位置控制器、永磁同步直线电机控制方法及系统技术方案

本发明专利技术适用于电机控制技术领域，提供了一种位置控制器、永磁同步直线电机控制方法及系统，所述方法包括以下步骤：建立交直轴坐标系下的PMSLM电磁推力方程和包含系统扰动的PMSLM二阶动力学方程；定义误差变量，以误差变量为输入设计双幂次终端滑模面；然后求解滑模面的一阶微分，并在忽略扰动的情况下计算出滑模等效控制率；定义连续终端滑模趋近率和基于势垒函数的自适应切换增益，设计出滑模切换控制率；对滑模等效控制率和滑模切换控制率相加，得到输出控制率；本发明专利技术通过控制滑模切换增益可以根据滑模变量的变化实时调整，从而避免控制增益的高估，保证PMSLM伺服系统的跟踪精度保持在预设零邻域内。精度保持在预设零邻域内。精度保持在预设零邻域内。

【技术实现步骤摘要】
位置控制器、永磁同步直线电机控制方法及系统


[0001]本专利技术属于电机控制
，提供了一种位置控制器、永磁同步直线电机控制方法及系统。

技术介绍

[0002]近年来，为了满足高档数控机床、3D打印、半导体制造和玻璃基板检测等工业场合中高速高精度直线伺服驱动的需求，永磁同步直线电机(PMSLM)已发展成为直线伺服的关键部件。与传统的旋转电机与滚珠丝杠或齿轮齿条相结合的直线伺服模式不同，直线电机消除了这些中间机械传动环节，消除了不必要的齿间间隙和死区等影响，真正实现了高效、快速的直接驱动。
[0003]然而，PMSLM是一个高度非线性和强耦合的复杂系统，系统的数学模型往往存在不确定性，同时在往复运动的复杂工况下，PMSLM还会受到参数失配，非线性摩擦、推力波动、线缆扰动力和负载扰动等外部干扰因素的影响。为了克服这些问题并获得理想的控制效果，近年来提出了许多先进的控制策略。其中，滑模控制由于对内参数扰动和外部扰动具有较强的鲁棒性，且实现简单，已经在PMSLM伺服系统中广泛应用。然而传统的线性滑模控制在永磁同步直线电机(PMSLM)伺服系统中应用时，往往需要设置足够大的滑模切换增益来克服PMSLM伺服系统时变扰动，而当扰动的幅值减小时，就会出现滑模切换增益过估计问题，从而引起严重的控制抖振，降低PMSLM伺服系统的跟踪精度。
[0004]因此，亟需设计一种基于自适应双幂次终端滑模的PMSLM位置跟踪高精度保持控制方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术实施例的目的在于提供一种永磁同步直线电机控制方法，旨在解决现有技术中线性滑模控制在永磁同步直线电机(PMSLM)伺服系统中应用时，往往需要设置足够大的滑模切换增益来克服伺服系统时变扰动，而当扰动的幅值减小时，就会出现滑模切换增益过估计问题，从而引起严重的控制抖振，劣化PMSLM伺服系统的跟踪精度的问题。
[0006]本专利技术实施例是这样实现的，一种永磁同步直线电机控制方法，所述方法包括以下步骤：
[0007]建立交直轴坐标系下的PMSLM电磁推力方程和包含系统扰动的PMSLM二阶动力学方程；
[0008]定义误差变量，以误差变量为输入设计双幂次终端滑模面；然后求解滑模面的一阶微分，并在忽略扰动的情况下计算出滑模等效控制率；
[0009]定义连续终端滑模趋近率和基于势垒函数的自适应切换增益，从而进一步设计出滑模切换控制率；
[0010]对滑模等效控制率和滑模切换控制率相加，得到输出控制率；使得能够通过输出控制率调制驱动脉冲信号，并加载到PMSLM。
[0011]本专利技术实施例的另一目的在于提供一种位置控制器，所述位置控制器包括：方程构建模块、滑模等效控制率计算模块、滑模切换控制率计算模块和控制输出模块；
[0012]所述方程构建模块，用于建立交直轴坐标系下的PMSLM电磁推力方程和包含系统扰动的PMSLM二阶动力学方程；
[0013]所述滑模等效控制率计算模块，用于定义误差变量，以误差变量为输入设计双幂次终端滑模面；然后求解滑模面的一阶微分，并在忽略扰动的情况下计算出滑模等效控制率；
[0014]所述滑模切换控制率计算模块，用于定义连续终端滑模趋近率和基于势垒函数的自适应切换增益，从而进一步设计出滑模切换控制率；
[0015]所述控制输出模块，用于对滑模等效控制率和滑模切换控制率相加，得到输出控制率；使得能够通过输出控制率调制驱动脉冲信号，并加载到PMSLM。
[0016]本专利技术实施例的另一目的在于提供一种永磁同步直线电机控制系统，所述永磁同步直线电机控制系统包括：如上所述的位置控制器，以及驱动单元；
[0017]所述位置控制器，用于获取相关参数，并产生输出控制率给驱动单元；
[0018]所述驱动单元，用于根据接收的所述输出控制率调制驱动脉冲信号，并加载到PMSLM以驱动电机动子运动。
[0019]本实施例中，所述的驱动单元包括空间脉宽调制器(SVPWM)和逆变器，位置控制器产生的输出控制率，作为交轴电流给定值i
q
*，直轴的电流给定值i
d
*等于0。逆变器作用到PMSLM的三相电流驱动PMSLM运行，三相电流由霍尔电流传感器测得，经过clarke变换得到两项静止坐标系下的α轴和β轴电流分量i
