基于高阶滑模算法的直线永磁电机位置伺服系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于高阶滑模算法的直线永磁电机位置伺服系统：包括滑模控制器、谐振抑制模块、陷波滤波器、低通滤波器、电流环PI控制器、PARK变换模块、空间矢量控制模块、逆变器、Clark变换模块、PARK逆变换模块和带有位置光栅尺的直线电机；由于去掉了速度闭环这个大惯性延迟环节，本发明专利技术用位置‑电流双环控制结构代替传统三环控制结构，能够提高系统的响应速度，并具有较好的动态性能。采用了高阶滑模控制器能够明显削弱抖振现象并保证滑模控制的精度，且能进一步提升系统的动态特性和鲁棒性能。

【技术实现步骤摘要】
基于高阶滑模算法的直线永磁电机位置伺服系统
本专利技术涉及一种基于直线永磁电动机的位置伺服控制方法，尤其是一种高性能直接驱动位置伺服系统及方法。
技术介绍
永磁直线同步电机更是具有功率密度高、推力-体积比高、动态性能良好等优点，能够实现直接高速驱动，避免了间接机械传动装置传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点，可获得高速、高精度移动性能并具有极好的稳态和动态性能，非常适用于直线直驱式系统。随着智能装备制造和自动控制技术的发展，具有响应快、精确度高、过载能力高等优点的基于直线永磁同步电机的位置伺服系统作为执行部件逐渐被广泛应用于工业生产中的直接驱动设备上，如数控机床，半导体生产、机器人、XY平台驱动等领域。对于高速高精度直线位置伺服系统而言，高性能高响应的控制方法是关键技术之一。高性能位置伺服系统对系统位置响应的动态性能要求很高，传统位置伺服由位置闭环作为外环、速度闭环作为中间环、电流闭环作为内环的三闭环组成，速度闭环作为控制结构中的串联环节降低了系统位置调节的动态响应性能，且提高了整个系统的阶数，增加了系统的调试难度。采用去掉速度闭环环节的两环位置伺服，由于少了速度闭环这个大惯性延迟环节，对位置命令变化的反应速度更快，动态性能更好，适合于永磁直线伺服电机的直驱式位置控制。采用两环系统后，位置控制器的输出就是电流环的给定量，伺服系统的性能会受到电参数和外部扰动的影响，本专利技术将高阶滑模算法引入到两环系统的位置控制器中，其中设计的滑模控制器对电参数变化不敏感，且能够抑制负载扰动。高阶滑模控制算法是传统滑模的扩展，不是将不连续函数作用与滑模量的一阶导数上，而是作用于滑模量的二阶导数上，可以显削弱抖动现象，具有算法简单、鲁棒性强且容易实现的特点。因此，需要对现有技术进行改进。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种高效的基于高阶滑模算法的直线永磁电机位置伺服系统。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于高阶滑模算法的直线永磁电机位置伺服系统：包括滑模控制器、谐振抑制模块、陷波滤波器、低通滤波器、电流环PI控制器、PARK变换模块、空间矢量控制模块、逆变器、Clark变换模块、PARK逆变换模块和带有位置光栅尺的直线电机；通过上位系统将给定位置指令p*发送给谐振抑制模块和第一减法器；直线电机通过位置光栅尺输出pb信号到第一减法器；直线电机输出两相定子电流ia和ib到Clark变换模块；谐振抑制模块根据给定位置指令p*；运算得到平滑后的指令位置pf，并将平滑后的指令位置pf发送到第二减法器；第一减法器根据给定位置指令p*和pb信号，运算得到误差信号p*-pb，并将误差信号p*-pb发送给第二减法器；第一减法器的运算方法为给定位置指令p*减去pb信号；第二减法器根据误差信号p*-pb和平滑后的指令位置pf，运算得到位置误差信号σ，并将位置误差信号σ发送给滑模控