高精度場(chǎng)合下永磁同步直線電動(dòng)機(jī)控制策略的發(fā)展研究

張福特

（江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214122）

0 引言

由于中國(guó)科技質(zhì)量的提高，社會(huì)現(xiàn)代化進(jìn)程也不斷，現(xiàn)在工業(yè)中生產(chǎn)工序越來(lái)越多，也越來(lái)越復(fù)雜。發(fā)電機(jī)成為人類最基本的電力單元，應(yīng)用于全行各業(yè)，同時(shí)在工業(yè)生產(chǎn)中也成為缺一不可的重要部件。 傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)（RotatingMotor，RM） 的驅(qū)動(dòng)方式都是由電機(jī)加上滾珠絲杠所構(gòu)成，但因?yàn)槠渥陨順?gòu)造上的存在問(wèn)題，使得它具有工作效率低下、精確度低、工作穩(wěn)定性不好、功率過(guò)大等幾個(gè)問(wèn)題，不能滿足日益增長(zhǎng)的高標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)需求。 因此，越來(lái)越多的特種電機(jī)被開(kāi)發(fā)出來(lái)滿足各種場(chǎng)景的工業(yè)應(yīng)用，如永磁無(wú)刷電機(jī)簇、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)暨、永磁直線同步電機(jī)等等。 其中，永磁同步直線電動(dòng)機(jī)由于其特性好、安全性強(qiáng)、成本低、牽引力大等特點(diǎn)逐漸成為工業(yè)控制系統(tǒng)中的研究熱點(diǎn)問(wèn)。目前，永磁同步直線電機(jī)主要應(yīng)用在城市軌道交通（直線牽引系統(tǒng)），軍事（電磁彈射系統(tǒng)），自動(dòng)化工業(yè)阿（傳送系統(tǒng)），精密制造業(yè)（3D 打印機(jī)）等領(lǐng)域。小到日常生活大到國(guó)家軍事都可以見(jiàn)到PMLSM 伺服系統(tǒng)的應(yīng)用，其應(yīng)用前景十分廣闊。

1 永磁同步直線電機(jī)控制研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究

在18 世紀(jì)中旬， 英國(guó)物理學(xué)家CharleWheatstone 發(fā)明了直線電機(jī)模型理論，但由于時(shí)代限制，制造水平、原材料以及控制理論等基礎(chǔ)研究較為落后， 沒(méi)有研制出實(shí)體機(jī)，處于理論階段。 1897 年，美國(guó)物理學(xué)家布雷利研究出世界第一個(gè)直線電機(jī)，但由于受制造水平限制，其性能并沒(méi)有比傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)高出太多， 并且還有邊端效應(yīng)、發(fā)熱等缺點(diǎn)，并沒(méi)有受到廣泛的應(yīng)用，處于試驗(yàn)探索階段。

20 世紀(jì)50 年代以后，隨著材料科學(xué)與控制理論的進(jìn)行，各國(guó)開(kāi)始大力發(fā)展直線伺服系統(tǒng)。 1954 年，英國(guó)飛機(jī)制造企業(yè)開(kāi)發(fā)了最高速度達(dá)到1600km/h 的直線電機(jī)進(jìn)行飛機(jī)發(fā)射。1955 年，日本開(kāi)始研制基于直線電機(jī)的直線牽引系統(tǒng)用于軌道交通。 此時(shí)，直線電機(jī)技術(shù)已開(kāi)始步入開(kāi)發(fā)應(yīng)用的階段。20 世紀(jì)80 年代以后，隨著永磁材料（特別是斂鐵硼材料） 制造工藝的升級(jí)以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)開(kāi)始進(jìn)入人們的日常生活中。1980 年，法國(guó)研制了基于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的空氣壓縮機(jī)。1990 年，日本大阪將直線電動(dòng)機(jī)運(yùn)用到城市軌道交通中， 我國(guó)廣州的多條城市軌道交通也使用了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 至此，直線電機(jī)進(jìn)入了商用階段，由于其精度高、穩(wěn)定性好、加減速度大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于交通、工業(yè)、日常生活中。

