基于位置域頻率和相位辨識的永磁直線電機推力波動抑制技術(shù)研究*

張彥龍，趙　飛，張　馳，杜文華

(1.中北大學 機械與動力工程學院，太原　030051；2.中國科學院寧波工業(yè)技術(shù)研究院(籌) 先進制造技術(shù)研究所，浙江 寧波　315201)

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基于位置域頻率和相位辨識的永磁直線電機推力波動抑制技術(shù)研究*

張彥龍1，趙飛2，張馳2，杜文華1

(1.中北大學 機械與動力工程學院，太原030051；2.中國科學院寧波工業(yè)技術(shù)研究院(籌) 先進制造技術(shù)研究所，浙江 寧波315201)

摘要：推力波動是永磁直線電機固有的內(nèi)部擾動，嚴重影響直線電機的動態(tài)精度。基于推力波動特性辨識結(jié)果設計前饋控制器是實現(xiàn)推力波動抑制的重要手段。首先分析了推力波動特性，基于位置域頻率和初相位信息建立了推力波動數(shù)學模型。電機在不同速度下運行時基于遺傳算法辨識方法分別確定實驗直線電機的推力波動模型參數(shù)，并設計前饋控制器，實現(xiàn)直線電機的推力波動抑制。仿真和實驗結(jié)果表明，推力波動模型準確描述了被測電機的推力特性，基于模型辨識結(jié)果設計的前饋控制器有效地降低了推力波動引起的系統(tǒng)速度波動。

關(guān)鍵詞：永磁同步直線電機；前饋補償；推力波動；遺傳算法

0引言

永磁同步直線電機是進給系統(tǒng)實現(xiàn)高加速度高精度運動的關(guān)鍵基礎部件。直線電機簡化了進給系統(tǒng)的傳動鏈，消除了傳動間隙，減少了摩擦，提高了運行速度和加速度，擴展了控制帶寬范圍，促進了高速高精密加工的發(fā)展。然而，直驅(qū)電機并非完美無缺，直線電機端部磁場的畸變影響到行波磁場的完整性，使電機損耗增加，推力減小，而且存在較大的推力波動。直線電機由于不需要中間機械轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，使得其較旋轉(zhuǎn)電機更容易受到外界干擾。推力波動是影響直線電機性能的主要因素之一。引起推力波動的原因有齒槽效應、端部效應、法向吸引力所引起的摩擦攝動以及驅(qū)動電流的非正弦和反電動勢的非正弦所引起的紋波推力等因素[1-4]。推力波動會使電機在運行時出現(xiàn)抖動、噪聲并且影響電機運行的平穩(wěn)性，因此為了提高直線電機的驅(qū)動性能，必須對推力波動進行抑制。

針對直線電機的推力波動可以從電機設計角度和控制角度來進行抑制。電機的設計角度可以通過將齒槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化、對動子鐵心結(jié)構(gòu)優(yōu)化和對磁極結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)一定程度的抑制[5-6]。通過優(yōu)化電機設計的方法，可以降低永磁同步直驅(qū)電機的推力波動。然而，電機設計并不能完全消除推力波動，需通過控制來彌補。在控制角度，利用現(xiàn)代控制技術(shù)，提高系統(tǒng)擾動抑制能力是實現(xiàn)推力波動的主要趨勢。文獻[7-9]通過迭代學習的方法對推力波動進行補償，但該方法增加了系統(tǒng)的復雜度和運算量，使得實時控制系統(tǒng)的使用成本大幅增高。文獻[10] 基于擾動觀測器的推力波動補償控制需要額外的系統(tǒng)資源，同樣造成成本提升。文獻[11]通過外部電機拖動實驗直線電機勻速運動的方式測得了推力波動中的齒槽力和端部力，并對其進行了補償，但該方法需要額外的電機、力傳感器，且不能測出推力波動中的紋波力。為了同時獲得齒槽力、端部力、紋波力和法向吸引力所引起的摩擦攝動，本文通過驅(qū)動器使電機勻速運行，通過測量輸出電流獲取電機的推力波動。首先分析了推力波動特性，基于位置頻率和初相位信息建立了推力波動數(shù)學模型。在多組運動速度狀態(tài)下，基于遺傳算法辨識方法分別辨識出直線電機推力波動的模型參數(shù)，以此設計前饋控制器，實現(xiàn)直線電機的推力波動抑制。