制器；第二减法器的运算方法为误差信号p*-pb减去指令位置pf；滑模控制器根据位置误差信号σ，运算得到输出im，并将输出im发送给低通滤波器；低通滤波器根据滑模控制器的输出im，经滤波得到滤波后信号im*，并将滤波后信号im*发送给陷波滤波器；陷波滤波器根据滤波后信号im*，运算得到交轴电流给定值iq*，并将交轴电流给定值iq*发送给第三减法器；Clark变换模块根据两相定子电流ia和ib，运算得到变换后定子电流iα和iβ，并将变换后定子电流iα和iβ发送给PARK逆变换模块；PARK逆变换模块根据变换后定子电流iα和iβ，运算得到交轴电流反馈值iq和直轴电流反馈值id，并将交轴电流反馈值iq发送给第三减法器，将直轴电流反馈值id发送给第四减法器；第三减法器根据交轴电流给定值iq*和交轴电流反馈值iq，经运算得到交轴电流误差值iq*-iq，并将交轴电流误差值发送给电流环PI控制器；第三减法器的运算方法为交轴电流给定值iq*减去交轴电流反馈值iq；通过上位系统将直轴电流给定值id*发送给第四减法器；第四减法器根据直轴电流给定值id*和直轴电流反馈值id，经运算得到直轴电流误差值id*-id，并将直轴电流误差值id*-id发送给电流环PI控制器；第四减法器的运算方法为直轴电流给定值id*减去直轴电流反馈值id；电流环PI控制器根据交轴电流误差值iq*-iq和直轴电流误差值id*-id，运算得到交轴电流uq和直轴直压ud，并将交轴电流uq和直轴直压ud发送给PARK变换模块；PARK变换模块根据交轴电流uq和直轴直压ud，运算得到两相静止坐标系下的定子电压分量uα、uβ，并将两相静止坐标系下的定子电压分量uα、uβ发送给空间矢量控制模块；空间矢量控制模块根据两相静止坐标系下的定子电压分量uα、uβ，经运算得到六路PWM信号，并将六路PWM信号发送给逆变器；通过逆变器驱动直线电机运行。作为对本专利技术基于高阶滑模算法的直线永磁电机位置伺服系统的改进：谐振抑制模块的传递函数为：式中：Kf为推力常数，M为直线电机的动子和负载总质量，ω0N是谐振抑制模块的带宽，ξ0为阻尼比；作为对本专利技术基于高阶滑模算法的直线永磁电机位置伺服系统的进一步改进：滑模控制器包括第五减法器、第一符号函数模块、第一乘法器、第一积分函数模块、第一绝对值开方函数模块、第三乘法器、第一加法器、第二积分函数模块、第二绝对值开方函数模块、第二乘法器、第二符号函数模块、第一绝对值函数模块，第四乘法器、第五乘法器、第二加法器、第六乘法器和第三符号函数模块；第二减法器将位置误差信号σ发送给第五减法器；第五减法器根据位置误差信号σ和第二积分函数模块输出的位置误差信号的估计值z0，运算得到偏差信号z0-σ，并将偏差信号z0-σ分别发送给第一符号函数模块和第一绝对值开方函数模块；第一符号函数模块根据偏差信号z0-σ，运算得到sign(z0-σ)，并将sign(z0-σ)发送到第一乘法器和第二乘法器；第一乘法器根据sign(z0-σ)，运算得到误差信号的一阶导数的估计值并将误差信号的一阶导数的估计值发送给第一积分函数模块；第一积分函数模块根据误差信号的一阶导数的估计值积分运算得到位置误差信号估计值z1，并将位置误差信号估计值z1发送给第一加法器；第一绝对值开方函数模块根据偏差信号z0-σ，运算得到并将发送到第二乘法器；第二乘法器根据和sign(z0-σ)，运算得到并将发送给第三乘法器；第三乘法器根据运算得到z2，并将z2发送给第一加法器；第一加法器根据z1和z2，运算得到导数并将导数发送到第二积分函数模块；第二积分函数模块根据导数积分运算得到位置误差信号的估计值z0，并将位置误差信号的估计值z0发送给第五减法器；λ1＝1.2，λ2＝1.7，L满足约束条件为动子最大加速度；第二积分函数模块还发送位置误差信号的估计值z0到第二绝对值开方函数模块和