永磁直線同步電機(jī)控制技術(shù)

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(1哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150010；2黑龍江農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江佳木斯 154002)

永磁直線同步電機(jī)控制技術(shù)

王文斌1，王德成2

(1哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150010；2黑龍江農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江佳木斯 154002)

永磁直線同步電機(jī)與普通的直線異步電機(jī)相比,具有效率高、輸出力矩大、體積小、易于控制等優(yōu)點(diǎn),極大地提高了進(jìn)給系統(tǒng)的快速響應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)精度,成為新一代超精密機(jī)床中最具有代表的技術(shù)。但其結(jié)構(gòu)工藝、控制方法及策略直接影響直線電機(jī)的應(yīng)用與推廣。該文根據(jù)永磁直線同步電機(jī)控制特點(diǎn)，分析了永磁直線同步電機(jī)特點(diǎn)及工作原理，結(jié)合國(guó)內(nèi)外基于永磁直線同步電機(jī)的相關(guān)文獻(xiàn)，綜述了新型永磁直線同步電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展概況，并闡述了經(jīng)典及現(xiàn)代的各種控制策略。

直線電機(jī)；控制策略；永磁

0 引言

直線電機(jī)是近年來(lái)發(fā)展迅速的新型電機(jī),它是一種可以將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng),而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的電磁傳動(dòng)裝置。跟旋轉(zhuǎn)電機(jī)相對(duì)應(yīng),直線電機(jī)按機(jī)種可以分為異步(感應(yīng))直線電機(jī)、同步直線電機(jī)、直流直線電機(jī)和其他類型的直線電機(jī)(如直線步進(jìn)電機(jī)、直線振蕩電機(jī)、直線超聲波電機(jī)、直線開關(guān)磁阻電機(jī)等)。永磁同步直線電機(jī)在力能指標(biāo)、速度、定位精度、效率等方面比其他直線電動(dòng)機(jī)有更多的優(yōu)勢(shì),所以在許多現(xiàn)代高精密直線驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中,永磁同步直線電機(jī)是一種比較理想的直線伺服電機(jī)。交流伺服系統(tǒng)本身就是一個(gè)有較強(qiáng)非線性、耦合性及時(shí)變性的復(fù)雜系統(tǒng),加之系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)還會(huì)受到不同程度的干擾,控制難度比較大。另外,直線電機(jī)中存在的“端部效應(yīng)”,其氣隙也要比同等容量旋轉(zhuǎn)電機(jī)大2～3倍,功率因數(shù)和效率低,在單邊型直線電機(jī)中,更是存在單邊磁拉力,容易使軸彎曲。針對(duì)以上提出的各種問(wèn)題,需要選擇有效的控制策略。

但是,直線電機(jī)伺服系統(tǒng)是一種具有高度快速性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng),不可能在幾十毫秒的起動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程以及更為短暫的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)十分復(fù)雜的控制算法,所以在滿足主要控制要求的同時(shí),滿足對(duì)各種擾動(dòng)的抑制以及對(duì)指令的無(wú)延時(shí)、無(wú)超調(diào)的跟蹤,選擇一種合適的、成功的控制策略,發(fā)展高性能的直線電機(jī)伺服系統(tǒng)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的共同目標(biāo)，近些年來(lái)也獲得了不少的成果。本文根據(jù)永磁直線同步電機(jī)控制特點(diǎn)，分析了永磁直線同步電機(jī)技術(shù)發(fā)展概況，結(jié)合國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)，綜述了新型的永磁直線同步電機(jī)控制策略發(fā)展概況，介紹了每種控制策略，闡述了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。

2 永磁同步直線電機(jī)概況及發(fā)展現(xiàn)狀

直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式與旋轉(zhuǎn)電機(jī)有很大的相似之處，早期直線電機(jī)伺服系統(tǒng)控制沿用和改進(jìn)了普通電機(jī)的 PID 反饋控制、解耦控制、Smith 預(yù)估計(jì)控制等傳統(tǒng)的控制策略。目前 PID控制策略依然是伺服系統(tǒng)控制技術(shù)中比較成熟和常用的控制策略，且應(yīng)用比較廣泛。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，原來(lái)需硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的功能現(xiàn)用軟件來(lái)完成，其中用到的算法稱為數(shù)字 PID 算法。數(shù)字 PID控制器在靈活性上有很大改進(jìn)，可以根據(jù)具體的控制對(duì)象實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)。