1推力波動的建模及補償方法

1.1推力波動的建模

在id=0矢量控制方式下，電機的推力電流和電機的推力成正比。當電機運行時，其受力情況可表示為式(1)、式(2)：

F=ma+Ffriction+Fripple

(1)

F=Kiq

(2)

其中：F為電機電磁推力；m為動子質(zhì)量;a為電機的加速度；Ffriction為摩擦力;Fripple為推力波動;K為電機力常數(shù)；iq為經(jīng)過坐標變換后電機的q軸電流。

永磁直線電機的推力波動主要由齒槽力、端部力以及紋波力等引起。從理論上對它們進行理論推導后發(fā)現(xiàn)，這些影響因素都可以表示成同電機初級所處的位置和電機的運行速度有關(guān)正弦函數(shù)組合的形式。故在某一速度下的推力波動模型可設為：

(3)

其中，l為正整數(shù)；Ai為第i次諧波的幅值；fi為第i次諧波的頻率；x為電機初級所處的位置；φi為第i次諧波的初相位。不同速度時，推力波動模型中的幅值和相位略有差別。

由式(3)可知，推力波動是關(guān)于電機運動位移的函數(shù)，同電機運行的時間并非直接相關(guān)。若電機勻速運行，則很容易建立起電機運行的位移和時間的關(guān)系。這種情況下，電機的受力情況為：

F=Ffriction+Fripple

(4)

建模時應首先確定其正弦函數(shù)的頻率，快速傅里葉變換是一種簡單而有效的求取信號特征頻率的方法。電機勻速運行時易于建立起電機運行的位移和時間的關(guān)系，因此可以求出以位置為變量的特征頻率，此時頻率的單位是mm-1。

1.2基于遺傳算法的模型參數(shù)的辨識

為了獲得推力波動具體的數(shù)學表達式，需要對模型中的參數(shù)Ai和φi進行參數(shù)辨識。遺傳算法由于具有較強的全局搜索能力，當需要辨識的參數(shù)較多時，不易陷入局部最優(yōu)解。故本文采用遺傳算法辨識模型參數(shù)。取待辨識的推力波動參數(shù)向量為個體，遺傳算法的每步迭代得到推力波動參數(shù)的辨識值為：

(5)

則由下式得到相應的推力波動辨識值：

(6)

遺傳算法的目標函數(shù)和個體適應度分別取為：

(7)

fm=Cmax-J

(8)

1.3推力波動前饋控制補償

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

當控制系統(tǒng)誤差具有可預測性時，前饋控制是實現(xiàn)誤差消減的直接而有效的方法。直驅(qū)電機的推力波動具有位置周期特性，因此，可以采用基于參考模型前饋控制的方式進行抑制。由于各頻率分量所對應的幅值和相位隨著速度變化而變化，需對多個速度情況下的推力波動模型進行上述運算，辨識出每一速度下的模型參數(shù)，計算出各頻率下的幅值和相位同速度的關(guān)系式，即Ai=Ai(v)和Φi=Φi(v)，帶入式(3)得到推力波動模型。通過指令速度即可算得此速度下的Ai和Φi，進而求得對應的推力波動。以此設計的前饋控制器系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2永磁同步直線電機推力波動補償及仿真

