一种采用自抗扰控制的磁力丝杠电机的高跟踪性能控制方法技术

本发明专利技术公开了一种采用自抗扰控制的磁力丝杠电机的高跟踪性能控制方法。该方法充分利用了磁力丝杠电机无接触式运动的特点，提出了一种新的自抗扰控制算法，极大地改善了对磁力丝杠电机的控制效果。本发明专利技术降低了磁力丝杠运行过程中的内外干扰，增强了系统的稳定性；弥补了闭环控制系统中非线性区域的缺失，增强了磁力丝杠的灵活性；与PI控制方法相比，改善了系统的动态性能和抗干扰性能。系统的动态性能和抗干扰性能。系统的动态性能和抗干扰性能。

【技术实现步骤摘要】
一种采用自抗扰控制的磁力丝杠电机的高跟踪性能控制方法


[0001]本专利技术涉及线性致动器的控制
，特别涉及一种磁力丝杠电机的高跟踪性能控制方法。该方法适用于航空航天、智能制造、军工国防装备等对电机的可靠性有较高要求的领域。

技术介绍

[0002]随着驱动系统复杂性和驱动精度要求的提高，直线旋转两自由度驱动特性受到了广泛关注。主动悬架作为连接车身与车轴或车轮的动力传动部件，对高性能线性致动器的要求越来越高。近年来，各种高性能线性致动器层出不穷，如电液线性致动器、机电线性致动器和直接驱动型电动线性致动器。在目前大多数线性致动器的研究领域中，永磁线性致动器凭借其高推力密度和高效率而受到广泛赞誉。与传统的机械致动器相比，这种磁性致动器具有高力密度和固有过载保护的优点。同时，通过磁场的非接触传力，它们在运动过程中几乎没有摩擦。
[0003]本专利技术涉及一种高力密度线性执行器被开发并应用于车辆悬架。将其与永磁同步电机集成在一起，形成本专利技术中要控制的磁力丝杠电机。改电机通过旋转磁场的作用向前推动磁力丝杠，几乎没有摩擦和损耗。由于其特殊的内部结构，它最多可以输出约5kN的力。然而，由于本文涉及的磁力丝杠电机的复杂性和不确定性，大大增加了控制的难度。
[0004]目前，人们正在研究各种不同结构和不同性能的磁力丝杠。然而，对磁力丝杠控制策略的研究还不成熟。现有的控制中包括提出解耦控制，并采用干扰观测器来提高系统的鲁棒性，解决了机器人应用中的安全性和高性能问题；采用磁导率法计算推力和转矩方程，为了实现同步角运动控制，仍然采用解耦和独立控制；提出一种节能的轴向间隙位移调节控制方法；通过控制相对位移来减少铜损耗；采用比例观测器和扰动观测器的串级控制，实现了对直线位置和角速度的同时控制。然而，现有的磁力丝杠电机控制策略缺乏对非线性区域的考虑，由于磁场力的不确定性，会导致电流环的恶化。

