基于扩张状态观测器的直线永磁同步电动机自抗扰控制

论文摘要

直线电机不需要任何转换装置而直接产生推力,它减少了机械磨损。系统运行时可以保持高增益,实现精确的进给前馈,对给定的加工路径可以高速进行准确跟踪。但是,当电机内部参数、直线电机的端部效应等非线性因素变化时,都会严重影响到系统的伺服性能和机床加工精度。因此,采取一种合理高效的控制策略使直线电机“快而稳”是工业现场中的重要一环。自抗扰控制技术(ADRC)是一种不依赖系统模型的新型数字控制技术。其算法简单,快速无超调,辨识精度高;有很强的跟踪能力和抗参数扰动能力,能实时估计并补偿系统各种外扰以及由系统本身产生的内扰,结合特殊非线性反馈结构可实现良好的控制品质。本文采用自抗扰控制技术来控制直线永磁同步电机(PMSLM),从而协调直线永磁同步电机运行的快速性和稳定性之间的矛盾问题。首先,明确了直线永磁同步电机的数学模型;其次,研究了自抗扰控制器的理论基础,将“非线性”和“逆控制”的思想引入到直线永磁同步电机控制中,对跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性状态误差反馈进行了深入的分析,加强了对各自内部非线性函数和参数意义的理解;再次,给出了直线永磁同步电机的自抗扰控制原理图,分别设计了直线永磁同步电动机中控制励磁电流和控制速度的两个自抗扰控制器,同时,还设计了转矩电流控制器;然后,在简化了部分系统结构的基础上,根据实际经验和理论分析,对各个参数进行动态整定,把直线永磁同步电动机的外部突加扰动和内部参数变化带来的扰动看成是一个整体,通过扩张状态观测器,对这个总扰动进行观测并对其进行实时动态补偿。最后,通过MATLAB对一个特定的直线永磁同步电动机进行仿真实验。实验结果表明,在自抗扰控制下,直线电机的抗干扰性和鲁棒性较强,起动快速而且稳定性能好。从而,验证了这种方法的有效性和可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本论文的研究目的和意义
• 1.2 直线电机的发展历史以及国内外发展动态
• 1.3 直线永磁同步电动机的常见控制策略
• 1.3.1 直线电机的传统控制策略
• 1.3.2 直线电机的现代控制策略
• 1.4 自抗扰控制技术
• 1.5 本论文的主要工作
• 第二章 直线永磁同步电动机的概述
• 2.1 直线电动机的概述
• 2.2 直线永磁同步电动机的结构与工作原理
• 2.2.1 直线永磁同步电动机的结构
• 2.2.2 直线永磁同步电动机的工作原理
• 2.2.3 直线电动机的优、缺点
• 2.3 直线永磁同步电动机的d-q轴数学模型
• 第三章 自抗扰控制
• 3.1 自抗扰控制器的组成和功能
• 3.1.1 跟踪微分器（TD）
• 3.1.2 扩张状态观测器（ESO）
• 3.1.3 非线性状态误差反馈控制律（NLSEF）
• 3.2 自抗扰控制器的参数简化
• 3.3 自抗扰控制的应用
• 第四章 自抗扰控制在直线电机上的应用
• 4.1 直线永磁同步电动机自抗扰控制器的设计方案
• 4.2 励磁电流的自抗扰控制器设计
• 4.3 速度的自抗扰控制器设计
• 4.4 系统仿真
• 第五章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