基于 MATLABSimulink的永磁同步直线电机控制分析与研究.pdf

收稿日期 作者简介 吕帅朋 男 河南平顶山人 硕士 主要研究方向为机 器人技术 基于 MATLAB Simulink 的永磁同步直线电机控制分析与研究 吕帅朋 李积元 青海大学 青海西宁 摘 要 针对传统 控制环控制效果不理想的问题 本文提出了滑模 神经网络双自由度控制策略 并将其应用在永磁 同步直线电机控制中 采用 对控制效果进行仿真分析 仿真结果表明 提出的控制策略应用效果较好 关键词 永磁同步直线电机 滑模 神经网络 中图分类号 畅 文献标识码 编码 Abstract Key words 引言 我国对于直线电机和相关伺服系统的研究还主要集中于 一些高等院校和科研院所 比如清华大学 华中科技大学 浙 江大学等 并且研究水平相对落后 和国际先进水平和产业化 还存在一定的差距 因此需要更深层次的对直线伺服系统进 行研究 采用先进的控制技术 提高伺服控制系统的稳定性和 性能 改进系统控制中存在的问题 提高直线电机的控制性 能 使其应用更加广泛 永磁同步直线电机 在数控机床等直线伺服系统控制中应用十分 广泛 该系统具备高精度 高加速度 高速度 良好的动态响 应能力等优点 以其高速度 高加速度 高精度和良好的动态 响应能力等优点 由于传统的 速度环控制鲁棒性不高 控 制精度不够精准 效果不太理想 针对这些问题文献 提出了 参数自适应模糊 速度控制器 显著了提升控制器的鲁棒性 和动态性 因此文献 提出了永磁同步电机矢量控制的 切换的控制策略 本文为了进一步提高控制效果 提出 了滑模一神经网络双自由度控制策略 并对其进行仿真分析 永磁同步直线电机的基本工作原理 永磁同步直线电机的工作原理 直线电机动子的三相绕 组通入三相对称正弦电流 产生气隙磁场 如果不考虑铁 心两端开断而导致的纵向端部效应 可以认为这个气隙磁场 的分布沿着展开的直线方向呈现正弦分布状态 由于三相电 流随着时间会发生变化 因此气隙磁场会按照 相的顺 序做直线运动 直线电机产生的气隙磁场是行波磁场 该磁 场沿直线方向平移 行波磁场的移动速度与旋转磁场在内圆 表面上的线速度 相同 且有 vs f 直线电机由于其次级 未闭合使得它所产生的行波磁场的特性和闭合旋转磁场有区 别 因此 分析永磁直线同步电机时 需要忽略一些特殊状态 只考虑其在理想下的情况 忽略定子齿槽效应 永磁 体祸流损耗及磁滞损耗 直线电机参数忽略环境温度和 受磁路饱和的影响 不考虑直线电机无纵向边端效应 认 为其初级阻尼为零 不考虑初级磁动势高次谐波分量 认 为次级 永磁体 磁场恒定 滑模 神经网络双自由度控制器 设计 本文提出的控制系统结构见图 其中采用滑模控制作 为前馈控制器 快速跟随系统速度给定信号 且使系统运行状 态不受外部扰动及参数变化等不确定因素的影响 采用 神经网络作为反馈控制器 应用 神经网络的自学习能力 降低由扰动和参数变化引起的滑模 抖振 对系统的影响 提 高系统的鲁棒性 并且不对直线伺服系统跟踪性能造成影响 图 双自由度控制系统结构框图 控制器滑模面设计 在 id 矢量控制策略下 的运动方程可改写成 F fiq kfiq M dv dt Bv Fd 式 中 kf分别代表电机电磁推力 电磁推力系数 iq 代表电机电枢电流 q 轴分量 分别代表电机动子质量 粘 滞摩擦系数 v Fd分别代表动子移动速度 负载阻力 f代表 次级永磁体产生的磁链 当 伺服控制系统存在系统参数摄动以及外部的 扰动时 系统模型可以改写为 kfiq Mn M dv dt Bn B v Fd 式 中 Bn代表粘滞摩擦系数的额定值 Mn代表电机动 子质量 B 代表粘滞摩擦系数的摄动量 M 代表质量摄 动量 基于 的永磁同步直线电机控制分析与研究 吕帅朋 等 为简化分析 将广义扰动定义为 Fr M dv dt Bv Fd 则此时式 可化简为 kfiq Mn dv dt Bnv Fr 设系统的状态量 v 倡为速度给定 v 为速度反馈 则系统速 度误差为 e v 倡 v 这时 由式 可得到系统的误差方程 e 倡 ane bnu dnFr anv 倡 an B M bn kf M dn M u iq u 代表系统控制量 为使系统在整个动态响应过程中都具有鲁棒性 所以在 滑模面设计中 引入系统状态误差 的积分项 即使用积分滑 模面 s e c e d e cI c e d e 上式中 I e d 为积分的初始条件 