技术实现思路

[0005]针对传统矢量控制没有充分结合磁力丝杠运动的基本原理并且电机受内外干扰影响的现状，本专利技术提出了一种采用自抗扰控制的磁力丝杠电机的高跟踪性能控制方法。
[0006]为达到技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种采用自抗扰控制的磁力丝杠电机的高跟踪性能控制方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1，测量磁力丝杠电机的电感L
s
、定子电阻R
s
等基本参数，分析磁力丝杠的内部结构和工作原理，建立相应的数学模型；
[0009]步骤2，建立三相永磁同步电机的数学模型，经过Park变换后，得到旋转坐标系下的参数方程；
[0010]步骤3，将磁力丝杠电机的运动状态分解为旋转和直线两个部分，列出相应的运动方程；
[0011]步骤4，在平衡状态下，分析q轴电流i
q
存在的意义，结合运动方程得到q轴电流i
q
与磁推力f
m
之间的关系式；
[0012]步骤5，针对磁力丝杠电机内部结构的复杂性和不确定性，采用自抗扰控制器ADRC来消除磁场力的干扰，建立ADRC的基本数学模型；
[0013]步骤6，为了提升磁力丝杠在运动过程中的柔性并且提高其跟踪性能，采用差值拟合的方法对ADRC中的非线性函数进行平滑性处理。
[0014]步骤7，为了减小由磁场力引起的电流波动，根据影响动态性能的干扰，结合磁力丝杠的性能和结构，设计电流环上的一阶自抗扰控制器；
[0015]步骤8，搭建由位移环、转速环和电流环组成的闭环控制系统，检测磁力丝杠电机的直线位移，作为电机的反馈位移x
m
，将给定位移x
*
与反馈位移x
m
相比较得到电机的位移误差x
r
，采用PI控制器根据位移误差x
r
计算得到磁力丝杠电机的转速ω
*
，作为电机的反馈转速ω
m
，将给定转速ω
*
与反馈转速ω
m
相比较得到电机的转速误差ω
r
，采用PI控制器根据转速误差ω
r
计算得到磁力丝杠电机的q轴电流i
q
，根据矢量控制算法，给定d轴电流i
d*
＝0，结合反馈电流，通过ADRC的计算得到d轴电压u
d
和q轴电压u
q
；
[0016]步骤9，将所得到的最优容错参考电压u
d
、u
q
经过坐标变换后输入到SVPWM模块中，得到各相的开关信号；随后将得到的开关信号输入到逆变器中控制电机，实现磁力丝杠电机的高跟踪性能控制。
[0017]进一步，步骤1所述的磁力丝杠电机是由三相永磁同步电机与磁力丝杠集成而得，转子和动子的表面贴有螺旋状的永磁体。电机通过旋转磁场产生的磁推力推动动子直线运动，这个过程几乎没有摩擦和损耗。
[0018]步骤1.1：由于此电机为表贴式结构，因此d轴和q轴电感相等：L
d
＝L
q
。当负载力超过一定极限时，永磁体之间的相对位移x
d
超过1/4极距λ，这将导致电机失去控制。相对位移x
d
的计算公式和与磁推力f
m
的关系式如下：
[0019][0020]其中，Q
m
是旋转系数；C是极距参数；θ是电角度；x是直线位移。
[0021]步骤1.2：根据能量守恒原则，机械能的传输来自动子和转子之间磁场的相互作用。旋转运动和直线运动满足以下关系式：
[0022][0023]其中，v是动子线速度；θ
m
是机械角度；ω是转子角速度；T
m
是转子需要克服的转矩。
[0024]进一步，步骤2建立三相永磁同步电机的数学模型，并且通过Park变换得到同步旋转坐标系下的参数方程。
[0025]步骤2.1：在静止坐标系下，电压方程为：
[0026][0027]其中，u
a
、u
b
和u
c
是定子的三相电压；i
a
、i
b
和i
c
是定子的三相电流；ψ
a
、ψ
b
和ψ
c
是三相绕组磁链；R
s
是定子电阻。
[0028]步骤2.2：在静止坐标系下，磁链方程为：
[0029][0030]其中，L
aa
、L
bb
,和L
cc
分别为定子的自感系数；M
ab
、M
ac
、M
ba
、M
bc
、M
ca
和M
cb
分别为定子的互感；ψ
fa
、ψ
fb
和ψ
fc