1.2 國(guó)內(nèi)研究

中國(guó)對(duì)直線電機(jī)的研制開(kāi)始相對(duì)遲緩，到了19 世紀(jì)70 年代， 由浙江大學(xué)翻譯外國(guó)相關(guān)文獻(xiàn)開(kāi)始進(jìn)行研究。90 年代， 各大高校才開(kāi)始投入資源對(duì)直線電機(jī)研究，但其研究都是一些對(duì)精度要求相等較低的產(chǎn)品， 如： 攪拌器、自動(dòng)門以及礦山物料系統(tǒng)等，我國(guó)目前在高精度以及高性能的水平還是落后于國(guó)外的。 目前國(guó)內(nèi)最大的直線電機(jī)廠商為哈爾濱泰富實(shí)業(yè)有限公司， 其主要產(chǎn)品為直線異步感應(yīng)電機(jī)。 上海電氣研究院研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ZST 直線電機(jī)，目前和國(guó)外的產(chǎn)品相比，主要落后在速度和控制精度兩方面。

目前，我國(guó)已把"精確設(shè)計(jì)與數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)研究和發(fā)展"納入了我國(guó)的重要技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目，其中直線電機(jī)技術(shù)是其不可分割的重要內(nèi)容，這將會(huì)進(jìn)一步打破PMLSM 領(lǐng)域的技術(shù)壁壘[1]。

1.3 永磁同步直線電動(dòng)機(jī)的高精度控制系統(tǒng)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀

隨著科技的發(fā)展， 電器的控制方式也是經(jīng)過(guò)了從原始的開(kāi)環(huán)控制到后來(lái)的閉環(huán)控制的過(guò)程， 而相應(yīng)的使用場(chǎng)合的控制精度也在不斷地提高。 交流電動(dòng)機(jī)的是一種強(qiáng)耦合、時(shí)變、非線性力、多變數(shù)的控制系統(tǒng)，對(duì)其控制系統(tǒng)的困難程度可想而知。 對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的控制就經(jīng)過(guò)了恒壓頻比控制系統(tǒng)VVVF、矢量控制系統(tǒng)VC、直接轉(zhuǎn)矩/推力控制系統(tǒng)DTC 的步驟。

（1）恒壓須比控制VVVVF。 恒壓頻比控制策略一般是針對(duì)異步式電動(dòng)機(jī)面言的，在驅(qū)動(dòng)電流的頻率規(guī)定后，只要根據(jù)調(diào)整進(jìn)入訊號(hào)的頻率進(jìn)行對(duì)異步式電動(dòng)機(jī)的頻率限制，在原理上就已經(jīng)能夠完成對(duì)其限制的作用。在這個(gè)條件下將會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)氣隙大小磁通過(guò)大進(jìn)而導(dǎo)致電路飽和，更有甚者會(huì)燒掉電器。鑒于此必須尋求一個(gè)有效的同步發(fā)電機(jī)的方案。

對(duì)異步電機(jī)組進(jìn)行輸入電流和頻譜之間的比值恒為常數(shù)的控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為恒壓頻比控制系統(tǒng)。

這種調(diào)節(jié)方式在一方面也很難準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)扭矩，因?yàn)槎ㄗ釉诓煌臅r(shí)間內(nèi)其等效阻抗在時(shí)間發(fā)生了改變，同時(shí)也會(huì)引起繞組內(nèi)壓降的時(shí)改變呵。同時(shí)也很難準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，盡管能夠較為準(zhǔn)確地設(shè)定供給電流的幅度和頻率之比，不過(guò)因?yàn)樨?fù)荷的不確定性，葉輪的轉(zhuǎn)差率也會(huì)隨著負(fù)荷不斷改變，從而不太適合于精確控制場(chǎng)合。

（2）矢量控制VC。在交換電動(dòng)機(jī)控制方面，三相電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)基本上是可以利用壓力和電磁轉(zhuǎn)矩方程來(lái)說(shuō)明。 因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的每個(gè)相都會(huì)在各相繞組上形成一個(gè)磁能量。三相形成了一個(gè)以一定須率轉(zhuǎn)動(dòng)的合磁，不過(guò)因?yàn)槿嚯娫吹酶飨喈a(chǎn)生的磁并不總是彼此正交， 所以這樣分析起來(lái)就非常的困難。 所以德國(guó)物理學(xué)家F.B1aschke發(fā)明了一個(gè)磁定向矢量限制， 是一個(gè)當(dāng)前應(yīng)用最普遍的交換發(fā)電機(jī)變頻調(diào)速控制策略。 向量限制把電機(jī)的定子電流矢量分解成扭矩輸出能量和勵(lì)磁電流能量， 勵(lì)磁電流的功能為形成磁性，而扭矩輸出的功能為形成扭矩。這二種電流分量彼此正交，而矢量控制系統(tǒng)就是利用對(duì)這二種電流分量的幅度和相位進(jìn)行調(diào)控實(shí)現(xiàn)解耦抑制的目的。

