一种永磁同步直线电机速度和电流双闭环控制系统和控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种永磁同步直线电机速度和电流双闭环控制系统和控制方法，该方法包括设计永磁同步直线电机矢量控制系统；设计模糊自适应滑模速度控制器；设计非线性扰动观测器；设计d轴模糊PID控制器；设计q轴模糊PID控制器；根据所设计的非线性扰动观测器和模糊自适应滑模速度控制器获得期望的q轴电流参考值，作为q轴模糊PID控制器的输入；给定d轴参考电流值为0，减去park变换得到的id作为d轴模糊PID控制器的输入；经过d轴模糊PID控制器和q轴模糊PID控制器处理后，获得矢量控制系统的ud，uq，通过矢量控制的反park变换和SVPWM调制及逆变器最终输出永磁同步直线电机当前运行的驱动电压。本发明专利技术增强了系统的鲁棒性。

A Double Closed Loop Control System and Control Method for Speed and Current of Permanent Magnet Synchronous Linear Motor

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步直线电机速度和电流双闭环控制系统和控制方法
本专利技术涉及永磁同步直线电机控制策略的设计方法，特别是涉及了一种基于模糊自适应滑模及非线性扰动观测器和模糊PID控制的永磁同步直线电机调速控制系统和控制方法。
技术介绍
永磁同步直线电机具有体积小、效率高、转动惯量低、电磁转矩大、控制方便等优点，故其成为伺服系统中执行机构的最佳选择之一。永磁同步直线电机伺服系统一般包括位置、速度和电流3个控制环节，在电机实际运行过程中，电机所带的负载转矩或者转动惯量变化(视为扰动)都会对系统期望的伺服性能造成不良的影响。高性能的伺服系统要求伺服电机的输出无超调，并快速地跟踪输入指令，且稳态无静差，对系统参数的变化具有强鲁棒性。因此，对于某些变惯量、变负荷场合应用的永磁同步直线电机伺服系统来说，抗扰动性是衡量其伺服性能的重要指标之一。传统的控制策略，如PI控制方法，具有结构简单、易实现等优点，通常在参数匹配的情况下可获得较好的性能，但在系统参数变化或负载扰动情况下，往往无法保证得到理想的闭环控制性能。采用模糊自适应滑模速度控制方法能够减小速度控制过程中出现的超调现象，加快了速度跟随速度，引入非线性扰动观测器，提高了永磁同步直线电机抗干扰能力，采用模糊PID电流控制策略，加快了dq轴电流响应速度。
技术实现思路
专利技术目的：为了解决永磁同步直线电机在传统PID控制策略下速度跟踪响应较慢，抗干扰能力较差的问题，提出了一种永磁同步直线电机速度和电流双闭环控制系统和控制方法。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种永磁同步直线电机速度和电流双闭环控制系统，包括模糊自适应滑模速度控制器、非线性扰动观测器、d轴模糊PID控制器、q轴模糊PID控制器、反park变换模块、SVPWM矢量脉宽调制模块、三相逆变器，永磁同步直线电机、clark变换模块、park变换模块、电流传感器以及位置和速度传感器；其中，模糊自适应滑模速度控制器的输入包括永磁同步直线电机的期望速度vref与位置和速度传感器输出的实际速度v的差值、非线性扰动观测器的输出fv及park变换的输出iq，非线性扰动观测器的输入为park变换得到的iq和经过转速与位置计算得到的v，非线性扰动观测器的输出为fv，模糊自适应滑模速度控制器的输出及其变化率与q轴模糊PID控制器的输入相连接，d轴电流期望值id*和park变换模块输出的d