永磁直线同步电机的二型模糊分数阶滑模控制系统及方法技术方案
【技术实现步骤摘要】
永磁直线同步电机的二型模糊分数阶滑模控制系统及方法
本专利技术属于数控
，特别涉及一种永磁直线同步电机的二型模糊分数阶滑模系统及方法。技术背景数控机床作为传统机器工业制造、重型加工产业的重要基础，随着社会的发展，对高速、高精度的数控加工技术提出了越来越高的要求。传统的数控机床的进给系统主要是“旋转电机+滚珠丝杠”的形式，这种形式中间环节间的正反间隙、摩擦及弹性变形使系统的非线性误差增大，限制其很难达到高速度、高精度技术生产的要求。直线电动机传动取消了中间机械传动机构,克服了传统驱动方式的中间传动环节带来的缺点，显著提高了机床的动态灵敏度、加工精度和可靠性，在高精度、快响应的微进给伺服系统中具有非常明显的优势。但由于其直接驱动的特点，负载扰动、电机参数变化等不确定因素直接作用在直线电机动子上，对控制器的设计提出了新的更高的要求。为了实现高速度高精度直接驱动进给、定位系统，学者们提出了诸多控制策略，如采用自适应控制理论设计控制器，可以有效克服参数变化对系统的影响，但在参数变化较快、外部干扰频率高的情况下则效果不佳。采用滑模变结构控制理论设计控制器，具有鲁棒性...
【技术保护点】
一种永磁直线同步电机的二型模糊分数阶滑模控制系统及方法，其特征在于：所述控制技术根据永磁直线同步电机伺服系统给定速度信号和反馈速度信号相减得到误差量，以这个误差量设计分数阶滑模面，基于分数阶理论设计滑模控制切换项，并采用区间二型模糊控制器替换切换项中的增益与不连续函数乘积，根据Lyapunov函数验证系统是稳定的；整个系统包括主电路、控制电路和控制对象三部分；控制电路包括DSP、位置和速度检测电路、电流检测电路、光耦隔离电路、驱动电路及故障检测和保护电路；DSP采用TI公司的TMS320F28335芯片；DSP的QEP端口连接位置和速度检测电路，DSP的ADC端口连接电流检...
【技术特征摘要】
1.一种永磁直线同步电机的二型模糊分数阶滑模控制系统及方法，其特征在于：所述控制技术根据永磁直线同步电机伺服系统给定速度信号和反馈速度信号相减得到误差量，以这个误差量设计分数阶滑模面，基于分数阶理论设计滑模控制切换项，并采用区间二型模糊控制器替换切换项中的增益与不连续函数乘积，根据Lyapunov函数验证系统是稳定的；整个系统包括主电路、控制电路和控制对象三部分；控制电路包括DSP、位置和速度检测电路、电流检测电路、光耦隔离电路、驱动电路及故障检测和保护电路；DSP采用TI公司的TMS320F28335芯片；DSP的QEP端口连接位置和速度检测电路，DSP的ADC端口连接电流检测电路，DSP的PWM端口和PDPINT端口连接光耦隔离电路，光耦隔离电路连接驱动电路和故障检测和保护电路，驱动电路连接IPM逆变单元；主电路包括调压电路、整流滤波单元和IPM逆变单元；控制对象为永磁直线同步电机，机身装有光栅尺；调压电路连接整流滤波单元，整流滤波单元连接IPM逆变单元，IPM逆变单元连接三相永磁直线同步电机。2.根据权利要求1所述的永磁直线同步电机的二型模糊分数阶滑模控制系统及方法，其特征在于：选取分数阶PIαDα滑模面；系统跟踪误差为e＝v*-v，其中v*为系统速度的给定值，建立分数阶PIαDα滑模面如下式：其中kp和ki是非零正常数，表示分数阶微分算子，表示α(0＜α＜1)阶导数；控制律设计为：u＝ueq+usw(2)其中ueq为滑模控制等效控制项，usw为滑模控制切换项；ueq由确定，如下式所示式中：M为动子和所带负载质量，kf为电磁推力系数，Bv为粘滞摩擦系数。3.根据权利要求2所述的永磁直线同步电机的二型模糊分数阶滑模控制系统及方法，其特征在于：基于分数阶理论设计滑模控制切换项，并采用区间二型模糊控制器替换切换项中的增益与不连续函数乘积；定义切换控制项Ks为负的常值，本发明采用区间二型模糊控制器替换Kssgn(s)项。