α
、i
β
；i
α
、i
β
在经过Park变化得到交直轴下的电流分量i
q
和i
d
。再i
q
和i
d
和i
q
*、i
d
*作差输入到电流控制器，电流控制器的输出值作为交直轴电压指令u
q
*和u
d
*。u
q
*和u
d
*在经过Park反变化得到两项静止坐标系下的α轴和β轴电压分量u
α
*和u
β
*。u
α
*和u
β
*经过SVPWM空间脉宽调制输出六路脉冲波(PWM)，PWM经过逆变器产生三相电流加载到PMSLM上，生成电磁推力驱动PMSLM线性运动。
[0020]本专利技术实施例的另一目的在于提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述永磁同步直线电机控制方法的步骤。
[0021]本专利技术实施例的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述永磁同步直线电机控制方法的步骤。
[0022]本专利技术实施例提供的一种永磁同步直线电机控制方法，能够实现滑模切换增益可以根据滑模变量(即双幂次终端滑模面)的变化实时调整，从而避免滑模切换增益的高估，保证PMSLM伺服系统的跟踪精度保持在预设零邻域内，从而避免出现滑模切换增益过估计的问题。
附图说明
[0023]图1为本专利技术实施例提供的一种永磁同步直线电机控制方法的控制流程图；
[0024]图2为本专利技术实施例提供的一种永磁同步直线电机控制方法的原理框图；
[0025]图3为本专利技术实施例中自适应切换增益在第一阶段的变化曲线图；
[0026]图4为本专利技术实施例中自适应切换增益在第二阶段的变化曲线图；
[0027]图5为传统PMSLM伺服系统的系统扰动图；
[0028]图6为传统线性滑模的跟踪误差在幅值变化的系统扰动影响下的波动图；
[0029]图7为本专利技术实施例中PMSLM的控制效果图；
[0030]图8为本专利技术实施例提供的一种位置控制器的结构框图；
[0031]图9为本专利技术实施例提供的另一种位置控制器的结构框图；
[0032]图10为一个实施例中计算机设备的内部结构框图。
具体实施方式
[0033]为了使本专利技术的目本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步直线电机控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：建立交直轴坐标系下的PMSLM电磁推力方程和包含系统扰动的PMSLM二阶动力学方程；定义误差变量，以误差变量为输入设计双幂次终端滑模面；然后求解滑模面的一阶微分，并在忽略扰动的情况下计算出滑模等效控制率；定义连续终端滑模趋近率和基于势垒函数的自适应切换增益，从而进一步设计出滑模切换控制率；对滑模等效控制率和滑模切换控制率相加，得到输出控制率；使得能够通过输出控制率调制驱动脉冲信号，并加载到PMSLM。2.根据权利要求1所述的永磁同步直线电机控制方法，其特征在于，计算所述的滑模等效控制率具体包括以下步骤：设计双幂次终端滑模面s：式中：γ1、γ2、λ1、λ2、为滑模面参数，且满足γ1＞0,γ2＞0,λ1＞λ2,1＜λ2＜2；将PMSLM二阶动力学方程和误差变量代入上式，并求解双幂次终端滑模面的一阶微分如下：假设系统扰动F
∑
为0，令求得滑模等效控制率u
eq
如下：式中：u
eq
为滑模等效控制率，sign是符号函数，满足：δ为符号函数因变量。3.根据权利要求2所述的永磁同步直线电机控制方法，其特征在于，设计出的滑模切换控制率满足：其中，连续终端滑模趋近率基于势垒函数的自适应切换增益：其中，α1、α2和β都是滑模趋近率系数，且满足α1＞0、α2＞0、0＜β＜1；t0是自适应率切换时间，为自适应率参数；
其中φ是预设的正值。4.根据权利要求3所述的永磁同步直线电机控制方法，其特征在于，所述的自适应切换增益随当前双幂次终端滑模面s的变化而变化，具体包括：当s逐渐减小到零时，自适应切换增益将减小，直到允许补偿系统扰动；当系统扰动增加且自适应切换增益小于系统扰动的绝对值时，会导致s将增加，此时自适应切换增益也将增加，直到足以抵消系统扰动。5.根据权利要求1所述的永磁同步直线电机控制方法，其特征在于，在建立交直轴坐标系下的PMSLM电磁推力方程和包含系统扰动的PMSLM二阶动力学方程的步骤前，获取相关参数；所述相关参数至少包括：PMSLM电磁推力F
e
，电机极距τ，永磁体磁链φ
f
；交、直轴电感L
q
、L
d
，交、直轴电流i
q
、i
d
，位置信息的一阶微分位置信息的二阶微分电磁推力系数k<...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵吉文，王立俊，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：