为使得系统 从运动初始时刻就具有鲁棒性 即初始时刻就在滑模面上 故 t 时 s e 这时积分初始条件为 I e c v 倡 c 当系统进入滑动模态后 s e 这时系统的误差动态 方程 e 倡 ce 系统的误差 e E e ct以 c c 时间常数按指数规律趋 近为零 控制器结构设计 因为滑模控制律是釆用等效控制法 控制器中 为 等效控制 为切换控制部分 使得系统会具有良好的鲁 棒性 见图 图 滑模控制器结构框图 控制量形式如下 u ueq us 根据珋s 与 Fr 根据公式 可以推导出等效控 制为 ueq bn anv c an e 而切换控制 部分 us为 us k s e 式中 是符号函数 k 为切换比例系数 切换控制必需 满足以上条件 所以由式 式 式 以及式 可以 求得比例系数的选取范围 k dn bn Fr 式中 Fr 为广义扰动的最大值 神经网络控制器设计 通过 神经网络自学习使得由系统参数变化以及外部 扰动引起的系统切换函数 s e 偏差快速收敛到零 并最终使 得 s e 使得系统最终会保持在滑动模态 双自由度控制 器具体框图如图 所示 图 双自由度控制器结构框图 神经网络控制器采用 网络结构 网络输出量为 unm j w j i w ij xi 本文采用退化的 网络结构 即使用不含隐含层的 结构 所以在控制过程中仅需调节权值 w j j 当系 统存在参数摄动以及外部扰动时 权值 w j j 都会自 动进行调整 当 s珋s 时 系统状态会保持在滑模面上滑动 就不会出现抖振现象 因此 为削弱系统抖振 应调整权值 w j 使得 s珋s 的值减小 所以 设定系统误差目标函数为 E k s k 珋s k 采用梯度下降法对网络权值进行调整 w j k w j k j磹w j E k 式中 j j 是学习速率 磹w j E k 为局部梯度 磹w j E k 抄s k 珋 s k 抄u k 抄u k 抄w j k 抄s k 珋 s k 抄 usm k unn k 抄u k 抄w j k 由式 和式 可知抄usm k 抄w j 则 抄s k 珋s k 抄u k s k 抄珋s k 抄u k s k 抄 ce k 珋e k 抄u k s k 抄 抄u k ce k ane k bnu k dnf k bns k 综述所述权值 w j k 的学习率为 w j k w j k j bns k 抄umn k 抄w j k w j k jbns k 抄 抄w j k j xj k w j k 仿真结果的分析与验证 为了对本文提出的永磁同步直线电机采用滑模 神经 网络双自由度控制效果进行验证 构建 的仿真模型 其相关参数见表 本文采用使用 中的 模块 构建了传统 控制和滑模一神经网络双控 枟自动化与仪器仪表枠 年第 期 总第 期 制的永磁同步直线电机仿真模型 进行效果对比 搭建的电机 模型为控制器实现良好的控制效果提供了基础 表 参数 参数数值 电子驱动 轴电感 哌哌畅 永磁体磁链 哌哌畅 黏性摩擦系数 动子质量 C 动子电枢电阻 C 极距 C 给定系统的仿真时间和速度阶跃信号 当不存在负载扰 动时 系统的速度响应仿真结果见图 存在负载扰动 时 系统的速度响应仿真结果见图 不存在扰动下的速度响应 扰动下的速度响应 图 仿真结果 图 中 代表传统的 速度控制器对应的响应结果 代表滑模 神经网络双自由度控制器的速度响应结 果 由图 在无扰动下速度响应下 伺服系统采 用传统 速度控制器的响应时间为 而滑模 神经 网络双自由度控制器的响应时间为 由此可知 滑 模 神经网络双自由度控制器的速度提高了系统的速度响 应 这和理论分析相符合 为了测试系统的抗干扰性能 在 时 突然提高负载 仿真结果见图 根据速度波 形可知 突然增加负载时 传统的 控制器速度波形波动较 大 滑模 神经网络双自由度控制器的速度波形较小 说明 滑模一神经网络双自由度控制器抑制外界干扰特性较强 结语 本文对永磁同步直线电机控制进行了分析 提出了滑 模 神经网络双自由度控制器 采用 构 建仿真模型 仿真结果表明 采用新的控制策略提高了系统的 抗干扰性能 这符合理论分析预测 在今后的研究中要不断提 高控制效果和系统的抗干扰性能 为工程实践的理论应用奠 定了基础 参 考 文 献 谢潜伟 永磁同步直线电机的变论域模糊 控制 上海 华 东理工大学 杨自龙 叶云岳 永磁直线伺服系统模糊 速度控制器研究 机电工程 曹瑜 王旭东 一种改进的永磁同步电机矢量控制系统的