4.根据权利要求3所述的永磁直线同步电机的二型模糊分数阶滑模控制系统及方法，其特征在于：区间二型模糊控制器为单输入单输出，输入输出的隶属函数均为区间二型模糊高斯隶属函数；采用乘机推理机、单值模糊器、集合中心降型以及重心解模糊，得到模糊控制器输出。5.根据权利要求2所述的永磁直线同步电机的二型模糊分数阶滑模控制系统及方法，其特征在于：式(2)中usw为切换控制项，计算表达式如下：其中，Ks为负的常值；将等效控制项ueq和切换控制项usw代入式(2)中，则有：由于滑模控制切换项影响着系统的控制性能，如果切换项中的Ks的绝对值取值过大，系统存在较大抖振；反之，系统的鲁棒性降低；由于永磁直线同步电机伺服系统易受不确定因素的扰动，且扰动不易测量，本发明采用区间二型模糊控制器替换(4)式中Kssgn(s)项，区间二型模糊控制器输入为式(1)定义的滑模面s，输出为Δu，则(4)式为将上述控制方法嵌入DSP控制电路中实现对永磁直线同步电机伺服系统的速度控制。6.根据权利要求1所述的永磁直线同步电机的二型模糊分数阶滑模控制系统及方法，其特征在于：该方法的步骤如下：步骤一：建立永磁直线同步电机的数学模型：永磁直线同步电机的d-q轴模型如下式中式中，ωr＝πv/τ，v为动子线速度；ud、uq、id、iq、Ld、Lq、ψd、ψq分别为d-q轴电压、电流、电感、磁链；Rs为动子电阻；ψf为永磁体在动子绕组直轴上的磁链分量；τ为极距；永磁直线同步电机的电磁推力表达式为由于面装式永磁直线同步电机中Ld＝Lq，则(9)表示为式中：pn为极对数，kf为电磁推力系数；永磁同步直线电机的机械运动方程为式中：l为动子位移；M为动子和所带负载总质量；Bv为粘滞摩擦因数；d(t)为外部干扰，d(t)＝Ffric+Frip+Fl，Ffric为摩擦力，其表达式v为动子线速度；为端部效应产生的推力波动，Fripplem＝40为端部效应产生的推力波动的幅值，θ0为初始相位电角度；l为动子位移，τ为极距；Fl为负载阻力；令状态量x＝[xlx2]T＝[lv]T，l、v分别为动子的位移、线速度；u＝iq为输入控制量，由式(11)得永磁同步直线电机状态方程为其中，和分别为状态变量x1和x1的导数；步骤二：分数阶PIαDα滑模面的设计定义：分数阶微积分算子表示为t0、t为算子的上下限，α为分数阶微积分的阶次；连续可积分函数f(t)的(RL型)Riemann-Liouville分数阶微积分定义为式中：m为整数，且m-1<α<m，t>t0；τ表示函数f(t)在[t0，t]范围内的任意值；Gamma函数Γ(·)定义为其中z在复平面的右半平面取值，即Re(z)＞0；t表示函数Γ(·)在[0，∞]的任意值；为解决不能直接精确计算出函数的分数阶微积分的值，本发明采用整数阶Oustaloup滤波器来逼近分数阶微分算子该滤波器的传递函数如下：其中，G(s)为复变函数，k∈[-N,N],N为滤波器阶数,(ωb,ωh)为给定的滤波频率区间，α为分数阶微积分的阶次；设计如下式所示的分数阶PIαDα滑模面其中，kp和ki是非零正常数；表示分数阶微积分算子，当α(0＜α＜1)时表示分数阶微分，则表示分数阶积分；e为系统速度跟踪误差；步骤三：设计滑模控制律为u＝ueq+usw(16)其中，usw为滑模控制的切换项；ueq为滑模控制的...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙宜标，王亚朋，刘春芳，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21
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