向量監(jiān)控管理系統(tǒng)的要點(diǎn)就是將坐標(biāo)變換， 三相變換為正交的二相或者其逆變換、 將靜止正交的二相改為轉(zhuǎn)動(dòng)正交的二相或者其逆變換， 向量監(jiān)控管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的自動(dòng)調(diào)壓特性能夠和直流電動(dòng)機(jī)的相媲美，響應(yīng)速度快且完成了對(duì)瞬時(shí)值的監(jiān)控， 在對(duì)精度需求較高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度好的場(chǎng)景下，進(jìn)行了很好地應(yīng)用[2]。

2 研究意義

一般的數(shù)控機(jī)床都是“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”的形式，但這種設(shè)計(jì)也具有許多導(dǎo)致精度下降的原因。 一是普通機(jī)械的回轉(zhuǎn)動(dòng)作，經(jīng)過(guò)聯(lián)接結(jié)構(gòu)、絲杠或中間機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，而由于中間裝置所產(chǎn)生的偏差是必然的，因此絲杠本身就具有回程偏差以及時(shí)間障死點(diǎn)、 彈性形變問(wèn)題等.二是由于中心環(huán)節(jié)的出現(xiàn)，又提高了控制系統(tǒng)反饋的時(shí)間滯后性， 使得控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和位置響應(yīng)速度都較慢，從而提高了的重復(fù)性問(wèn)題。三是由于中心環(huán)節(jié)的機(jī)械磨損程度很大，從而導(dǎo)致問(wèn)題較多、修理也比較頻繁。

然而， 直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)比較于傳統(tǒng)垂直伺服裝置機(jī)構(gòu)，具有這樣的一些優(yōu)點(diǎn)：首先是定位精度高，直線電機(jī)不要求像傳統(tǒng)傳動(dòng)設(shè)備的中心環(huán)節(jié)， 也沒(méi)有回程偏差、 彈性形變等因?yàn)橹行沫h(huán)節(jié)而產(chǎn)生的各種位置偏差。其次是機(jī)械構(gòu)造簡(jiǎn)單簡(jiǎn)便，只要將負(fù)載直接地和直線電機(jī)的動(dòng)子剛性連接就可以驅(qū)動(dòng)整個(gè)負(fù)載， 而完全不要求將螺旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的中間設(shè)備。 因此整個(gè)系繞的機(jī)械構(gòu)造都受到了極大的改善， 體積和質(zhì)量均有所降低。再次是行程幾乎不受限制，在條件許可的情況下還能夠相應(yīng)地增大定子的直徑。最后是由于反應(yīng)速度快、敏捷高，垂直電機(jī)的動(dòng)子和定子間的磨擦力極小。從而極大地提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的敏捷、機(jī)動(dòng)性。

不過(guò)，由于直線電機(jī)采取的是“零傳動(dòng)”的形式，負(fù)載與動(dòng)子之間進(jìn)行了剮的連接。 傳動(dòng)系統(tǒng)中的各種擾動(dòng)并不能通過(guò)中心環(huán)節(jié)的緩沖， 直接作用于直線電機(jī)而產(chǎn)生由外部原因所造成的推力波動(dòng)現(xiàn)象；同時(shí)，直線電機(jī)自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也很容易產(chǎn)生不平衡的控制影響， 最底端效應(yīng)和齒槽效應(yīng)都是直線電機(jī)形成推力波動(dòng)現(xiàn)象的最直接的內(nèi)部原因。在精細(xì)生產(chǎn)這樣的高精應(yīng)用情況下，直線電機(jī)推力波動(dòng)直接影響數(shù)控機(jī)床的位置準(zhǔn)確度和低速運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)穩(wěn)定性。所以，在對(duì)永磁交流同步直線系統(tǒng)進(jìn)行控制策略分析時(shí)，就必須根據(jù)PMSLM 系統(tǒng)所具有的由齒糟效應(yīng)、端部作用等引起磁阻的內(nèi)部原因加以分析，以便于在電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采取相應(yīng)的控制策略， 以有效控制外部變化和不穩(wěn)定因子的影響[3]。