轴电流id的差及其变化率与d轴模糊PID控制器的输入相连接，d轴模糊PID控制器和q轴模糊PID控制器的输出分别为ud和uq，然后经过反park变换模块得到uα和uβ，再经过SVPWM矢量脉宽调制模块和三相逆变器将实际输出的电压经电流传感器传输给永磁同步直线电机，电流传感器输出的ab相电流经过clark变换模块和park变换模块后获得实际的dq轴电流id和iq；位置和速度传感器用于采集永磁同步直线电机当前的速度和电角度，并将永磁同步直线电机当前电角度分别传输至park变换模块和反park变换模块，分别实现永磁同步直线电机矢量控制系统两相静止坐标系转换到两相旋转坐标系和两相旋转坐标系转变到两相静止坐标系。其中，模糊自适应滑模速度控制器输入的期望速度vref与实际速度v的差值，以及其差值的变化率，经过滑模面构造之后形成滑模面函数s；滑模面函数s经过求取微分之后，获得模糊控制器的输入包括：s和以及经过非线性扰动观测器的输出fv和park变换的输出iq；经过模糊控制器处理之后得到滑模控制器的等效输出ueq；滑模面函数s经过自适应律处理之后，将求取的切换增益K传递给切换控制器，经过切换控制器的切换输出为usw；等效控制ueq与切换输出usw相加得到了永磁同步直线电机的d轴期望输出电流其中，d轴模糊PID控制器、q轴模糊PID控制器，均包括传统PID控制器模块、模糊化模块、模糊推理模块和解模糊模块，将d轴期望电流0与经过park变换得到的id做差，将电流差值以及其变化率作为d轴模糊PID控制器的输入；由模糊自适应滑模速度控制器得到的输出及其变化率，作为q轴模糊PID控制器的输入；d轴模糊PID控制器和q轴模糊PID控制器经过模糊化处理和模糊推理，再进行解模糊处理，从模糊控制器出来的参数ΔKp,△Ki,ΔKd叠加在传统PID控制器的Kp，Ki，Kd参数上，用于动态调整PID参数，从d轴模糊PID控制器和q轴模糊PID控制器输出的值分别为ud,uq。本专利技术还提供了一种永磁同步直线电机速度和电流双闭环控制方法，该方法包括以下步骤：(1)模糊自适应滑模速度控制器根据永磁同步直线电机的实际情况构建其数学模型，根据数学模型获得矢量控制的永磁同步直线电机速度和电流双闭环控制系统，基于滑模控制原理，设计出基于滑模控制的永磁同步直线电机速度环控制器，即滑模速度控制器；(2)基于步骤(1)设计的滑模速度控制器，设计滑模自适应率，得到自适应滑模速度控制器，在此基础上设计模糊控制器，自适应滑模速度控制器的增益实现模糊控制器控制，实现模糊自适应滑模速度控制器；(3)根据步骤(1)获得的永磁同步直线电机速度和电流双闭环控制系统，设计非线性扰动观测器，经过park变换得到的iq及转速与位置计算输出的v为非线性扰动观测器的输入，非线性扰动观测器的输出为fv；(4)基于步骤(2)设计的模糊自适应滑模速度控制器，分别设计d轴模糊PID控制和q轴模糊PID电流控制器；(5)根据步骤(4)所设计的d轴模糊PID控制器、q轴模糊PID控制器，输出控制电机需要的ud和uq，作为反park变换的输入，再经过SVPWM，三相逆变器和电流传感器，最终实现永磁同步直线电机的速度和电流双闭环控制。进一步的额，步骤(1)中永磁同步直线电机的数学模型为：磁链方程：其中，[ψaψbψc]T为三相磁链，为三相电感矩阵，[iaibic]T为三相电流，[ψfaψfbψfc]T为永磁三相磁链；其中，[ψdψqψ0]T为d轴q轴绕组的合成磁链，id，iq分别为d轴电流，q轴电流，Ld，Lq分别为d轴电感，q轴电感，ψf为永磁体磁链；电压方程：v＝ωeτ/π；其中，[uaubuc]T为三相电压，[iaibic]T为三相相电流，Rs为相电阻，为对时间的一阶导数因子，由旋转坐标系下直轴交轴电压方程基