高精度場合下永磁同步直線電動機控制策略的發(fā)展研究

張福特

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

0 引言

由于中國科技質(zhì)量的提高，社會現(xiàn)代化進程也不斷，現(xiàn)在工業(yè)中生產(chǎn)工序越來越多，也越來越復(fù)雜。發(fā)電機成為人類最基本的電力單元，應(yīng)用于全行各業(yè)，同時在工業(yè)生產(chǎn)中也成為缺一不可的重要部件。 傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)電動機（RotatingMotor，RM） 的驅(qū)動方式都是由電機加上滾珠絲杠所構(gòu)成，但因為其自身構(gòu)造上的存在問題，使得它具有工作效率低下、精確度低、工作穩(wěn)定性不好、功率過大等幾個問題，不能滿足日益增長的高標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)需求。 因此，越來越多的特種電機被開發(fā)出來滿足各種場景的工業(yè)應(yīng)用，如永磁無刷電機簇、開關(guān)磁阻電機暨、永磁直線同步電機等等。 其中，永磁同步直線電動機由于其特性好、安全性強、成本低、牽引力大等特點逐漸成為工業(yè)控制系統(tǒng)中的研究熱點問。目前，永磁同步直線電機主要應(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)），自動化工業(yè)阿（傳送系統(tǒng)），精密制造業(yè)（3D 打印機）等領(lǐng)域。小到日常生活大到國家軍事都可以見到PMLSM 伺服系統(tǒng)的應(yīng)用，其應(yīng)用前景十分廣闊。

1 永磁同步直線電機控制研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究

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

20 世紀(jì)50 年代以后，隨著材料科學(xué)與控制理論的進行，各國開始大力發(fā)展直線伺服系統(tǒng)。 1954 年，英國飛機制造企業(yè)開發(fā)了最高速度達(dá)到1600km/h 的直線電機進行飛機發(fā)射。1955 年，日本開始研制基于直線電機的直線牽引系統(tǒng)用于軌道交通。 此時，直線電機技術(shù)已開始步入開發(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） 制造工藝的升級以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，直線電機開始進入人們的日常生活中。1980 年，法國研制了基于直線電機驅(qū)動的空氣壓縮機。1990 年，日本大阪將直線電動機運用到城市軌道交通中， 我國廣州的多條城市軌道交通也使用了直線電機驅(qū)動。 至此，直線電機進入了商用階段，由于其精度高、穩(wěn)定性好、加減速度大等優(yōu)點，廣泛用于交通、工業(yè)、日常生活中。

1.2 國內(nèi)研究

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

目前，我國已把"精確設(shè)計與數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)研究和發(fā)展"納入了我國的重要技術(shù)攻關(guān)項目，其中直線電機技術(shù)是其不可分割的重要內(nèi)容，這將會進一步打破PMLSM 領(lǐng)域的技術(shù)壁壘[1]。

1.3 永磁同步直線電動機的高精度控制系統(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)過了從原始的開環(huán)控制到后來的閉環(huán)控制的過程， 而相應(yīng)的使用場合的控制精度也在不斷地提高。 交流電動機的是一種強耦合、時變、非線性力、多變數(shù)的控制系統(tǒng)，對其控制系統(tǒng)的困難程度可想而知。 對交流電動機的控制就經(jīng)過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異步式電動機面言的，在驅(qū)動電流的頻率規(guī)定后，只要根據(jù)調(diào)整進入訊號的頻率進行對異步式電動機的頻率限制，在原理上就已經(jīng)能夠完成對其限制的作用。在這個條件下將會導(dǎo)致發(fā)動機氣隙大小磁通過大進而導(dǎo)致電路飽和，更有甚者會燒掉電器。鑒于此必須尋求一個有效的同步發(fā)電機的方案。

對異步電機組進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，因為定子在不同的時間內(nèi)其等效阻抗在時間發(fā)生了改變，同時也會引起繞組內(nèi)壓降的時改變呵。同時也很難準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)動的速度，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，不過因為負(fù)荷的不確定性，葉輪的轉(zhuǎn)差率也會隨著負(fù)荷不斷改變，從而不太適合于精確控制場合。