是由永磁体产生的定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用自抗扰控制器的磁力丝杠电机的高跟踪性能控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，测量磁力丝杠电机的电感L
s
、定子电阻R
s
等基本参数，分析磁力丝杠的内部结构和工作原理，建立相应的数学模型；步骤2，建立三相永磁同步电机的数学模型，经过Park变换后，得到旋转坐标系下的参数方程；步骤3，将磁力丝杠电机的运动状态分解为旋转和直线两个部分，列出相应的运动方程；步骤4，在平衡状态下，分析q轴电流i
q
存在的意义，结合运动方程得到q轴电流i
q
与磁推力f
m
之间的关系式；步骤5，针对磁力丝杠电机内部结构的复杂性和不确定性，采用自抗扰控制器ADRC来消除磁场力的干扰，建立ADRC的基本数学模型；步骤6，为了提升磁力丝杠在运动过程中的柔性并且提高其跟踪性能，采用差值拟合的方法对ADRC中的非线性函数进行平滑性处理；步骤7，为了减小由磁场力引起的电流波动，根据影响动态性能的干扰，结合磁力丝杠的性能和结构，设计电流环上的一阶自抗扰控制器；步骤8，搭建由位移环、转速环和电流环组成的闭环控制系统，检测磁力丝杠电机的直线位移，作为电机的反馈位移x
m
，将给定位移x
*
与反馈位移x
m
相比较得到电机的位移误差x
r
，采用PI控制器根据位移误差x
r
计算得到磁力丝杠电机的转速ω
*
，作为电机的反馈转速ω
m
，将给定转速ω
*
与反馈转速ω
m
相比较得到电机的转速误差ω
r
，采用PI控制器根据转速误差ω
r
计算得到磁力丝杠电机的q轴电流i
q
，根据矢量控制算法，给定d轴电流i
d*
＝0，结合反馈电流，通过ADRC的计算得到d轴电压u
d
和q轴电压u
q
；步骤9，将所得到的最优容错参考电压u
d
、u
q
经过坐标变换后输入到SVPWM模块中，得到各相的开关信号；随后将得到的开关信号输入到逆变器中控制电机，实现磁力丝杠电机的高跟踪性能控制。2.根据权利要求1所述的一种采用自抗扰控制器的磁力丝杠电机的高跟踪性能控制方法，其特征在于，所述步骤1中，磁力丝杠电机是由三相永磁同步电机与磁力丝杠集成而得，转子和动子的表面贴有螺旋状的永磁体；电机通过旋转磁场产生的磁推力推动动子直线运动，这个过程几乎没有摩擦和损耗；步骤1具体过程为：步骤1.1：由于此电机为表贴式结构，因此d轴和q轴电感相等：L
d
＝L
q
，当负载力超过一定极限时，永磁体之间的相对位移x
d
超过1/4极距λ，这将导致电机失去控制；相对位移x
d
的计算公式和与磁推力f
m
的关系式如下：其中，Q
m
是旋转系数；C是极距参数；θ是电角度；x是直线位移。步骤1.2：根据能量守恒原则，机械能的传输来自动子和转子之间磁场的相互作用，旋转运动和直线运动满足以下关系式：
其中，v是动子线速度；θ
m
是机械角度；ω是转子角速度；T
m
是转子需要克服的转矩。3.根据权利要求1所述的一种采用自抗扰控制器的磁力丝杠电机的高跟踪性能控制方法，其特征在于，所述步骤2中建立三相永磁同步电机的数学模型，并且通过Park变换得到同步旋转坐标系下的参数方程：步骤2.1：在静止坐标系下，电压方程为：其中，u
a
、u
b
和u
c
是定子的三相电压；i
a
、i
b
和i
c
是定子的三相电流；ψ
a
、ψ
b
和ψ
c
是三相绕组磁链；R
s
是定子电阻；步骤2.2：在静止坐标系下，电压方程为：其中，L
aa
、L
bb
,和L
cc
分别为定子的自感系数；M
ab
、M
ac
、M
ba
、M
bc
、M
ca
和M
cb
分别为定子的互感；ψ
f
是定子磁链，ψ
fa
、ψ
fb
和ψ
fc
是由永磁体产生的定子绕组的磁链，可以表示为：步骤2.3：经过Park变换后，定子在同步旋转坐标系中的电压方程可以表示为：其中，u
d
,、u
q
和i
d
、i
q
分别是d
‑
q轴上的定子电压和电流；ψ
d
和ψ
q
为d

【专利技术属性】
技术研发人员：刘国海，方礼贤，刘正蒙，陈前，张嘉皓，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：