永磁同步直線電機(jī)的伺服系統(tǒng)應(yīng)用 PID 控制器也能夠進(jìn)行一些參數(shù)的控制，但是永磁同步直線電機(jī)一般應(yīng)用在高精度、高效率、高速率的伺服系統(tǒng)中，在這些系統(tǒng)中，PID 控制策略無(wú)法滿足要求。在高精度微進(jìn)給的高性能伺服系統(tǒng)中，需要把對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的變化、各種非線性因素的影響、運(yùn)行環(huán)境的變化及各種外界的干擾都考慮進(jìn)來(lái)，才能得到可實(shí)際應(yīng)用的控制策略。因此，人們開始嘗試把現(xiàn)代控制策略和智能控制方法應(yīng)用到永磁同步直線電機(jī)的控制中，目前應(yīng)用在直線電機(jī)伺服系統(tǒng)中的現(xiàn)代控制策略有模型參考自適應(yīng)控制、魯棒控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。

3 控制策略在直線電機(jī)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 經(jīng)典控制策略

經(jīng)典控制策略中的代表非PID策略莫屬了，但是,PID控制對(duì)被控對(duì)象模型參數(shù)的變化較為敏感,魯棒性不夠滿意,此外,PID控制的整定比較費(fèi)時(shí),由于參數(shù)間的相互影響,往往難以收到最優(yōu)的效果。目前,PID控制更多的是與其他控制策略相結(jié)合,形成帶有智能的新型復(fù)合控制,如將PID控制與模糊控制相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了對(duì)PID參數(shù)的自校正,使直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的魯棒性得到增強(qiáng),獲得較好的控制效果。

除了PID控制算法外,例如解耦控制、Smith預(yù)估器等經(jīng)典控制方法,在直線電機(jī)伺服系統(tǒng)中也得到了較好的應(yīng)用。直線電機(jī)伺服系統(tǒng)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合的非線性控制系統(tǒng),人們經(jīng)常采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量解耦控制方法,來(lái)消除勵(lì)磁控制回路和推力控制回路之間的耦合,使兩個(gè)控制回路可以分別獨(dú)立受控;Smith預(yù)估器與控制器并聯(lián),可以使控制對(duì)象的時(shí)間滯后得到完全的補(bǔ)償,這樣在設(shè)計(jì)控制器時(shí)就不必考慮對(duì)象的時(shí)滯影響,對(duì)解決直線電機(jī)伺服系統(tǒng)中逆變器電力傳輸延時(shí)和速度測(cè)量滯后所造成的速度反饋滯后影響是很有效的。

3.2 模型參考自適應(yīng)控制技術(shù)

模型參考自適應(yīng)控制策略的主要意義是將不含待估參數(shù)的方程作為參考模型，而將含有待估參數(shù)的方程作為可調(diào)模型，兩個(gè)模型的輸出量具有相同的物理意義，利用兩個(gè)模型的輸出量的誤差構(gòu)成合適的調(diào)整率來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整可調(diào)模型的參數(shù)，以達(dá)到控制對(duì)象的輸出跟蹤參考模型的目的。

此時(shí)實(shí)際系統(tǒng)與參考模型的輸出誤差將趨近于零，系統(tǒng)逐步穩(wěn)定。已有的仿真結(jié)果表明，利用Lyapunov 理論構(gòu)造的模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的魯棒性很好，它比采用傳統(tǒng) PID 控制策略的系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)性能和更強(qiáng)的抗干擾能力。

3.3 魯棒控制策略

魯棒控制研究始于 1976 年，是針對(duì)系統(tǒng)存在的不確定性，包括模型的不確定性(如參數(shù)變化和未建模動(dòng)態(tài)特性等)、外界擾動(dòng)的不確定性等，目的是設(shè)法保持系統(tǒng)的穩(wěn)定魯棒性和品質(zhì)魯棒性。經(jīng)過(guò) 30 多年的發(fā)展，魯棒控制理論研究獲得了豐富的成果，在實(shí)踐中也得到了廣泛應(yīng)用。

魯棒控制理論是一種較為成熟的控制方法。H控制實(shí)質(zhì)是使系統(tǒng)從擾動(dòng)至偏差的傳遞函數(shù)中 H的取值范圍極小或小于某一給定值，由此來(lái)設(shè)計(jì)控制器，這對(duì)抑制擾動(dòng)有良好效果。1988 年 Dolye 等人證明了 H∞的設(shè)計(jì)問(wèn)題可以通過(guò)代數(shù) Riccati 方程來(lái)解決，至今為止，H設(shè)計(jì)方法依然主要應(yīng)用這個(gè)解法。

