进行ζ变 换； 设计位置环的干扰观测器：首先通过数学模型PMLSM的传递函数G(S)计算反馈环 节的传递函数，再设计对应的低通滤波器来滤除高阶信号，最后通过函数的离散化实现干 扰滤波器； 设计位置环的零相位误差跟踪控制器：首先将反馈环节的传递函数进行z变换， 解出不稳定零点，通过计算相应的单实根得到零相位误差跟踪控制器。 该控制方法中，给定速度信号Si通过零相位误差跟踪控制器得到处理后速度给定 信号s' ；速度反馈信号S通过干扰观测器得到处理后速度反馈信号Sd;处理后速度给定信 号s'和处理后速度反馈信号％相减后经过速度PID控制器处理得到交轴电流参考值?; :;: 直轴电流控制器采用PID控制器控制输出量??，交轴电流控制器采用Η"鲁棒控制器控制 输出量if ; Η"鲁棒控制器的参数权重因子μ的值由零相位误差跟踪控制器分母中的单实 根数目ηΖΡΕΤε和干扰观测器分母中的单实根数目mMB经过模糊判断得到。 有益效果：本专利技术提供的永磁直线电机控制方法，通过鲁棒控制器、ZPETC零相 位误差跟踪控制器和干扰观测器的组合来实现电机的控制。其中，ZPETC零相位误差跟踪 控制器作为系统的前馈控制器，通过零点消除来实现相位误差的减小；干扰观测器则通过 加入低通滤波器，实现了高频干扰信号的消除；鲁棒控制器设计采用了混合灵敏度设计 方法，综合考虑了灵敏度和鲁棒性之间的平衡；并通过对ZPETC和干扰观测器的结果进行 模糊判断，来设定11"鲁棒控制器参数值的优化。本专利技术通过结合上述三种方法所构建的控 制器，优化了永磁直线电机的动态性能和稳态性能；该控制器可实现定位精度、响应特性和 抗干扰能力的有效提高；本专利技术方法响应速度快，对于负载和外部环境变化所引起的参数 变化扰动情况具有很好的稳定性，对于零相位误差和干扰误差也实现补偿从而提高了系统 的稳态精度。【附图说明】 图1为本专利技术的整体结构示意图； 图2为鲁棒控制器结构示意图； 图3为鲁棒控制器设计流程框图； 图4为干扰观测器结构示意图； 图5为零相位误差跟踪控制器结构示意图； 图6为干扰观测器中分母的零实根个数的模糊隶属度函数； 图7为零相位误差跟踪控制器中分母的零实根个数的模糊隶属度函数； 图8为参数权重因子μ的的模糊隶属度函数。【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。 ，通过电流环、速度环和位置环对反馈信号进行检测， 其中电流环采用Η"鲁棒控制器整定输出，位置环采用干扰观测器处理反馈信号，采用零相 位误差跟踪控制器处理给定位置信号；Η"鲁棒控制器的参数权重因子μ的值由零相位误 差跟踪控制器的输出和干扰观测器分母中的输出经过模糊判断得到。该控制方法中，根据 永磁直线电机的电磁力、电压平衡和机械方程，得到永磁直线电机的数学模型PMLSM，基于 数学模型PMLSM，对各个控制器进行设计；下面就各个控制器的设计过程加以具体说明。 -、鲁棒控制器的设计 鲁棒控制理论是目前相对较为完善的控制策略，基于该控制理论设计的鲁 棒控制器可以较好地解决传统控制器中目标跟踪特性和抗干扰特性难以同时满足的难题； 此外，系统的鲁棒性和跟踪精度也会得到有效地提高。 以权重函数1代表系统的高频干扰信号约束，对^进行调整可以有效抑制干扰信 号对输出信号的影响；以权重函数W2代表系统的附加不确定性限制；以权重函数W 3代表乘 法的不确定性限制；W1UP W3均由控制对象决定。以Z1、Z2和Z3表示权重函数处理后的 系统评价指标；只要合理地选择权重函数W1UP W 3，并根据I、WjP W 3求得状态空间矩阵 所需的子矩阵A、B、C和D，就可以得到具有抗干扰特性和目标跟踪特性的控制器K (s)。 考虑到实际运行情况和干扰特性，权重函数W3为零，传递函数G(S)为标称值札(s) G1(S);控制器K(S)为系统的速度鲁棒控制器。系统的抗干扰特性主要取决于权重函数的 选择，这是因为当系统运行时存在较多干扰的情况下，应尽可能增大系统的鲁棒性来减小 对参数的敏感性。根据干扰的实际情况和摄动解的可行性，可解得最优的权重函数W1;权重 函数W2则是数学模型PMLSM参数不确定性的上限约束，满足公式I Λ (jco) I <|w2(jc〇) |。 根据控制对象的状态空间，可以将控制对象的状态空间方程表示为： 在方程⑴中，A、B2、Q、Dn、D12、C2、D 21、D22分别为分析参数，状态向量满足 X e Rn，f为X对时间的一阶导数，外部输入信号满足ω e Rp，控制输入满足本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种永磁直线电机控制方法，其特征在于：通过电流环、速度环和位置环对反馈信号进行检测，其中电流环采用H∞鲁棒控制器整定输出，位置环采用干扰观测器处理反馈信号，采用零相位误差跟踪控制器处理给定位置信号；H∞鲁棒控制器的参数权重因子μ的值由零相位误差跟踪控制器的输出和干扰观测器的输出经过模糊判断得到；该控制方法中，根据永磁直线电机的电磁力、电压平衡和机械方程，得到永磁直线电机的数学模型PMLSM，基于数学模型PMLSM，各个控制器的设计方法为：设计电流环的H∞鲁棒控制器：首先计算数学模型PMLSM的传递函数G(s)，并将传递函数G(s)转换为矩阵表达式形式；再确定权重函数，然后通过权重函数得到状态空间矩阵所需的子矩阵，解Riccati方程，根据得到的解判断H∞鲁棒控制器是否满足稳定性要求：若不满足稳定性要求，则重新确定权重函数；若满足稳定性要求则对H∞鲁棒控制器进行z变换；设计位置环的干扰观测器：首先通过数学模型PMLSM的传递函数G(s)计算反馈环节的传递函数，再设计对应的低通滤波器来滤除高阶信号，最后通过函数的离散化实现干扰滤波器；设计位置环的零相位误差跟踪控制器：首先将反馈环节的传递函数进行z变换，解出不稳定零点，通过计算相应的单实根得到零相位误差跟踪控制器。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：余海涛，程帆，徐鸣飞，胡敏强，黄磊，封宁君，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32