永磁同步直線電機控制方法研究.pdf

1、近年來,高速度、高精度、高剛度和高動態(tài)響應(yīng)能力的驅(qū)動系統(tǒng)成為高檔數(shù)控機床新的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的驅(qū)動技術(shù)采用以下兩種方式:一是由旋轉(zhuǎn)電機加滾珠絲杠和螺母副組成的直線進給伺服驅(qū)動;二是由旋轉(zhuǎn)電機加精密齒輪傳動或蝸輪、蝸桿副組成的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。然而,這兩種傳統(tǒng)的驅(qū)動方式無法滿足高檔數(shù)控機床的高速、高精性能要求。因此,直接驅(qū)動技術(shù)在數(shù)控系統(tǒng)中引起了專家的廣泛關(guān)注。在數(shù)控機床的驅(qū)動系統(tǒng)中,主要有兩種直接驅(qū)動系統(tǒng),一種是由力矩電動機和高速電主軸驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)

2、直接驅(qū)動系統(tǒng),另一種是以直線電動機為代表的直線直驅(qū)系統(tǒng)。直接驅(qū)動系統(tǒng)省去了伺服執(zhí)行機構(gòu)的機械傳動環(huán)節(jié),將伺服電動機和運動部件直接相連,因此具有動態(tài)響應(yīng)速度快、定位精度高以及大的加速度和高剛度等優(yōu)點。
　　然而,機械傳動機構(gòu)的簡化使得系統(tǒng)對負載擾動、電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化以及非線性摩擦和推力波動等更加敏感,從而增加了電氣控制方面的難度,降低系統(tǒng)的伺服性能。同時,由于直線電機存在端部效應(yīng)、齒槽效應(yīng)等非線性因素將會大大增加系統(tǒng)的控制難度

3、。非線性建模誤差、位置和速度檢測噪聲等不確定因素都會影響系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。
　　本文在國家科技重大專項“高速臥式加工中心”課題(課題編號:2009ZX04001-013-04)的支持下,以高速臥式加工中心THMS6340/THMS6350為研究對象來研究直線電機直接驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法。為了實現(xiàn)直線電機伺服系統(tǒng)高精度速度和位置控制,就必須在深入研究系統(tǒng)的動態(tài)性能的基礎(chǔ)上,對系統(tǒng)中存在的各種擾動及參數(shù)的不確定性進行有效的補償和控

4、制?？紤]到以上因素,本文主要從以下幾個方面進行了研究:
　　(1)提出了兩種適用于不確定永磁同步直線電機伺服系統(tǒng)的一體化速度和電流控制策略。現(xiàn)有的許多直線電機控制策略僅側(cè)重于速度環(huán)和位置環(huán)控制器的設(shè)計,而沒有考慮系統(tǒng)中電氣參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。對于高精度伺服系統(tǒng),這些因素對系統(tǒng)的控制性能是至關(guān)重要的。將系統(tǒng)的速度環(huán)和電流環(huán)一起考慮,分別采用自適應(yīng)控制和模糊控制技術(shù),提出了兩種非線性控制策略——魯棒自適應(yīng)速度控制和自適應(yīng)模糊滑模速度

5、控制。
　　(2)直線電機伺服系統(tǒng)的無傳感器技術(shù)研究。在直線電機速度和位置估計中,傳統(tǒng)的滑模觀測器存在幅值和相位誤差、穩(wěn)態(tài)性能差等缺點。因此,提出一種新的滑模觀測器。該觀測器利用Sigmoid函數(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)滑模觀測器的符號函數(shù),無需引入低通濾波器,從而從根本上解決低通濾波器帶來的幅值和相位誤差等問題,實現(xiàn)直線電機速度和位置的準確估計。
　　(3)直線電機伺服系統(tǒng)的高精度定位控制。將滑?？刂坪妥赃m應(yīng)控制相結(jié)合,提出一種滑模自適應(yīng)

6、高精度定位控制策略。該策略充分利用滑模控制具有強魯棒性的特點,并通過自適應(yīng)方法在線估計系統(tǒng)中的不確定參數(shù),以有效地降低推力波動、摩擦力和不確定參數(shù)等非線性因素對直線電機伺服系統(tǒng)性能的影響。
　　(4)直線電機伺服系統(tǒng)的改進直接推力控制策略。傳統(tǒng)直接推力控制中存在較大的磁鏈、電流和推力波動等問題,這將會降低系統(tǒng)的性能。為了解決上述問題,提出一種永磁同步直線電機的反步直接推力控制策略,并利用空間矢量脈沖寬度調(diào)制技術(shù)以獲得恒定的開關(guān)頻率

7、。
　　(5)永磁同步電機的非線性混沌控制方法。數(shù)控機床永磁同步電機伺服系統(tǒng)是復(fù)雜的非線性系統(tǒng),而混沌是非線性系統(tǒng)的重要特征之一。當(dāng)系統(tǒng)的參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時,系統(tǒng)將產(chǎn)生混沌現(xiàn)象,這將嚴重影響伺服系統(tǒng)的性能,甚至使系統(tǒng)崩潰。將非線性控制理論應(yīng)用于抑制系統(tǒng)的混沌現(xiàn)象,提出了四種永磁同步電機的非線性混沌控制方法,包括有限時間混沌控制、部分狀態(tài)有限時間混沌控制、基于控制Lyapunov函數(shù)(CLF)的混沌控制和基于非線性觀測器的混沌控