本由三个量构成，ψd和ψq分别为d轴磁链和q轴磁链，d轴电动势和q轴电动势d轴电阻压降Rsid和q轴电阻压降Rsiq，Ld＝Lq＝L；ud,uq,id,iq,Rs,L,p,J,B分别是d轴电压，q轴电压，d轴电流，q轴电流，定子电阻，定子电感，永磁体极对数，电机转动惯量，电机粘滞摩擦系数，电机的线速度和电角度；ωe为电角速度；fv为速度环扰动,TL,△J,△B,△Ld,△Lq,△ψf分别表示负载转矩，转动惯量偏差，摩擦系数偏差，定子d轴电感偏差，定子q轴电感偏差，永磁体磁链偏差，v为线速度，τ为永磁同步直线电机极距。推力方程：永磁同步直线电机处于稳态运行下的平均转矩输出表示为：Te＝Pe/v＝Tm+Tr；其中，Te为稳定状态下平均转矩，Pe为功率，Tm为永磁转矩，即定子永磁磁场和动子电枢绕组电流产生转矩；Tr是由凸极效应引起的磁阻转矩，定义为电枢绕组不通电情况下，由永磁体产生的磁场和电枢铁芯的齿槽作用所产生的力矩；分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁同步直线电机速度和电流双闭环控制系统，其特征在于：包括模糊自适应滑模速度控制器、非线性扰动观测器、d轴模糊PID控制器、q轴模糊PID控制器、反park变换模块、SVPWM矢量脉宽调制模块、三相逆变器，永磁同步直线电机、clark变换模块、park变换模块、电流传感器以及位置和速度传感器；其中，模糊自适应滑模速度控制器的输入包括永磁同步直线电机的期望速度vref与位置和速度传感器输出的实际速度v的差值、非线性扰动观测器的输出fv及park变换的输出iq，非线性扰动观测器的输入为park变换得到的iq和经过转速与位置计算得到的v，非线性扰动观测器的输出为fv，模糊自适应滑模速度控制器的输出

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步直线电机速度和电流双闭环控制系统，其特征在于：包括模糊自适应滑模速度控制器、非线性扰动观测器、d轴模糊PID控制器、q轴模糊PID控制器、反park变换模块、SVPWM矢量脉宽调制模块、三相逆变器，永磁同步直线电机、clark变换模块、park变换模块、电流传感器以及位置和速度传感器；其中，模糊自适应滑模速度控制器的输入包括永磁同步直线电机的期望速度vref与位置和速度传感器输出的实际速度v的差值、非线性扰动观测器的输出fv及park变换的输出iq，非线性扰动观测器的输入为park变换得到的iq和经过转速与位置计算得到的v，非线性扰动观测器的输出为fv，模糊自适应滑模速度控制器的输出及其变化率与q轴模糊PID控制器的输入相连接，d轴电流期望值id*和park变换模块输出的d轴电流id的差及其变化率与d轴模糊PID控制器的输入相连接，d轴模糊PID控制器和q轴模糊PID控制器的输出分别为ud和uq，然后经过反park变换模块得到uα和uβ，再经过SVPWM矢量脉宽调制模块和三相逆变器将实际输出的电压经电流传感器传输给永磁同步直线电机，电流传感器输出的ab相电流经过clark变换模块和park变换模块后获得实际的dq轴电流id和iq；位置和速度传感器用于采集永磁同步直线电机当前的速度和电角度，并将永磁同步直线电机当前电角度分别传输至park变换模块和反park变换模块，分别实现永磁同步直线电机矢量控制系统两相静止坐标系转换到两相旋转坐标系和两相旋转坐标系转变到两相静止坐标系。2.