本文在Matlab/Simulink環(huán)境中建立速度閉環(huán)和電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，仿真對象為永磁同步直線電機，其參數(shù)如表1 所示。根據(jù)上述分析結(jié)果，推力波動可以表示為一系列正弦函數(shù)的組合。假設電機在速度為300mm/s情況下運行，推力波動最大值為電機連續(xù)推力的4.81%。按照式(3)，直線電機推力波動模型參數(shù)如式(9)所示。在Simulink環(huán)境下，構(gòu)建直線電機速度環(huán)和電流環(huán)控制模型，并將論文提出的前饋控制方法加入到系統(tǒng)中，如圖1所示，前饋控制器模型參數(shù)通過論文1.2節(jié)辨識方法進行辨識，辨識結(jié)果分別為A1=165.9113、A2=288.189、Φ1=1.3949和Φ2=2.305。仿真結(jié)果如圖2所示。當系統(tǒng)無前饋控制時，系統(tǒng)推力波動范圍為近1000N，當系統(tǒng)加入前饋后，推力波動幾乎為0。由于輸出電流受噪聲影響和參數(shù)辨識誤差的存在，使得系統(tǒng)推力波動并不能完全被抑制。從仿真結(jié)果可以看出，補償后的推力波動范圍和穩(wěn)態(tài)速度波動較補償前被明顯抑制，驗證了電流環(huán)加入補償電流以抑制推力波動的可行性。

表1　電機參數(shù)

Fripple=166sin(2π*0.05x+1.4)+

288sin(2π*0.1x+2.3)

(9)

圖2　補償前后的推力波動曲線和穩(wěn)態(tài)速度曲線

3永磁直線電機推力波動補償實驗及結(jié)果討論

3.1實驗配置

圖3　實驗配置

論文所提出的方法被應用于一臺永磁同步直線電機實驗臺上。該實驗臺直線電機采用7極6槽結(jié)構(gòu)，其它相關(guān)參數(shù)如表1所示。位置傳感器采用發(fā)格LS487光柵尺。試驗臺控制器采用dSPACE1103控制仿真系統(tǒng)搭建，驅(qū)動器采用Copley Xenus型驅(qū)動器。整個永磁同步直驅(qū)電機伺服系統(tǒng)平臺如圖3所示。

3.2伺服電機推力測試及分析技術(shù)

圖4　推力波動信號的頻譜

本文采用的id=0的矢量控制方式中，由于伺服電機運行時的推力和推力電流成正比，故測出電機輸出電流值即可得電機推力值。調(diào)節(jié)Copley驅(qū)動器使電流閉環(huán)，通過Copley對電機的輸出電流進行采樣并記錄，而電機輸出電流信號中的直流分量為電機所受的摩擦力。例如當控制器閉環(huán)并且使電機工作在20mm/s時，將去除直流分量后的電流信號乘以電機電磁力常數(shù)得到推力波動信號如圖5a所示。對該信號按位置進行FFT分析，得到其頻率特性，如圖4所示，由此可確定推力波動數(shù)學表達式如式(10)所示。

(10)

圖5　實驗測得的推力波動曲線和遺傳算法擬合的曲線

圖6　目標函數(shù)J的優(yōu)化過程

通過遺傳算法即可辨識出模型中的Ai，Φi，其擬合曲線和目標函數(shù)J的優(yōu)化過程分別如圖5b和圖6所示。由上面的分析可知，不同速度下，相同頻率分量所對應的幅值和初相位并非相同，需在多種不同速度下進行推力波動參數(shù)辨識。本文共進行102次實驗測量，同一速度進行3次重復實驗。最后經(jīng)計算得到各頻率下的幅值和相位同速度的關(guān)系式。結(jié)果顯示，3次重復試驗所獲得的幅值和相位基本重合。同一速度值下的相位隨運動方向不同略有差別。這是由于隨著速度的增加，iq和反電動勢增加，而輸入的電流往往并非理想的正弦電流，導致電磁推力中存在高次諧波，進而影響到推力波動的初相位。

3.3結(jié)果討論

在MATLAB/simulink中搭建電機的速度閉環(huán)控制器，并將其加載到dSPACE1103中，將推力波動轉(zhuǎn)換成對應的電流值加入到電流環(huán)控制器中，以對推力波動進行抑制。當電機運行在300mm/s時，其補償前后的推力波動曲線和速度曲線如圖7所示。