（2）矢量控制VC。在交換電動機控制方面，三相電動機的特點基本上是可以利用壓力和電磁轉(zhuǎn)矩方程來說明。 因為發(fā)電機的每個相都會在各相繞組上形成一個磁能量。三相形成了一個以一定須率轉(zhuǎn)動的合磁，不過因為三相電源得各相產(chǎn)生的磁并不總是彼此正交， 所以這樣分析起來就非常的困難。 所以德國物理學(xué)家F.B1aschke發(fā)明了一個磁定向矢量限制， 是一個當(dāng)前應(yīng)用最普遍的交換發(fā)電機變頻調(diào)速控制策略。 向量限制把電機的定子電流矢量分解成扭矩輸出能量和勵磁電流能量， 勵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)就是利用對這二種電流分量的幅度和相位進行調(diào)控實現(xiàn)解耦抑制的目的。

向量監(jiān)控管理系統(tǒng)的要點就是將坐標(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)動正交的二相或者其逆變換， 向量監(jiān)控管理系統(tǒng)實現(xiàn)交流電機的自動調(diào)壓特性能夠和直流電動機的相媲美，響應(yīng)速度快且完成了對瞬時值的監(jiān)控， 在對精度需求較高、動態(tài)響應(yīng)速度好的場景下，進行了很好地應(yīng)用[2]。

2 研究意義

一般的數(shù)控機床都是“旋轉(zhuǎn)電機+滾珠絲杠”的形式，但這種設(shè)計也具有許多導(dǎo)致精度下降的原因。 一是普通機械的回轉(zhuǎn)動作，經(jīng)過聯(lián)接結(jié)構(gòu)、絲杠或中間機構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，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間障死點、 彈性形變問題等.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)性問題。三是由于中心環(huán)節(jié)的機械磨損程度很大，從而導(dǎo)致問題較多、修理也比較頻繁。

然而， 直線電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)比較于傳統(tǒng)垂直伺服裝置機構(gòu)，具有這樣的一些優(yōu)點：首先是定位精度高，直線電機不要求像傳統(tǒng)傳動設(shè)備的中心環(huán)節(jié)， 也沒有回程偏差、 彈性形變等因為中心環(huán)節(jié)而產(chǎn)生的各種位置偏差。其次是機械構(gòu)造簡單簡便，只要將負(fù)載直接地和直線電機的動子剛性連接就可以驅(qū)動整個負(fù)載， 而完全不要求將螺旋運動轉(zhuǎn)化為直線運動的中間設(shè)備。 因此整個系繞的機械構(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，垂直電機的動子和定子間的磨擦力極小。從而極大地提高了整個控制系統(tǒng)的敏捷、機動性。

不過，由于直線電機采取的是“零傳動”的形式，負(fù)載與動子之間進行了剮的連接。 傳動系統(tǒng)中的各種擾動并不能通過中心環(huán)節(jié)的緩沖， 直接作用于直線電機而產(chǎn)生由外部原因所造成的推力波動現(xiàn)象；同時，直線電機自身的內(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)都是直線電機形成推力波動現(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，直線電機推力波動直接影響數(shù)控機床的位置準(zhǔn)確度和低速運轉(zhuǎn)的同時穩(wěn)定性。所以，在對永磁交流同步直線系統(tǒng)進行控制策略分析時，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)計時采取相應(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)

永磁同步直線電機結(jié)構(gòu)簡單，重量小、利用率高等特點，在越來越多的場合中取代了永磁同步旋轉(zhuǎn)電機。永磁直線電機的磁場由永磁體提供， 故而兼得永磁電機和直線電機的優(yōu)勢。 形象地講，將一個PMSM 沿著徑向切開，再沿著水平展開，就得到了一個PMLSM。 PMSM 的初級、次級分別對應(yīng)了PMLSM 的初級、 次級，PMSM 的力矩則可看為PMLSM 中的推力。 與PMSM 不同的是，考慮到直線電機在運行過程中，初級和次級做相對直線運動，為了保障基本的行程，一般情況下次級和初級長度不一致。