绝对值函数模块；绝对值函数模块根据位置误差信号的估计值z0，运算得到|z0|，并将|z0|发送给第二符号函数模块；第二绝对值开方函数模块根据z0，运算得到并将发送给第四乘法器；第二符号函数模块根据|z0|，运算得到sign(|z0|)，并将sign(|z0|)发送给第四乘法器；第四乘法器根据和sign(|z0|)，运算得到并将发送到第五乘法器；第五乘法器根据运算得到并将发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于高阶滑模算法的直线永磁电机位置伺服系统，其特征在于：包括滑模控制器(4)、谐振抑制模块(1)、陷波滤波器(6)、低通滤波器(5)、电流环PI控制器(8)、PARK变换模块(9)、空间矢量控制模块(10)、逆变器(11)、Clark变换模块(13)、PARK逆变换模块(14)和带有位置光栅尺(16)的直线电机(12)；通过上位系统将给定位置指令p*发送给谐振抑制模块(1)和第一减法器(2)；直线电机(12)通过位置光栅尺(16)输出pb信号到第一减法器(2)；直线电机(12)输出两相定子电流ia和ib到Clark变换模块(13)；谐振抑制模块(1)根据给定位置指令p*；运算得到平滑后的指令位置pf，并将平滑后的指令位置pf发送到第二减法器(3)；第一减法器(2)根据给定位置指令p*和pb信号，运算得到误差信号p*‑pb，并将误差信号p*‑pb发送给第二减法器(3)；第一减法器(2)的运算方法为给定位置指令p*减去pb信号；第二减法器(3)根据误差信号p*‑pb和平滑后的指令位置pf，运算得到位置误差信号σ，并将位置误差信号σ发送给滑模控制器(4)；第二减法器(3)的运算方法为误差信号p*‑pb减去指令位置pf；滑模控制器(4)根据位置误差信号σ，运算得到输出im，并将输出im发送给低通滤波器(5)；低通滤波器(5)根据滑模控制器(4)的输出im，经滤波得到滤波后信号im*，并将滤波后信号im*发送给陷波滤波器(6)；陷波滤波器(6)根据滤波后信号im*，运算得到交轴电流给定值iq*，并将交轴电流给定值iq*发送给第三减法器(7)；Clark变换模块(13)根据两相定子电流ia和ib，运算得到变换后定子电流iα和iβ，并将变换后定子电流iα和iβ发送给PARK逆变换模块(14)；PARK逆变换模块(14)根据变换后定子电流iα和iβ，运算得到交轴电流反馈值iq和直轴电流反馈值id，并将交轴电流反馈值iq发送给第三减法器(7)，将直轴电流反馈值id发送给第四减法器(15)；第三减法器(7)根据交轴电流给定值iq*和交轴电流反馈值iq，经运算得到交轴电流误差值iq*‑iq，并将交轴电流误差值发送给电流环PI控制器(8)；第三减法器(7)的运算方法为交轴电流给定值iq*减去交轴电流反馈值iq；通过上位系统将直轴电流给定值id*发送给第四减法器(15)；第四减法器(15)根据直轴电流给定值id*和直轴电流反馈值id，经运算得到直轴电流误差值id*‑id，并将直轴电流误差值id*‑id发送给电流环PI控制器(8)；第四减法器(15)的运算方法为直轴电流给定值id*减去直轴电流反馈值id；电流环PI控制器(8)根据交轴电流误差值iq*‑iq和直轴电流误差值id*‑id，运算得到交轴电流uq和直轴直压ud，并将交轴电流uq和直轴直压ud发送给PARK变换模块(9)；PARK变换模块(9)根据交轴电流uq和直轴直压ud，运算得到两相静止坐标系下的定子电压分量uα、uβ，并将两相静止坐标系下的定子电压分量uα、uβ发送给空间矢量控制模块(10)；空间矢量控制模块(10)根据两相静止坐标系下的定子电压分量uα、uβ，经运算得到六路PWM信号，并将六路PWM信号发送给逆变器(11)；通过逆变器(11)驱动直线电机(12)运行。...