從圖7a可以看到，在沒有推力波動補償情況下，直線電機運行時受推力波動的影響比較大，加入推力波動補償后推力波動被明顯抑制。由圖7b可知，沒加入推力波動前饋補償時電機運行的速度波動范圍為3.733%。對直線電機進行推力波動補償后，其運行的速度波動范圍為1.633%。從實驗結(jié)果可以看出，補償后速度的波動較未補償降低55%以上，推力波動的影響得到了明顯削弱，可見本文提出的辨識方法是可行的。應當指出的是，電機在運行時受噪聲影響，使得推力的波動并不能完全被抑制。同時，電磁推力常數(shù)隨著位置變化也會略有不同，導致電磁推力和q軸電流并非呈嚴格的正比關(guān)系，使得辨識出的推力波動數(shù)學模型存在誤差。論文的下一步工作為將電磁推力常數(shù)的變化也加入推力波動的辨識中并降低電機運行時的噪聲影響，使得補償效果更好。

圖7　補償前后的推力波動曲線和穩(wěn)態(tài)速度波形

4結(jié)論

針對推力波動對直驅(qū)伺服系統(tǒng)的影響，本文建立了基于推力波動數(shù)學模型的前饋補償策略。首先將測得的推力波動信號通過FFT提取信號中的特征頻率，然后采用遺傳算法推力波動辨識出推力波動模型中的參數(shù)，最后根據(jù)推力波動模型設計前饋控制器。通過在一臺永磁同步直驅(qū)電機的實驗研究表明，該方法明顯抑制了直線電機穩(wěn)態(tài)速度波動。同時該方法實現(xiàn)過程較為簡單，不需要額外的實驗設備和傳感器，前饋補償器不復雜且運算量小，實時性強。

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(編輯李秀敏)

Research of Force Ripple Compensation for Permanent Magnet Synchronous Linear Motor Based on Frequency and Phase Identification

ZHANG Yan-long1，ZHAO Fei2，ZHANG Chi2，DU Wen-hua1

(1.School of Mechanical and Power Engineering, North University, Taiyuan 030051, China；2. Institute of Advanced Manufacturing Technology, Ningbo Institute of Industrial Technology CAS, Ningbo Zhejiang 315201, China)

Abstract：The thrust fluctuation which affects the dynamic precision of the linear motor seriously is inherent and internal disturbance in permanent magnet synchronous linear motor. The feedforward controller designed according to the results of thrust fluctuation characteristic identification is an important means to realize the force ripple suppression. This paper firstly analyze the characteristics of the force ripple and build the mathematic model of the trust fluxtuaion based on the position frequency and initial phase information. Model parameters are identified through genetic algorithm method, The feedforward controller is designed to achieve the suppression of the force ripple. Simulation and experimental results show that the force ripple model accurately describes the characteristics of the tested linear motor. And the designed feedforward controller based on model identification results effectively reduce the velocity fluctuation.

Key words：permanent magnet synchronous linear motor; feedforward compensation; force ripple; genetic algorithm

中圖分類號：TH39;TG506

文獻標識碼：A

作者簡介：張彥龍(1990—)，男，黑龍江齊齊哈爾人，中北大學碩士研究生，研究方向為電機控制， (E-mail)zhangyanlong@nimte.ac.cn；通訊作者：張弛(1978—)，男，河南扶溝縣人，中科院寧波工業(yè)技術(shù)研究院先進制造所研究員，博士，研究方向為精密運動控制技術(shù)，(E-mail)zhangchi@nimte.ac.cn。

*基金項目：國家自然科學基金項目(51207158)；國家自然科學基金項目(51405479)；中國博士后科學基金資助項目(2015T80639)；寧波市創(chuàng)新團隊(2012B82005)；寧波市重大專項(奧馬特)(2013B10042&2013B10043)；中科院百人計劃(2015A610146,2015A610154)

收稿日期：2015-09-25

文章編號：1001-2265(2016)03-0086-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.024