PMLSM 的初級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，進一步減小磁漏現(xiàn)象，可以提高推力密度。 PMLSM 的次級由永磁體組成。交錯排列極性相反的永磁體塊安裝在導(dǎo)磁板上，安裝方向與電機運行方向一致。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 的初級和次級結(jié)構(gòu)的差異，可以以將直線電機分為短初級、短次級、雙邊初級、雙邊次級等。為短初級型直線電機，這也是目前最為常見的直線電機類型，其結(jié)構(gòu)的特點是動子為線圈， 運動過程中會拖動線纜一起運動，也是本文所使用的的直線電機。為短次級型直線電機，其結(jié)構(gòu)特點是動子為永磁體，運動過程中沒有線纜拖動，實用性更強，相應(yīng)的其控制難度更大。 上述兩種為單邊式直線電機，其缺點為初級和次級存在法向力，會對控制帶來更多影響[4]。

4 基于無模型滑模的PMLSM 位置同步控制方法研究

作為一種常見的特種電機，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估計干擾補償在控制器中。然后為了改善跟蹤效果，將智能P 和滑模控制器相結(jié)合。另外，整個體系的穩(wěn)定性可以通過李雅普諾夫穩(wěn)定性理論來證實：最后，通過與傳統(tǒng)的PID、智能PI 等方法進行模擬對比，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，隨著機械化工業(yè)需求越來越高，需要高速、高加速度、高精度的運動控制系統(tǒng)，使得PMLSM 其取代了RM，有了更多的市場。 雖然PMLSM 具有更好的運動控制表現(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 的控制問題展開理論研究。

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)過程中最廣泛使用的監(jiān)控對策，因為它不要求具體的受控對象參數(shù)，在電機監(jiān)控中應(yīng)用。但在實際使用時， 一個恒定或不變的PID 參數(shù)無法滿足參數(shù)變化、干擾變化等電機控制系統(tǒng)。 根據(jù)上述問題，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，然后進行模糊決策，可以動態(tài)輸出PID 的三種參數(shù)，但由于其模糊規(guī)律相當(dāng)繁瑣，不好于實際工程使用。最后根據(jù)管理策略的不足， 又給出了一個采用李雅普諾夫函數(shù)的自適應(yīng)PID 控制器。 在實際直線發(fā)電機工作過程中， 由于滑動摩擦力矩和彈性形變等外界擾動都無法檢測，所以設(shè)計了非線性的擾動觀測儀進行了擾動預(yù)測，并補償?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)進行設(shè)置了點補償控制器和PID 參數(shù)的自適應(yīng)性律， 并同時采用投影法來確定了自適應(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間和調(diào)節(jié)經(jīng)驗條件，從而進一步提高了系統(tǒng)執(zhí)行的魯棒性[5]。

6 基于dSPACE 的PMLSM 位置同步控制實驗

DSPACE 是由德國dSPACE 公司所研制的零點五實體模擬平臺，其能夠和MATLAB 中的Simulink 相連的控制系統(tǒng)試驗與研究平臺。 在開發(fā)控制器之時，dSPACE 用于連接控制算法和被控對象， 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 中進行模塊化算法編程， 可以有更多的精力投入到算法設(shè)計。 同樣，dSPACE 也能夠解決在控制器設(shè)計或?qū)崿F(xiàn)之后，若測試環(huán)境比較復(fù)雜，或者被控對象難以實現(xiàn)時， 其無法完成的部分可以利用實時數(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（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 仿真了實際的控制器，而HILS 用dSPACE 仿真了被控對象或難以實現(xiàn)的部分。 利用dSPACE 后進行半實物仿真，可以縮短控制器開發(fā)時間，大大提高工作效率。

7 結(jié)束語

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