3.4 模糊控制策略

模糊控制是伺服系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種智能控制技術(shù)，模糊控制器能夠把專家的知識(shí)轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)的模糊集，利用一定的模糊推理規(guī)則，這些模糊集就能夠?qū)ο到y(tǒng)的輸出進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。這種控制方法實(shí)時(shí)性好，不需要精確的數(shù)學(xué)模型而且還可以具有很高的魯棒能力。所以在伺服控制中，模糊控制得到了廣泛的研究和應(yīng)用。模糊控制的基本原理是根據(jù)現(xiàn)有的專家知識(shí)生成專家知識(shí)庫(kù)，通過(guò)模糊推理產(chǎn)生控制輸出。

模糊控制器主要由四部分構(gòu)成：模糊量化、模糊推理、去模糊化和模糊規(guī)則。其工作過(guò)程為：首先把速度的誤差e和誤差變化律進(jìn)行模糊量化處理，然后根據(jù)模糊算法進(jìn)行模糊推理(推理后的結(jié)果依然是模糊值)，最后進(jìn)行去模糊化處理。盡管模糊控制提高了系統(tǒng)的智能性，但它本身固有一些缺點(diǎn)，如建模困難、缺少積分項(xiàng)、應(yīng)用時(shí)需更多與其他控制策略組合等。

3.5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從結(jié)構(gòu)上模擬人的大腦神經(jīng)系統(tǒng)，具有自學(xué)習(xí)能力，可以通過(guò)在線訓(xùn)練不斷地修正網(wǎng)絡(luò)權(quán)值來(lái)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)輸出，以便獲得所需要的期望輸出。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的非線性映射能力，從理論上講，可以充分逼近任何線性，甚至非線性模型，而且通過(guò)靈活的設(shè)計(jì)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很好的魯棒性和容錯(cuò)性，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在直線電機(jī)中的應(yīng)用主要分為離線和在線兩種方式。前者利用離線仿真得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和偏差，具有運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn)，該權(quán)值和偏差一旦確定將不再改變，所以適用于實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，但是運(yùn)算結(jié)果與實(shí)際目標(biāo)量仍可能有一定的誤差。后者運(yùn)算精度高，但是程序執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的限制，一般多見(jiàn)于仿真研究。

試驗(yàn)結(jié)果證明，該方法不僅具有控制靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而且具有較高的控制精度和魯棒性。但是，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略還不夠完善，其在實(shí)時(shí)性、控制率、穩(wěn)定性等方面還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

4 結(jié)語(yǔ)

永磁直線同步電機(jī)伺服系統(tǒng)具有一系列優(yōu)點(diǎn)，它在家用電器、工業(yè)應(yīng)用、高精度驅(qū)動(dòng)等眾多領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。本文敘述了永磁直線同步電機(jī)特點(diǎn)、工作原理，針對(duì)新型永磁直線同步電機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行了綜述，比較各種控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，為進(jìn)一步研究永磁直線同步電機(jī)伺服系統(tǒng)控制技術(shù)提供支持。

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ControlTechnologyofPermanentMagnetLinearSynchronousMotor

WangWenbinandWangDecheng

(1.Harbin Institute of Technology, Harbin 150010, China；2.Heilongjiang Agricultural Vocational And Technical College, Jiamusi 154002,China)

Permanent magnet linear synchronous motor has the advantages of high efficiency, large output torque, small volume and easy control compared with common linear asynchronous motor. It greatly improves quick responsiveness and movement precision of the feed system, and becomes the most representative technology in a new generation of ultra precision machine tool. But its structural technology, control method and strategy directly affect its application and popularity. Based on the control characteristics of the motor, this paper analyzes its characteristics and working principle, summarizes the development situation of control technology of the new permanent magnet linear synchronous motor by combining with the related literature of permanent magnet linear synchronous motor at home and abroad, and describes various classical and modern control strategy.

Linear motor；control strategy；permanent magnet

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.05.04

TM301.2

A

1008-7281(2017)05-0013-003

王文斌男1996年生；哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院本科在讀，研究方向?yàn)殡娖?、電機(jī).

2017-05-18