【技术特征摘要】
1.基于高阶滑模算法的直线永磁电机位置伺服系统，其特征在于：包括滑模控制器(4)、谐振抑制模块(1)、陷波滤波器(6)、低通滤波器(5)、电流环PI控制器(8)、PARK变换模块(9)、空间矢量控制模块(10)、逆变器(11)、Clark变换模块(13)、PARK逆变换模块(14)和带有位置光栅尺(16)的直线电机(12)；通过上位系统将给定位置指令p*发送给谐振抑制模块(1)和第一减法器(2)；直线电机(12)通过位置光栅尺(16)输出pb信号到第一减法器(2)；直线电机(12)输出两相定子电流ia和ib到Clark变换模块(13)；谐振抑制模块(1)根据给定位置指令p*；运算得到平滑后的指令位置pf，并将平滑后的指令位置pf发送到第二减法器(3)；第一减法器(2)根据给定位置指令p*和pb信号，运算得到误差信号p*-pb，并将误差信号p*-pb发送给第二减法器(3)；第一减法器(2)的运算方法为给定位置指令p*减去pb信号；第二减法器(3)根据误差信号p*-pb和平滑后的指令位置pf，运算得到位置误差信号σ，并将位置误差信号σ发送给滑模控制器(4)；第二减法器(3)的运算方法为误差信号p*-pb减去指令位置pf；滑模控制器(4)根据位置误差信号σ，运算得到输出im，并将输出im发送给低通滤波器(5)；低通滤波器(5)根据滑模控制器(4)的输出im，经滤波得到滤波后信号im*，并将滤波后信号im*发送给陷波滤波器(6)；陷波滤波器(6)根据滤波后信号im*，运算得到交轴电流给定值iq*，并将交轴电流给定值iq*发送给第三减法器(7)；Clark变换模块(13)根据两相定子电流ia和ib，运算得到变换后定子电流iα和iβ，并将变换后定子电流iα和iβ发送给PARK逆变换模块(14)；PARK逆变换模块(14)根据变换后定子电流iα和iβ，运算得到交轴电流反馈值iq和直轴电流反馈值id，并将交轴电流反馈值iq发送给第三减法器(7)，将直轴电流反馈值id发送给第四减法器(15)；第三减法器(7)根据交轴电流给定值iq*和交轴电流反馈值iq，经运算得到交轴电流误差值iq*-iq，并将交轴电流误差值发送给电流环PI控制器(8)；第三减法器(7)的运算方法为交轴电流给定值iq*减去交轴电流反馈值iq；通过上位系统将直轴电流给定值id*发送给第四减法器(15)；第四减法器(15)根据直轴电流给定值id*和直轴电流反馈值id，经运算得到直轴电流误差值id*-id，并将直轴电流误差值id*-id发送给电流环PI控制器(8)；第四减法器(15)的运算方法为直轴电流给定值id*减去直轴电流反馈值id；电流环PI控制器(8)根据交轴电流误差值iq*-iq和直轴电流误差值id*-id，运算得到交轴电流uq和直轴直压ud，并将交轴电流uq和直轴直压ud发送给PARK变换模块(9)；PARK变换模块(9)根据交轴电流uq和直轴直压ud，运算得到两相静止坐标系下的定子电压分量uα、uβ，并将两相静止坐标系下的定子电压分量uα、uβ发送给空间矢量控制模块(10)；空间矢量控制模块(10)根据两相静止坐标系下的定子电压分量uα、uβ，经运算得到六路PWM信号，并将六路PWM信号发送给逆变器(11)；通过逆变器(11)驱动直线电机(12)运行。2.根据权利要求1所述的基于高阶滑模算法的直线永磁电机位置伺服系统，其特征在于：谐振抑制模块(1)的传递函数为：式中：Kf为推力常数，M为直线电机(12)的动子和负载总质量，ω0N是谐振抑制模块(1)的带宽，ξ0为阻尼比。3.根据权利要求2所述的基于高阶滑模算法的直线永磁电机...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪科辉，苏明垢，鲁文其，姚炳兴，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33