永磁同步直線電機滑模變結構直接推力控制

【摘要】本文針對直線電機控制系統采用具有高魯棒性能的滑模變結構直接推力控制的新思路，解決實際系統中存在的多種因素對控制性能的影響問題，達到抑制推力脈動并獲得良好動態響應性能的目的。仿真研究表明，本文提出的這種新型控制策略能極大地減小傳統直接推力控制中因兩個滯環調節器造成的靜態推力脈動，同時又保持了直接推力控制固有的轉矩快速響應特征和對系統參數攝動、外干擾、測量誤差以及測量噪聲具有的極強魯棒性優點。

【關鍵詞】直線電機；滑模變結構；直接推力

引言

目前，永磁同步電機高性能控制策略已從矢量控制逐步發展到直接轉矩控制。它與以往的矢量控制的解耦控制方法不同，不需要把電機的定子電流分解為磁化分量和轉矩分量，而是簡單的通過檢測定子電壓和定子電流，直接在定子坐標系下計算電機的磁鏈和轉矩[1]。

滑模變結構控制是對非線性不確定系統的一種有效的綜合方法，通過對切換函數符號判別，不斷地切換控制量來改變系統結構，使狀態變量運動到事先設計好的空間切換面上[2]。

1、永磁同步直線電機直接推力控制

在d-q坐標系下永磁同步直線電機的電壓和磁鏈方程如下：

（1）

其中： 分別為電壓和電流的d-q軸分量； 為繞組磁鏈d-q軸分量； 為d-q軸電感； 為永磁體磁鏈； 為繞組電阻； 為動子線速度； 為極矩[3]。

直線電機產生的電磁推力為：

（2）

三相繞組通入三相電流時會產生空間旋轉的磁動勢，其與永磁體共同作用產生合成氣隙磁場。定義該合成磁動勢在M-T坐標系上，取M軸始終定向于合成磁場的方向、T軸順著移動方向超前90度電角度。記M軸與d軸之間的夾角為 ，繞組磁鏈矢量圖如下[4]：

圖1 繞組磁鏈矢量圖

通過以上分析和計算，得到永磁直線同步電機直接推力控制系統框圖。

2、滑模變結構控制器設計

本質上說，永磁同步直線電機是一個強耦合、非線性、多變量系統。而滑模變結構控制與常規控制系統的不同之處在于系統的“結構”可以在動態的過程中，根據當時的狀態，對加給系統的干擾和系統的攝動具有完全的自適應性，而且迫使系統有目的地沿著預定的“滑動模態”的狀態軌跡運動，使系統快速收斂到控制目標。它在處理模型不確定性和未知干擾等方面，具有很強的適用性。因此，將滑模變結構控制引入永磁直線同步電機的直接推力控制中[5]。

2.1 滑動模態

設在系統： （7）

的狀態空間中，存在一個超曲面 ，它將狀態空間分成上下兩個部分 。

若要滿足系統的滑動模態存在，必須滿足下面兩式：

（8）

或 （9）

3、結論

本文設計了永磁同步直線伺服系統的滑模變結構直接推力控制。該系統具有結構簡單、響應速度快等優點，它對系統內部參數攝動、外部干擾、測量誤差以及測量噪聲等具有極強的魯棒性。即解決了傳統直接推力控制存在的推力和磁鏈脈動較大、逆變器開關頻率不恒定等問題，又保持了其固有的特性。這種設計方案并未增加系統硬件成本，而動、靜態性能優異，能適用于要求推力快速響應的伺服系統，是一種能提高控制系統動、靜態性能的有效解決方案。

【參考文獻】

[1]Vadim I Utkin Variable structure systems with sliding mode[J]. IEEE Trans AC，1997（2）：212～221.

[2]In-Soung Jung， Sang-Baeck Yoon， Jang Ho Shim. Analysis of Forces in a Short Primary Type and a Short Secondary Type Permanent Magnet Linear synchronous Motor. IEEE Trans. on Energy Conversion，1999（4）：1265～1270.

[3]郭慶鼎，王成元，周美文，孫廷玉.直線交流伺服系統的精密控制技術[M].北京：機械工業出版社，2000.

[4]胡躍明.非線性控制系統理論與應用[M].北京：國防工業出版社，2001.

[5]孫宜標，郭慶鼎.交流直線伺服系統的模糊滑模變結構控制[J].沈陽工業大學學報，2002，Vo1.24，No.4：317～321.