3 基于矢量控制的PMLSM 系統(tǒng)

永磁同步直線電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量小、利用率高等特點(diǎn)，在越來(lái)越多的場(chǎng)合中取代了永磁同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)。永磁直線電機(jī)的磁場(chǎng)由永磁體提供， 故而兼得永磁電機(jī)和直線電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。 形象地講，將一個(gè)PMSM 沿著徑向切開(kāi)，再沿著水平展開(kāi)，就得到了一個(gè)PMLSM。 PMSM 的初級(jí)、次級(jí)分別對(duì)應(yīng)了PMLSM 的初級(jí)、 次級(jí)，PMSM 的力矩則可看為PMLSM 中的推力。 與PMSM 不同的是，考慮到直線電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，初級(jí)和次級(jí)做相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)，為了保障基本的行程，一般情況下次級(jí)和初級(jí)長(zhǎng)度不一致。

PMLSM 的初級(jí)由多相繞組和鐵芯組成。 為降低渦流損耗，鐵芯材料采用了硅鋼片，將多片壓在同一塊，上面開(kāi)有槽口用于固定多相繞組。 其中， 鐵芯主要起支撐作用，除此以外，由于磁導(dǎo)性好，還可以聚集磁通，進(jìn)一步減小磁漏現(xiàn)象，可以提高推力密度。 PMLSM 的次級(jí)由永磁體組成。交錯(cuò)排列極性相反的永磁體塊安裝在導(dǎo)磁板上，安裝方向與電機(jī)運(yùn)行方向一致。導(dǎo)磁板不僅固定永磁體，也是組成磁路的重要部分。

按照PMLSM 的初級(jí)和次級(jí)結(jié)構(gòu)的差異，可以以將直線電機(jī)分為短初級(jí)、短次級(jí)、雙邊初級(jí)、雙邊次級(jí)等。為短初級(jí)型直線電機(jī)，這也是目前最為常見(jiàn)的直線電機(jī)類型，其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是動(dòng)子為線圈， 運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)拖動(dòng)線纜一起運(yùn)動(dòng)，也是本文所使用的的直線電機(jī)。為短次級(jí)型直線電機(jī)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是動(dòng)子為永磁體，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有線纜拖動(dòng)，實(shí)用性更強(qiáng)，相應(yīng)的其控制難度更大。 上述兩種為單邊式直線電機(jī)，其缺點(diǎn)為初級(jí)和次級(jí)存在法向力，會(huì)對(duì)控制帶來(lái)更多影響[4]。

4 基于無(wú)模型滑模的PMLSM 位置同步控制方法研究

作為一種常見(jiàn)的特種電機(jī)，PMLSM 已經(jīng)成為了研究人員研究的重要領(lǐng)域。 然而，其復(fù)雜的非線性，高度的耦合性給位置同步控制帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。首先，利用指令濾波器使得參考軌跡更加平滑， 利用控制器的輸入和輸出來(lái)估計(jì)干擾補(bǔ)償在控制器中。然后為了改善跟蹤效果，將智能P 和滑?？刂破飨嘟Y(jié)合。另外，整個(gè)體系的穩(wěn)定性可以通過(guò)李雅普諾夫穩(wěn)定性理論來(lái)證實(shí)：最后，通過(guò)與傳統(tǒng)的PID、智能PI 等方法進(jìn)行模擬對(duì)比，也證明了所提方案的有效性和魯棒性。在現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中，隨著機(jī)械化工業(yè)需求越來(lái)越高，需要高速、高加速度、高精度的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，使得PMLSM 其取代了RM，有了更多的市場(chǎng)。 雖然PMLSM 具有更好的運(yùn)動(dòng)控制表現(xiàn)，但其更易受到外界和非線性影響，如外界的負(fù)載及系統(tǒng)本身參數(shù)的變化。為了提高PMLSM 的控制性能， 本章主要圍繞PMLSM 的控制問(wèn)題展開(kāi)理論研究。