根据权利要求1所述的一种永磁同步直线电机速度和电流双闭环控制系统，其特征在于，模糊自适应滑模速度控制器输入的期望速度vref与实际速度v的差值，以及其差值的变化率，经过滑模面构造之后形成滑模面函数s；滑模面函数s经过求取微分之后，获得模糊控制器的输入包括：s和和非线性扰动观测器的输出fv以及park变换的输出iq；经过模糊控制器处理之后得到滑模控制器的等效输出ueq；滑模面函数s经过自适应律处理之后，将求取的切换增益K传递给切换控制器，经过切换控制器的切换输出为usw；等效控制ueq与切换输出usw相加得到了永磁同步直线电机的d轴期望输出电流3.根据权利要求1所述的一种永磁同步直线电机速度和电流双闭环控制系统，其特征在于：d轴模糊PID控制器、q轴模糊PID控制器，均包括传统PID控制器模块、模糊化模块、模糊推理模块和解模糊模块，将d轴期望电流0与经过park变换得到的id做差，将电流差值以及其变化率作为d轴模糊PID控制器的输入；由模糊自适应滑模速度控制器得到的输出及其变化率，作为q轴模糊PID控制器的输入；d轴模糊PID控制器和q轴模糊PID控制器经过模糊化处理和模糊推理，再进行解模糊处理，从模糊控制器出来的参数ΔKp,ΔKi,ΔKd叠加在传统PID控制器的Kp，Ki，Kd参数上，用于动态调整PID参数，从d轴模糊PID控制器和q轴模糊PID控制器输出的值分别为ud,uq。4.一种永磁同步直线电机速度和电流双闭环控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)模糊自适应滑模速度控制器根据永磁同步直线电机的实际情况构建其数学模型，根据数学模型获得矢量控制的永磁同步直线电机速度和电流双闭环控制系统，基于滑模控制原理，设计出基于滑模控制的永磁同步直线电机速度环控制器，即滑模速度控制器；(2)基于步骤(1)设计的滑模速度控制器，设计滑模自适应率，得到自适应滑模速度控制器，在此基础上设计模糊控制器，自适应滑模速度控制器的增益实现模糊控制器控制，实现模糊自适应滑模速度控制器；(3)根据步骤(1)获得的永磁同步直线电机速度和电流双闭环控制系统，设计非线性扰动观测器，经过park变换得到的iq及转速与位置计算输出的v为非线性扰动观测器的输入，非线性扰动观测器的输出为fv；(4)基于步骤(2)设计的模糊自适应滑模速度控制器，分别设计d轴模糊PID控制和q轴模糊PID电流控制器；(5)根据步骤(4)所设计的d轴模糊PID控制器、q轴模糊PID控制器，输出控制电机需要的ud和uq，作为反park变换的输入，再经过SVPWM，三相逆变器和电流传感器，最终实现永磁同步直线电机的速度和电流双闭环控制。5.根据权利要求4所述的一种永磁同步直线电机速度和电流双闭环控制方法，其特征在于，步骤(1)中永磁同步直线电机的数学模型为：磁链方程：其中，[ψaψbψc]T为三相磁链，为三相电感矩阵，[iaibic]T为三相电流，[ψfaψfbψfc]T为永磁三相磁链；其中，[ψdψqψ0]T为d轴q轴绕组的合成磁链，id，iq分别为d轴电流，q轴电流，Ld，Lq分别为d轴电感，q轴电感，ψf为永磁体磁链；电压方程：v＝ωeτ/π；其中，[uaubuc]T为三相电压，[iaibic]T为三相相电流，Rs为相电阻，为对时间的一阶导数因子，由旋转坐标系下直轴交轴电压方程基本由三个量构成，ψd和ψq分别为d轴磁链和q轴磁链，d轴电动势和q轴电动势d轴电阻压降Rsid和q轴电阻压降Rsiq，Ld＝Lq＝L；ud,uq,id,iq,Rs,L,p,J,B分别是d轴电压，q轴电压，d轴电流，q轴电流，定子电阻，定子电感，永磁体极对数，电机转动惯量，电机粘滞摩擦系数，电机的线速度和电角度；ωe为电角速度；fv为速度环扰动,TL,△J,△B,...

【专利技术属性】
技术研发人员：余海涛，王尧，杨依林，夏涛，李东暘，张建文，王玉晨，郭蓉，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32