5 基于自適應(yīng)PID 的PMLSM 位置同步控制策略研究

PID 控制是在生產(chǎn)過(guò)程中最廣泛使用的監(jiān)控對(duì)策，因?yàn)樗灰缶唧w的受控對(duì)象參數(shù)，在電機(jī)監(jiān)控中應(yīng)用。但在實(shí)際使用時(shí)， 一個(gè)恒定或不變的PID 參數(shù)無(wú)法滿足參數(shù)變化、干擾變化等電機(jī)控制系統(tǒng)。 根據(jù)上述問(wèn)題，研究者們給出了自適應(yīng)PID 控制器。 本文中給出了采用模糊規(guī)律的自適應(yīng)PID 控制器，首先采用PID 的三種參數(shù)、系統(tǒng)誤差與系統(tǒng)誤差速率之間的關(guān)系作為模糊規(guī)律的前提條件，然后進(jìn)行模糊決策，可以動(dòng)態(tài)輸出PID 的三種參數(shù)，但由于其模糊規(guī)律相當(dāng)繁瑣，不好于實(shí)際工程使用。最后根據(jù)管理策略的不足， 又給出了一個(gè)采用李雅普諾夫函數(shù)的自適應(yīng)PID 控制器。 在實(shí)際直線發(fā)電機(jī)工作過(guò)程中， 由于滑動(dòng)摩擦力矩和彈性形變等外界擾動(dòng)都無(wú)法檢測(cè)，所以設(shè)計(jì)了非線性的擾動(dòng)觀測(cè)儀進(jìn)行了擾動(dòng)預(yù)測(cè)，并補(bǔ)償?shù)娇刂破髦小?所設(shè)置的自適應(yīng)性PID，采用了李雅普諾夫函數(shù)進(jìn)行設(shè)置了點(diǎn)補(bǔ)償控制器和PID 參數(shù)的自適應(yīng)性律， 并同時(shí)采用投影法來(lái)確定了自適應(yīng)性參數(shù)的邊界， 而不是任何調(diào)節(jié)方法所需要的迭代時(shí)間和調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)條件，從而進(jìn)一步提高了系統(tǒng)執(zhí)行的魯棒性[5]。

6 基于dSPACE 的PMLSM 位置同步控制實(shí)驗(yàn)

DSPACE 是由德國(guó)dSPACE 公司所研制的零點(diǎn)五實(shí)體模擬平臺(tái)，其能夠和MATLAB 中的Simulink 相連的控制系統(tǒng)試驗(yàn)與研究平臺(tái)。 在開(kāi)發(fā)控制器之時(shí)，dSPACE 用于連接控制算法和被控對(duì)象， 即快速控制原型（Rapod ControlPrototying，RCP），可以減小算法編程的工作量，只需要在Simulink 中進(jìn)行模塊化算法編程， 可以有更多的精力投入到算法設(shè)計(jì)。 同樣，dSPACE 也能夠解決在控制器設(shè)計(jì)或?qū)崿F(xiàn)之后，若測(cè)試環(huán)境比較復(fù)雜，或者被控對(duì)象難以實(shí)現(xiàn)時(shí)， 其無(wú)法完成的部分可以利用實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)模型生成相同的信息，并加以仿真，如硬件設(shè)備在控制回路仿真時(shí)（Hardware-in-the-loop Simulation，HILS）。 兩種方式其本質(zhì)是相同的， 差別在于RCP 是用dSPACE 仿真了實(shí)際的控制器，而HILS 用dSPACE 仿真了被控對(duì)象或難以實(shí)現(xiàn)的部分。 利用dSPACE 后進(jìn)行半實(shí)物仿真，可以縮短控制器開(kāi)發(fā)時(shí)間，大大提高工作效率。

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，需要高速、高加速度、高精度位置運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，由于PMLSM 其速度快、推力大、精度高等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在軍事、精密儀器、交通運(yùn)輸、日常生活、智能終端等場(chǎng)合受到廣泛的應(yīng)用。 但由于PMLSM 其本身是個(gè)復(fù)雜多輸入多輸出的非線性控制對(duì)象，本身也是直接驅(qū)動(dòng)控制，為此如何實(shí)現(xiàn)高性能的PMLSM 控制算法也是控制領(lǐng)域的一大難點(diǎn)。 所以，對(duì)多PMLSM 的同步控制算法研究具有重要的理論意義和實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。